《國產DCS系統(tǒng)》

1、：Dcs緒論本論題共有17人回復。DCS從1975年問世以來，大約有三次比較大的變革，七十年代操作站的硬件、操作系統(tǒng)、監(jiān)視軟件都是專用的，由各DCS廠家自己開發(fā)的，也沒有動態(tài)流程圖，通訊網絡基本上都是輪詢方式的；八十年代就不一樣了，通訊網絡較多使用令牌方式；九十年代操作站出現(xiàn)了通用系統(tǒng)，九十年代末通訊網絡有部份遵守TCP/IP協(xié)議，有的開始采用以太網?？偟膩砜?，變化主要體現(xiàn)在板、操作站和通訊網絡?？刂破飨鄬碇v變化要小一些。操作站主要表現(xiàn)在由專用機變化到通用機，如PC機和小型機的應用。但是目前它的操作系統(tǒng)一般采用UNIX，也有小系統(tǒng)采用NT，相比較來看UNIX的穩(wěn)定性要好一些，NT則有死機現(xiàn)象

2、。I/O板主要體現(xiàn)在現(xiàn)場總線的引入DCS系統(tǒng)。 從理論上講，一個DCS系統(tǒng)可以應用于各種行業(yè)，但是各行業(yè)有它的特殊性，所以DCS也就出現(xiàn)了不同的分支，有時也由于DCS廠家技術人員工藝知識的局限性而引起，如HONEYWELL公司對石化比較熟悉，其產品在石化行業(yè)應用較多，而AILEY的產品則在電力行業(yè)應用比較普遍。用戶在選擇DCS的時候主要是要注意其技術人員是否對該生產工藝比較熟悉；然后要看該系統(tǒng)適用于多大規(guī)模，比如NT操作系統(tǒng)的就適應于較小規(guī)模的系統(tǒng)；最后是價格，不同的組合價格會有較大的差異，而國產的DCS系統(tǒng)價格比進口的DCS至少要低一半，算上備品備件則要低得更多。 DCS由四部份組成：I/O

3、板、控制器、操作站、通訊網絡。I/O板和控制器國際上各DCS廠家的技術水平都相差不遠，如果說有些差別的話是控制器內的算法有多有少，算法的組合有些不一樣，I/O板的差別在于有的有智能，有些沒有，但是控制器讀取所有I/O數(shù)據(jù)必須在一秒鐘內完成一個循環(huán)；操作站差別比較大，主要差別是選用PC機還是選用小型機、采用UNIX還是采用NT操作系統(tǒng)、采用專用的還是通用的監(jiān)視軟件,操作系統(tǒng)和監(jiān)視軟件配合比較好時可以減少死機現(xiàn)象；差別最大的是通訊網絡，最差的是輪詢方式，最好的是例外報告方式，根據(jù)我們的實驗，其速度要相差七八倍。80年代中期，許多單位和個體技術人員都想涉及DCS的開發(fā)和生產。由于資金投入太多，軟件的

4、工程量太大，需要軟件開發(fā)人員、硬件人員和工程人員協(xié)調工作，另外DCS的開發(fā)畢竟太復雜了，它涉及到計算機技術、通訊技術、控制技術和顯示技術。幾個技術人員不可能掌握那樣多的技術，同時也沒有那樣多的資金投入，并且不可能在短時間內就有產出。幾個技術人員是沒有力量來支撐的。許多技術人員只能望DCS興嘆。許多單位如幾個大鋼鐵公司的自動化部也由于資金不足退出DCS的開發(fā)。如阿城繼電器廠從1984年就開始DCS的開發(fā)，并取得很好的成績。由于資金不足和管理混亂，也無奈的基本退出DCS的角逐。STD總線的產品是控制系統(tǒng)的中間產品，90年代初期生產廠家很多，每年在國內達到幾億的銷售量（與現(xiàn)在國產的DCS銷量相當）。

5、由于最終用戶的工作量很大，也正在退出市場。90年代中期，DCS的部件除功能塊以外，在市場上都能買到。如控制器可以用PC機主板，DCS網絡也可以用以太網。人機界面可用通用監(jiān)控軟件，如組態(tài)王等。市場形勢比80年代有很大改變。又一次浪潮涉及開發(fā)DCS，各種牌號的DCS紛紛出籠，大約有上百種系統(tǒng)推向市場。仔細分析，都在較低層次上重復，功能單一，形不成規(guī)模。由于政府有關部門的界入，開始有新的單位進入DCS的開發(fā)。政府的有關部門無論從資金還是項目都大力支持，所以得到蓬勃發(fā)展。如北京和利時、上海新華和浙大中控。他們都有幾百套的銷量，基本形成規(guī)模生產。他們雖然一時還達不到進口的水平，但控制的基本要求還能滿足。

