3.正文

DCS控制系统设计

1 DCS的发展背景及现状

1.1 DCS系统的发展背景

随着工业现代化的飞速发展，工艺过程日趋复杂，流程中前后工序的相互关联与制约更加紧密，与此同时，为连续、安全、平稳生产，提高效率及质量，相应地对过程信息与控制管理提出了更高的要求。

在50^-60年代，工业自动化仪表以气动仪表为主，仪表信号为气源信号。随着电子技术的迅速发展，在50年代末60年代初出现了电动单元组合仪表，并得到广泛的应用。仪表信号也由气动信号变为电信号，在具体实施中，其施工维护的难度及强度也大大的减小。

60年代末，工业生产规模不断扩大，生产过程的复杂程度在不断增加，工艺流程中各单元之间的藕合关联度也在不断加强，常规的电动单元组合仪表已不能满足需求，对于工业控制系统，除了要求完成常规控制外，还要求系统既能处理大量数据，又能实现高级控制，于是便逐渐引入计算机控制

计算机控制在实现集中监控的功能时，同时使实现高级控制、信息通信等功能变得更加容易，其控制精度高的优点，使生产过程综合控制水平得到进一步提高。但是，在一个大型化工厂或生产装置中，一台计算机控制系统往往要集中控制几十个甚至几百个回路以及几百个需要集中显示操作报警的过程变量，显然随着控制功能高度集中，事故发生的危险性也高度集中，一旦计算机控制系统出现故障，控制、操作、监视将无法进行，给生产带来很大影响，甚至会造成全局性的重大事故。由于计算机控制系统的不足之处，常采用双机运行方式或以常规模拟仪表作为后备，是经常采用的方法，这种做法最终导致维护工作量增大，成本增加，并且对于危险分散和可靠性提高的问题仍然没有解决。

进入70年代中期，随着大规模集成电路的问世、微处理器的诞生，控制技术、计算机技术、显示技术、通讯技术等得到进一步发展，开发研制出了以微处

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理器为基础的新型过程控制系统—DCS系统，该系统集成了常规模拟仪表和计算机控制系统的优点，使控制系统安全性和可靠性得到进一步提高。

DCS系统是按照分级递阶结构进行组织的，在硬件上，按控制功能或区域将微处理器进行分散配置给各个控制站，每个控制站可控制多个回路。若干个控制站组合成整套控制系统，控制整个生产过程，从而达到了控制功能分散、危险分散的目的:系统中使用多台计算机对生产过程进行监视、操作和管理，各个站通过完全双重化的数据通信系统连接起来。此外以微处理器为基础的分散控制系统，解决了常规模拟仪表系统控制功能单一、人机接口不好的缺点;系统将连续控制、批量控制、顺序控制、数据采集处理、操作、管理与生产过程有机结合起来。

1. 2 DCS系统的发展概况

1975年，美国霍尼韦尔公司首次发布TDC2000系统，从此过程控制进入分散控制系统的时代。同期日本横河株式会社(YOKOGAWA)推出的CENTUM;美国泰勒仪器公司推出MOD Ⅲ系统；美国贝利控制公司推出NETWORK-90系统;美国福克斯波罗公司堆出I/A S；美国西屋公司推出WODPF系统；德国西门子公司推出TELEPERM M系统；英国肯特过程控制公司推出P 400系统等。

目1975年以采，随看分散型径制系统的硬件和软件功能的小断完善和发展，DCS系统的发展大致经历了三个阶段，DCS系统在不同阶段采取的重点技术不同，表现如下：

第一阶段：1975年~1980年；

采用以微处理器为基础的过程控制单元，操作站与过程控制单元相分离，实现了分散控制和集中管理的功能；系统在完成具有各种控制功能算法功能的同时还具备自诊断功能；在硬件制造和软件设计中采用了抗干扰措施等可靠技术，对进行数据处理：采用先进的冗余通信技术，使系统更为可靠。

第二阶段：1980年~1985年；

随着需求量的变化、产品升级换代的周期越来越短，单纯以控制为目的过程控制系统已经不再适应市场需求；系统需要新增批量控制功能和顺序控制功能，多功能过程控制单元随之产生。

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随着产品竞争越来越激烈，优化管理和质量管理的需求迫使生产厂商不断提高产品质量、增加产品种类，以提高系统性能操作站及过程控制单元均采用16位微处理器，工厂级数据向过程级分散，更强的图形显示、报表生成等功能，使得系统功能进一步增强;

