分布式控制系统(DCS)的特点及应用的应用

集散控制系统(DCS)技术工艺特点及市场前景预测

分布式控制系统(DCS)(简称DCS),又称分布式控制系统,是对生产过程进行集中管理和分散控制的计算机系统。也可称为“分布式控制系统”或“分布式计算机控制系统”。它利用成熟的网络技术、总线技术、微处理技术和计算机技术,对现场处理控制设备进行分布式控制和集中管理。 、传感器仪表、服务器、工作站等,形成多层架构的控制系统。

分布式控制系统(DCS)以微处理器为基础,集成了计算机()、通信()、显示(CRT)、控制()等4C技术。采用分散控制功能,集中显示操作,分工自治。并采用综合协调的设计原则,最终实现系统分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、配置方便的功能。可解释为:DCS广泛应用于模拟回路控制较多的行业,尽可能分散控制带来的危险,是一种集中管理和显示功能的自动化高科技产品。

集散控制系统(DCS)特点:集散控制系统(DCS)吸收了计算机集中控制和常规模拟仪表分散控制的优点,克服了两者的缺点,集通讯、计算、控制、屏幕显示于一体。一个整体可以轻松改变控制方式,实现各种复杂的控制。同时,故障引起的危险被完全分散,提高了控制系统的可靠性。其系统特点是:分级控制;硬件构建块;软件模块化(工程师站组态软件、操作站实时监控软件和过程控制站软件);通过配置方法生成控制系统;通讯网络应用;可靠性 高性能(系统结构、冗余技术、自诊断技术、抗干扰技术和高性能组件);开放系统(可移植性、互操作性、适用性、可用性)。

(1)系统结构:分布式控制系统(DCS)的结构一般由多层系统组成,可分为现场控制设备层、集中管理层和远程监控层垂直方向;水平方向不同实现 DCS的功能,如数据采集层和现场控制设备层,但各层之间有信息交换和协调动作。这样的功能分层和风险分散系统结构使得DCS具有高可靠性和更好的系统应用灵活性,也充分体现了DCS分散控制和集中管理的特点。

图1 分布式控制系统(DCS)的层次结构

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DCS的分散控制体现在现场处理设备的分散、人员的分散、区域的分散等;而集中的思想是通过工业网络和现场总线技术将这些分散的设备和人员连接起来,进行集中管理和信息共享,实现统一调度,从而提高资源利用率和生产效率,为工业现代化和信息化提供技术基础。制造业。

(2)系统函数:

–现场I/O驱动,完成工艺量的输入输出;

–对输入的工艺量进行预处理,尽量用具体的数字值还原字段值典型的现场总线技术有哪些,为下一次计算做准备;

–实时采样现场数据并存储在现场控制站的本地数据库中;

– 进行控制计算,根据控制算法、检测数据和相关参数进行计算,得到执行的控制量;

-由现场I/O驱动,控制量输出到现场。

分布式控制系统(DCS)分类:

(1) 产品类别更新:根据调研数据:目前市场上的集散控制系统(DCS)已经发展了四代,其产品在系统设计领域不断完善和成熟,功能结构、应用市场,其产品主要更新过程为:

第一阶段:1975-1980年,代表产品主要有美国公司、贝利公司、日本横河公司。它主要由五部分组成:过程控制单元PCU、数据采集装置DAU、CRT操作站、监控计算机和数据高速公路HW。这一时期集散控制系统的技术特点如下:

–采用微处理器控制单元实现分散控制,具有多种算法,通过组态实现独立回路控制,具有自诊断功能;

–带CRT显示的操作站与工艺单元分离,实现集中监控、集中操作;

–采用更先进的冗余通讯系统。

第二阶段:1980-1985年,主要代表产品为日本横河公司A、B、D等公司。它主要由七部分组成:局域网局域网、多功能控制器MC、增强型操作站EOS、通用操作站US、网络连接器GW、系统管理模块SMM和上位机HC。这一时期集散控制系统的技术特点如下:

–增加了微处理器的位数,提高了CRT显示器的分辨率;

–增强的模块化系统;

——加强系统信息管理,强化沟通功能。

第三阶段:1985-1990年,分配制度进入第三代。DCS扩展到计算机网络控制,进一步结合过程控制、监督控制和管理调度,强化间歇系统功能。它采用基于专家系统和开放系统互连参考模型的制造自动化协议的MAP标准,以及硬件上的多项新技术克服了自动化孤岛问题。典型产品是该公司的、横河电机的-XL 和INFI-90。其技术特点如下:

–采用开放式系统管理;

–操作站采用32位微处理器;

–采用实时多用户多任务操作系统。

第四阶段:1990年后:分销体系进入第四代。DCS作为管控一体化出现,硬件上采用开放式工作站,采用/的结构,在网络结构上增加了工厂信息网,能够连接互联网,采用UNIX和X图形用户软件上的接口。, 系统软件更加丰富,开发了一些优化的、管理良好的界面软件并移植到DCS。典型产品包括公司的TPS控制系统、横河的-CS控制系统、公司的I/AS50/51系统。其技术特点如下:

——集成化、信息化、集成化的混合控制系统;

–引入先进的控制理论;

–形成系列产品;

–采用人工智能技术;

–先进的软硬件技术;

–DCS 包括 FCS 功能,并进一步分散。

(2)PLC、DCS、FCS三大控制系统的基本特性:

目前,连续过程生产工业过程控制主要有PLC、DCS和FCS三大控制系统。各自的基本特征如下:

①PLC:可编程逻辑控制器(PLC)是一种可编程存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等面向用户的指令,并通过数字或模拟输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

–从开关控制到顺序控制和算术处理的发展是自下而上的;

–逻辑控制、定时控制、计数控制、步进(顺序)控制、连续PID控制、数据控制–PLC具有数据处理能力、通讯、联网等多种功能;

–一台PC可作为主站,多台同类型PLC作为从站。

–也可以一台PLC为主站,多台同类型PLC作为从站组成PLC网络。这比用PC做主站有一个优点:当有用户编程时,不需要知道通讯协议,只要按照手册的格式写就可以了;

–PLC网络可作为独立的DCS/TDCS或作为DCS/TDCS的子系统使用;

–主要用于工业过程中的顺序控制,新型PLC还具有闭环控制功能。

②DCS: DCS和 TDCS是一种集成4C(、、、、、CRT)技术的监控技术,是第四代过程控制系统。

–它不仅具有计算机控制系统控制算法先进、精度高、响应速度快等优点,而且还具有仪表控制系统安全可靠、维护方便的要求;

–自上而下的树形拓扑大系统,其中通信()是关键;

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–为树形拓扑结构,并联连续链路结构,从中继站到现场仪表也有大量电缆并联;

–模拟信号,A/D—D/A,与微处理器混合。它由多台计算机和一些智能电表的智能元件组成,逐步用数字信号代替模拟信号;

–一台仪表/一对电线接I/O,控制站接局域网LAN;

–DCS是控制(工程师站)、操作(操作员站)、现场仪表(现场测控站)三级结构。缺点是成本高,各个公司的产品不能互换,不能互通,差异大。

–用于大型连续过程控制,如石油化工、大型电厂、化工等行业的集中控制。

③FCS:FCS是第五代过程控制系统,融合3C技术(,,)也是21世纪自动化控制系统的方向。基本任务是:内在(内在)安全、危险区域、可变过程和困难环境。主要功能结构为:

–FCS系统的核心是总线协议,即总线标准:使用双绞线、光缆或无线电传输数字信号,减少大量的导线,提高可靠性和抗干扰能力。FCS 一直是从传感器、发射器到调节器的数字信号,这使我们可以轻松处理更复杂、更准确的信号。同时,数字通信的差错功能可以检测传输中的差错。

–FCS系统的基础是数字智能现场设备:控制功能转移到现场仪表,控制室仪表设备主要完成数据处理、监控、优化控制、协调控制、管理等功能自动化。

——FCS系统的本质是现场信息处理:对于一个控制系统,无论是DCS还是现场总线,系统需要处理的信息量至少是一样的。事实上,采用现场总线后,可以从现场获得更多的信息。现场总线系统中的信息量没有减少甚至增加,而传输信息的电缆却大大减少。这就要求一方面,电缆传输信息的能力要大大提高,另一方面,大量的信息必须在现场进行处理,以减少站点与站点之间的信息往返。控制室。可以说,现场总线的本质是现场信息处理。

此外,FCS系统还有以下优点:

1)全数字化、智能化、多功能化,取代模拟式单功能仪器、仪表、控制设备。

2) 用两根线连接分散的现场仪表和控制设备,而不是每台仪表两根线。“现场控制”代替“分布式控制”;数据传输采用“总线”方式。

3) 从控制室到现场设备的双向数字通信总线是一种互连的、双向的、串行的多节点、开放的数字通信系统,取代了单向、单点、并行,和封闭的模拟系统。

4)用分散的虚拟控制站代替集中控制站。

5) 微电脑处理器转移到现场自动控制设备,使设备具有数字计算和数字通讯能力,信号传输精度高,远传。实现信号传输全数字化、控制功能分散、标准统一、完全开放。

6) 可以连接到局域网,然后相互通信。它既是通信网络又是控制网络。

Type 3 FCS 的典型应用:

1) 石油化工等连续过程自动控制,其中“本质安全防爆”技术绝对重要;

2)离散过程动作的自动控制,如汽车制造机器人和汽车;

3)楼宇自动化等多点控制。

(3)PLC、DCS、FCS三大控制系统对比分析:

①DCS与PLC对比分析:PLC系统与DCS系统的结构差别不大,但功能侧重点不同。DCS 专注于闭环控制和数据处理。PLC侧重于逻辑控制和开关控制,也可以实现模拟量控制。

DCS 或 PLC 系统的关键是通信。也可以说,数据高速公路是分布式控制系统DCS和PLC的脊梁。由于其任务是在系统的所有组件之间提供通信网络,因此数据高速公路本身的设计决定了整体的灵活性和安全性。数据高速公路的介质可以是:双绞线、同轴电缆或光缆。DCS的特点是: 1) 控制功能强:可以实现复杂的控制规律,如级联、前馈、解耦、自适应、最优和非线性控制等;也可实现顺序控制;2)系统可靠性高;3)采用CRT操作台,人机界面良好;4) 软硬件采用模块化积木结构;5) 系统易于开发;6)采用组态软件,编程简单,操作方便;7) 具有良好的性价比。

目前,DCS和PLC系统一般采用两种通信方式,即同步和异步。同步通信依靠时钟信号来调节数据传输和接收,异步网络使用没有时钟的报告系统。

②DCS与FCS对比分析:FCS具有:1)良好的开放性、互操作性和互换性;2) 全数字通讯;3) 智能和功能自治;@4)高度去中心化;5) 适用性强。与DCS系统相比,主要区别体现在:

——DCS系统是一个大系统,其控制器功能强大,在系统中的作用非常重要。数据高速公路是系统的关键。因此,整体投资必须一步完成,后期难以扩大产能。FCS功能更加分散,信息处理就地进行,数字智能现场设备的广泛使用,使得控制器的功能和重要性相对较弱。因此,FCS系统投资起点低,可同时使用、同时扩展、同时投入运行;

–DCS系统是一个封闭的系统,各个公司的产品基本不兼容。FCS系统是一个开放的系统,不同厂家、品牌的各种产品基本可以同时接入同一个现场总线,达到最佳的系统集成;

–DCS系统的信息都是由二进制或模拟信号组成,必须经过D/A和A/D转换。FCS系统一次性完成现场D/A和A/D的转换,实现全数字通信,精度大大提高,可提高到0.1%。此外,FCS系统可以将PID闭环控制功能集成到现场设备中,缩短了控制周期,提高了计算速度,提高了调节性能;

–DCS可以控制和监控技术的全过程,诊断、维护和配置自身。但由于其自身的致命弱点,其I/O信号采用传统的模拟信号,无法在DCS工程师站上对现场仪表(包括变送器、执行器等)进行远程诊断、维护和配置。FCS采用全数字技术。数字智能现场设备发送多变量信息,不仅仅是单变量信息,还具有检测信息错误的功能。FCS采用双向数字通信现场总线信号系统。因此,可以对现场设备(包括变送器、执行器等)进行远程诊断、维护和配置;

–FCS由于现场信息处理,与DCS相比,可节省相当数量的隔离器、端子柜、I/O端子、I/O卡、I/O文件和I/O柜,同时节省 I/O 设备和设备间的空间和占地面积。同时,FCS可以减少大量电缆和电缆桥架等,同时还可以节省设计、安装和维护成本;

–FCS在配置上比DCS简单。由于结构和性能标准化,易于安装、操作和维护。

(4)关键功能结构和关键技术:整个DCS系统组成非常灵活,可以由专用管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站组成站等,或由通用服务器、工业控制计算机和可编程控制器组成,其关键功能结构为:

① DCS骨架系统网络:系统网络是DCS的基础和核心,对整个DCS系统的实时性、可靠性和可扩展性起着决定性的作用。

–实时性:对于DCS系统网络,必须满足实时性要求,即在一定时间内完成信息的传输。这里所说的“确定”时限是指在任何情况下都可以在该时限内完成信息传输,该时限是根据受控过程的实时性要求确定的。因此,衡量系统网络性能的指标不是网络速度,也就是通常所说的每秒比特数(bps),而是系统网络的实时性,即保证完成需要多长时间所需信息的传输。