由于工艺生产过程要求控制系统的规模多样化需求的提出，通过软件扩展和组织规模不同的系统，在局部控制网络上挂接历史模件、应用模件和计算机模件等，使系统功能得到强化。

随着计算机网络技术的发展，信息管理被提上日程，局域网技术被引入，网络上各设备处于“平等”的地位，传输方式为广播室，网络控制以令牌传送方式;因此通讯系统的进步，更加方便的将控制站、操作站、PLC和计算机互连使系统信息管理成为可能。

第三阶段：1985年以后；

DCS系统技术已经发展到一定的水平，但是各厂商出于利益保护的目的，都采用了封闭式系统。要实现企业信息化管理，就要求系统采用开放的、标准的系统网络，从而达到使不同功能、种类的仪表设备、系统实现通信、数据共享的目的。

为了满足不同用户的需求，适应中、小规模的连续、间歇或批量控制的生产装置的中、小规模的系统被开发。操作站采用了32位微处理器，使处理的信息量得到扩大、质量得到进一步提高。操作站采用触摸屏幕或鼠标，并且运用窗口技术及智能显示技术；操作完全图形化，内容丰富、直观，画面显示的速度加快。系统软件通常采用实时多用户多任务的操作系统，符合国际上的通用标准，支持多种语言、以及梯形逻辑语言和一些编程语言。

组态软件提供了计算、逻辑、转换、顺序、控制等功能模块，利用这些模块可以方便的组合成各种不同回路，除了能实现连续控制、逻辑控制、顺序控制功能外，还能实现PID参数自整定和自适应控制。组态采用方便的菜单或填空方式，组态过程更加便捷，功能更加丰富和完善。

1.3 国内外DCS系统研究现状

受信息技术（网络通信技术、计算机硬件技术、嵌入式系统技术、现场总线

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技术、各种组态软件技术、数据库技术等）发展的影响，以及用户对先进的控制功能与管理功能需求的增加，各DCS厂商如Honeywell、Emerson、Foxboro、横河、ABB等，纷纷采用先进技术，使得系统功能得到进一步提升。通过与第三代DCS系统相比较，系统发生了根本性的变化。

当前DCS系统已进入第四代。以Honeywell公司最新推出的Experion PKS(过程知识系统)、Emerson公司的Plant Web (Emerson Process Management)、Foxbor公司的A2、横河公司的R3（PRM—工厂资源管理系统）和ABB公司的Industrial IT系统为标志的新一代DCS已经崭露头角。

第四代的DCS系统几乎全部采用工EC61131-3标准进行组态软件设计。该标准原为PLC语言设计提供的标准。当前的小型和微型PLC不仅具备了过去大型PLC的所有基本逻辑运算功能，而且高级运算、通信以及常规控制也能实现。一些DCS系统就直接采用成熟的PLC作为底层控制单元使得系统的控制分散、危险分散的设计初衷得到充分的体现。

目前，以国电智深、和利时、浙大中控、上海新华为代表的国内DCS厂家经过20年的努力，各自先后推出了自己的DCS系统：国电智深推出EDPF-NT，和利时推出MACS—Smartpro、浙大中控推出Webfield(ECS)系统、新华推出XDPF-400系统。四家厂商积极努力，通过竞争成功地将自主系统应用于各种工业现场，正在逐步取得用户的认可。新华公司在火力发电方面取得显著成绩，浙大中控在化工控制等方面业绩突出，国电智深、和利时公司在核电、热电、化工、水泥、制药以及造纸等方面取得了一定的业绩。

在中国的DCS系统市场上，四家国内厂商已经具备了相当的竞争能力。使得国外的DCS系统纷纷降价，为DCS系统在国内工业企业的普及应用，特别是在中小型企业中的应用做出了积极贡献。

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DCS系统关键技术

2.1 工业自动化控制技术

通过组态软件，对过程I/0回路进行组态，通过系统提供的I/O接口，现场仪表设备经由电缆与系统相连，所有信号经过转换、处理，并在模拟的仪表显示画面中显示监控数据;通过软件功能，在操作站上输出控制信号，控制现场执行器达到控制过程的目的，系统中的每个回路都具备常规单元组合仪表的功能。

针对连续的模拟量控制系统，基于反馈控制原理，使用PID控制规律，对检测输出量和给定量之间的偏差一时间函数进行比例、积分、微分计算，计算结果作为控制量，经电路转换、放大等处理后作为控制信号对执行器的动作进行控制，不断修正被控量和控制量之间的偏差从而实现对被控量进行控制。

通过组态软件所提供的功能，模拟单元组合仪表功能，能够方便的利用软件功能模块组成诸如串级控制回路、三冲量控制回路、均匀调节、比值调节、前馈等各种功能的复杂的调节回路。系统具备过程逻辑控制功能，按照工艺过程的设计要求，通过功能完善的组态软件编写逻辑控制、顺序控制程序，实现工艺联锁、设备顺控的功能。

2.2 分散型集中控制技术

2.2.1 分级分布式设计结构

在策略上，系统采用四级分布式模式，第一级为过程控制，根据上层决策直接控制过程;第二级为优化控制，根据上层给定的目标函数或约束条件，系统辨识的数学模型得出优化控制策略，对过程控制进行设定点控制；第三级为自适应控制，根据运行经验，补偿工况变化对控制规律的影响，维持系统在最佳状态下运行;第四级为工厂管理，其任务是决策、计划、管理、调度与协调，根据系统总任务或总目标，规定各级任务，并决策协调各级任务。

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2.2.2 功能、危险分散

分布式设计结构使各控制单元、各模块、各电路单元在各司其职、相互独立的完成特定功能的前提下，共同协调统一完成控制功能。系统中的某个控制单元出现故障，不会影响到整个系统的全局功能；一个控制单元中的某个模块出现问题，仅仅对本模块所负责的功能产生影响；模块中的某个电路单元出现故障，对模块功能的影响也是局部的，这种功能分散的设计结构缩小了风险范围，避免了危险高度集中的现象。

2.2.3 集中控制

系统以集中的监视、操作和管理达到掌控全局的目的。系统中各级和各层间进行数据通信，形成一个统一协调的整体，各模块之间通过通讯总线连接进行数据通讯，各单元通过过程控制网络进行数据传输并与操作站进行数据通讯，操作站对过程进行高度集中的操作、显示和报警。操作人员通过操作站对不同区域的控制鱼元进行集中控制，实现了对生产过程不同区域的集中监控。

2.3 信号采集与数据预处理

DCS的信号采集指其I/O系统的信号输入部分。

它的功能是将现场的各种模拟物理量如温度、压力、流量、液位等信号进行数字化处理，形成现场数据的数字表示方式，并对其进行数据预处理，最后将规范的、有效的、正确的数据提供给控制器进行控制计算。

信号采集除了要考虑A/D转换，采样周期外，还要对数据进行处理才能进入控制器进行运算。A/D转换过程如下，来自传感器的模拟量物理信号要经过变送器转换为标准信号，接入到DCS的I/O模块（板）的模拟量输入（A I）通道上，然后进行硬件滤波电路接到A/D转换器上进行模拟量到数字量的转换。

2.4 系统组态

根据设计要求，在系统硬件和系统软件的基础上，综合利用系统组态软件所提供的填表、计算、绘图等功能，预先将硬件设备和各种软件功能模块组织起来，

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以使系统按特定的状态运行，也就是用集散控制系统所提供的功能模块、组态编辑软件以及编程语言，组成所需的系统结构和操作画面，最终完成实现数据集中显示、过程集中控制、数据通讯等功能的过程。

2.5 图形化组态

图形化编程语言又称G语言，是继C语言之后的高级语言，在C语言之上进行二次开发而成。

在使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图。它尽可能利用了技术人员所熟悉的术语、图标和概念，实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径，大大提高工作效率，从根本上改变了传统的编程环境，用“图标”代替了“文本指令”。在可视化的程序设计中，编程者只需调用“图标”，随后通过“连线”规定数据的流向，编程工作整个过程变得直观、简便。

在系统功能实现过程中，控制算法分为常规算法和自定义控制算法，常规算法有PID单回路控制，串级双回路控制，前馈控制，手操器控制等。自定义控制算法分为两部分，图形化组态（支持FBD功能块图，LD梯形图，SFC顺序功能表图，CFC连续功能图，可以在同一控制页中混用）可以做逻辑控制；PID单回路控制，串级双回路控制，前馈控制，手操器控制，流量累计，数据运算等。

2.6 数据存储与通信

系统采用可扩展标记语言(Extensible Markup Language, XML)编程实现数据的存储与通信。

XML是用于标记电子文件，使其具有结构性的标记语言，可以用来标记数据、定义数据类型，是一种允许用户对自己的标记语言进行定义的源语言。它是标准通用标记语言(SGML)的子集，非常适合Web传输。XML提供统一的方法来描述和交换独立于应用程序或供应商的结构化数据。

XML仅仅是纯文本，能处理纯文本的软件都能处理XML; XML独立于硬件、软件以及应用程序，通过XML不同的应用程序都能对数据进行访问。

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2.7 OPC技术的运用

采用OPC(OLE for process Control)技术实现了不同组态软件对系统数据的访问。OPC是基于微软的OLE、COM和DCOM技术的用于过程控制的工业标准，它包括一整套接口、属性和方法的标准集，用于过程控制的自动化系统，为基于Windows的应用程序和现场过程控制应用建立了桥梁。采用Cf S模式，把开发访问接口的任务放在硬件生产厂家或第三方厂家，以OPC服务器的形式提供给用户，解决了软、硬件厂商的矛盾，实现了系统的集成，提高了系统的开放性和可互操作性。