–可靠性:系统网络也必须非常可靠,网络通讯在任何情况下都不会中断。因此,大多数厂家的DCS采用双总线、环型或双星型网络拓扑。

–可扩展性:为了满足系统可扩展性的要求,系统网络上可以访问的最大节点数应比实际使用的节点数大几倍。这样,一方面可以随时增加新的节点,另一方面可以使系统网络在较轻的通信负载状态下运行,保证系统的实时性和可靠性。在系统的实际运行过程中,各个节点的上网和下线都可能随时发生,尤其是操作台。这样,网络改造会频繁进行,这种操作一定不能影响系统的正常运行。因此,系统网络应具有强大的在线网络重构功能。

②完全处理现场I/O,实现直接数字控制(DOS)功能的网络节点:

–现场I/O控制站:一般一套DCS应配备一个现场I/O控制站,共享整个系统的I/O和控制功能。这样就可以避免一个站点故障导致整个系统的故障,提高系统的可靠性,并且各个站点可以共享数据采集和控制功能,有利于提高性能整个系统的。

–DCS操作员站:DCS操作员站是一个网络节点,处理与运行操作相关的所有人机界面功能。

–系统网络是DCS的工程师站:是DCS离线组态、组态工作和在线系统监督、控制和维护的网络节点。它的主要功能是为DCS配置和配置工作提供工具。软件(即组态软件),在DCS在线运行时实时监控DCS网络上各节点的运行情况,以便系统工程师通过工程师站及时调整系统配置和部分系统参数设置,使DCS可以随时处于最佳工作状态。与集中控制系统不同,所有DCS都需要系统配置功能。可以说,没有系统配置功能的系统就不能称为DCS。

③关键技术:DCS要实现分布式控制和集中管理,必须实现各控制节点数据的高效传输。因此,数据结构、传输方式和存储方式的定义尤为重要。为了实现实时、高效的数据传输,必须构建一个实时传输网络,它依赖于现场总线技术或工业以太网。

因此,各种现场总线技术和工业以太网技术的成熟加速了DCS的应用和发展,为DCS提供了众多的网络建设解决方案。同时,正是这些技术的发展,使得DCS的应用变得更加简单和可靠。到目前为止,流行的现场总线和工业以太网技术有40多种典型的现场总线技术有哪些,如CAN总线、/IP(以太网工业协议)、EPA(工厂)等。

(5)技术发展趋势:未来在工业过程控制系统中,数字化技术将向智能化、开放化、网络化、信息化方向发展;同时,工控软件也将向标准化、网络化、网络化方向发展因此,在现场总线控制系统FCS的竞争下,数字集散控制DCS和PLC行业将向高端产品领域推进,其系统产品将更加智能化、开放化、网络化、信息化。根据统计数据,最先进的工业过程控制系统将具备DCS、PLC、FCS等系统的共同优势,最终形成标准化、智能化、开放化、网络化、信息化的新型控制系统。总体说,“十三五”期间,DCS系统正朝着更加开放、更加规范、更加产品化的方向发展。

对于本土企业来说,随着DCS集散控制系统的功能越来越强大,软件系统的开发也越来越深入,软件之间的无缝连接也越来越好。在此基础上,公司内部人员必须不断探索新领域、新知识,才能胜任岗位,做好本职工作,使DCS和PLC通讯技术更好地得到实施。

(6)PLC、DCS、FCS三大控制系统的发展前景:专家说:FCS是在PLC、DCS等控制系统的基础上发展起来的。由于PLC最早起步,其产品有已经非常成熟完善,还具有强大的计算、处理和数据传输功能,但随着DCS、FCS等先进控制系统技术的不断成熟,逐渐取代了PLC系统。

但专家分析:由于FCS控制系统目前处于发展初期,各方面发展尚不成熟,市场地位仍不稳定;传统控制系统的维护和改造仍然需要DCS;在科技的不断发展下,未来的DCS不会被FCS取代,而是DCS会容纳FCS,实现真正的DCS。

例如目前市场上的第四代DCS包含多种形式的现场总线接口,可以支持多种标准的现场总线仪表、执行器等,另外每个DCS也改变了原来的机架式I/O模块和相对集中的控制站结构,取而代之的是进一步分散的I/O模块(导轨安装),或小型化的I/O组件(可现场安装)或中小型PLC。因此,DCS行业未来的发展前景较好。返回搜狐查看更多

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