OLE(对象连接与嵌入Objece Linkong and Embedding)是一种面向对象的技术，是在客户应用程序间传输和共享信息的一组综合标准，允许创建带有指向应用程序的链接的混合文档，使用户在修改程序时不必在应用程序间进行切换。OLE基于组件对象模型COM (Component Object Model)，允许开发可在多个应用程序间互操作的可重用即插即用对象。

COM是所有OLE机制的基础。是一种为了实现与编程语言无关的对象而制定的标准，可以使两个应用程序通过对象化接口进行通讯，而不需要知道对方是如何创建的。

DCOM (Distributed COM)，在Windows NT4.0操作系统下，COM标准扩展到可访问本机以外的其他对象，一个应用程序所使用的对象可分布在网络上，COM的这个扩展被称为DCOM。通过DCOM技术和OPC标准，完全可以创建一个开放的、可互操作的控制系统软件。

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小结

本文主要论述了DCS系统工业生产过程中控制功能的设计与实现。 针对以往单元组合仪表功能单一、现场布局分散、兼容性差、投资成本居高不下、设备管理与维护技术的要求高等问题，在硬件方面充分利用微机智能技术，在现场控制单元、过程输入输出接口部分均采用未处理器，使其具备记忆、数据运算、逻辑判断功能，实现了自适应、自诊断、自检测功能。

在软件应用方面，功能丰富的软件包使过程控制方案、数据存储、数据采集、数据通讯、数据显示等功能的实现更加便捷，功能开发也更加容易，实现了过程全局集中监控、数据存储和信息传输的功能，为过程统一协调、集中的全局化管理提供了便利条件。

DCS系统采用分级递阶结构，既继承了单元组合仪表的控制、显示、计算、通讯、和记录、数据存储等各种功能，使单元组合仪表的功能能够集中在系统中得到体现，同时避免了为实现集中监控的目的而造成威胁到过程安全的危险因素过度集中的现象发生。

在DCS系统的具体应用中，需按照工艺过程的实际情况对系统的适应性进行设计和开发。一套系统无论其如何先进、功能如何完善，如果没有很好的工程设计和应用开发，其监控效果都会大打折扣，甚至在运行中出现问题，对工业生产过程的安全造成威胁。工程设计和功能开发直接影响到了DCS系统在工业生产过程中的应用。工程设计包括可行性研究、方案设计、工程设计三个阶段。

可行性研究是在工艺条件及投资确定的前提下，明确具体项目的可行性和系统规模，是在框架范围内的全局需实现的总体目标。本文按照总体目标对系统进行单元细化，确定各单元的布局、功能，最后为实现全局目标对各单元进行详细设计。

功能开发是指工程实施人员与用户按照实际需求利用系统所提供的功能实现过程集中监控目标而开展的相应工作，是系统综合应用的过程，直接影响到系统的性能及推广，在本文中详细论述了系统关键技术的开发应用，重点对实现集中监控功能的核心技术—功能组态进行了阐述。

要完成一套DCS系统工程，实现系统功能，必须要得到一些关键技术的支

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持，本章主要针对这些关键技术进行了简单介绍，其中涉及到为实现自动控制功能的自动化控制技术、实现危险分散控制集中功能而采取的分级分布式系统结构。当系统应用到过程控制中，就必须具备对现场信号进行采集、处理、数据存储、通讯的功能，针对这些技术在本章中也进行了简单介绍，此外还着重介绍了系统组态这一广泛用于控制系统、实现控制功能的软件应用技术。为实现不同组态软件之间的数据共享，在文对OPC技术也做了介绍。

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致谢

本文是在导师刘子龙老师的精心指导和悉心关怀下完成的，在论文的撰写过程中，得到了导师细心的指导，并提出了许多宝贵意见。导师严谨、求真的治学风范以及谦和、平易近人的为人处事对我的工作和学习产生了极大的影响，并将使我终身受益，值此论文完成之际，谨向尊敬的导师致以崇高的敬意，感谢他对我的谆谆教诲。

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致谢

本文是在导师刘子龙老师的精心指导和悉心关怀下完成的，在论文的撰写过程中，得到了导师细心的指导，并提出了许多宝贵意见。导师严谨、求真的治学风范以及谦和、平易近人的为人处事对我的工作和学习产生了极大的影响，并将使我终身受益，值此论文完成之际，谨向尊敬的导师致以崇高的敬意，感谢他对我的谆谆教诲。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/aii.html