6、從系統(tǒng)的結構和I/O板的生產來看，已經有相當高的水平，和國際上的水平已相差不遠。如無錫生產的I/O板就很美觀。人機界面的軟件國內已有開發(fā)，如組態(tài)王，每年有2000套的銷售量，經使用情況也是良好的。開發(fā)DCS最難的是控制器的開發(fā)問題，一是硬件，用的是PC機卡，操作系統(tǒng)也是通用型的，如微軟的NT、加拿大開發(fā)的QNX等，價格高，使得利潤減低。二是功能塊的開發(fā)。這是最難的。功能塊的數(shù)量幾乎是無限的。它的工作量很大，不僅要有軟件人員，還要有工程人員的配合，才能編出好用的功能塊。由于我國以前實行計劃經濟，對技術人才一是不重視，二是各單位私有。一個單位很難集中有如此多的優(yōu)秀的技術人員。我國軟件開發(fā)人員不僅數(shù)

7、量少，而且習慣于自己獨立編程，不能很好的與現(xiàn)場技術人員交流，所以開發(fā)的功能塊就會出現(xiàn)不如人意的地方。國產DCS不僅功能塊的數(shù)量少，而且據(jù)用戶反映，如順序控制器功能塊，其真值表不象國外的那樣好用。又如自調整功能塊，現(xiàn)場一般都不用，即使用也不好用?？傊捎阡N售量還是比較小，跟蹤用戶的反應還不夠，所以我國還缺少一套千錘百煉有自主產權的功能碼。這套軟件是沒有賣的。一定要自己開發(fā)，在不同的操作系統(tǒng)下，編的程序就不一樣。這與要不要控制器這個硬件沒有關系。使用現(xiàn)場總線系統(tǒng)也需要算法，用PC作為既控制又顯示同樣需要算法。用于控制策略的組態(tài)軟件目前還沒有發(fā)現(xiàn)問題。另外一個問題是控制器的電源系統(tǒng)，我國基本都采用

8、整體式電源。由于我國的DCS系統(tǒng)價格很低，利潤也很低，DCS制造廠家沒有資金投入來開發(fā)電源系統(tǒng)。國外DCS系統(tǒng)的電源冗余見下圖。在即將把兩臺電源安裝到柜子上時，需分別帶負載調整。調整時，兩臺電源的負載一定是相同的，要調整到相同的輸出，然后安裝到機柜上。電源系統(tǒng)中有一塊電源檢測板，能顯示兩臺電源的輸出情況。兩臺能同時給負載供電。最好工作在平衡電壓的狀態(tài)。經20年的運行證明電源系統(tǒng)是良好的。國產DCS兩臺電源冗余運行，一用一備。其中一臺的交流輸入電源階躍下降，能切換到備用電源。如果斜坡下降，就不能切換到備用電源。這是電源系統(tǒng)的缺點之一。N+1的電源方案沒有進入到我國的DCS系統(tǒng)。進口DCS采用N+

9、1電源，問題也很多。N+1電源的意思是只要知道每一個所插模件的功率，把所有模件所需功率求和，而每個模件電源的功率是一定的，所需總功率除以模件電源的功率，就得到電源數(shù)。有小數(shù)位，都要進一位成為整數(shù)，這個整數(shù)為N，然后再加一，稱為N+1。第三個問題是由于銷量小。很少有第三方幫助完善系統(tǒng)，比如專家系統(tǒng)，實時數(shù)據(jù)庫，與數(shù)字儀表及PLC的接口等。本講座撰寫人李爾鋼先生，重慶工業(yè)自動化儀表研究所所長助理；汪仁智先生，技術市場管理部部長。關鍵詞：分布式I/O系統(tǒng)解決方案柔性化模件過程控制器一 前言當今的分布式I/O系統(tǒng)解決方案為工業(yè)用戶提供了廣泛的系統(tǒng)連通性選擇，并且這種解決方案能夠實實在在地被分解到任何實

10、際的過程控制應用系統(tǒng)中去。許多工業(yè)用戶已經具有選擇分布式I/O系統(tǒng)的豐富經驗，包括事先設計好的模擬量和數(shù)字量I/O，所選擇的I/O系統(tǒng)即使是在最惡劣的工業(yè)環(huán)境中也能可靠地運行，其連通性選擇能夠滿足大多數(shù)工業(yè)過程控制級或生產企業(yè)級設備的需要，分布式I/O系統(tǒng)所提供的寬范圍可選擇性地允許將I/O分解到基本的點對點環(huán)境，同時還具備了較容易的可擴展性能。隨著計算機網絡技術和微處理器硬件技術的進一步發(fā)展，分布式I/O系統(tǒng)的市場份額正得到逐步地擴大和增長；同樣隨著新一代分布式I/O系統(tǒng)產品及其解決方案的開發(fā)和應用，分布式I/O系統(tǒng)將會成為與分散控制系統(tǒng)(DCS)、可編程控制器(PLC)和基于PC控制系統(tǒng)并

11、駕齊驅的另一類大眾化產品，也必將得到工業(yè)用戶的認可。許多新的分布式I/O系統(tǒng)采用了完全模塊化設計選型方案，因為模塊化設計能夠進一步滿足工業(yè)用戶對過程控制系統(tǒng)高度柔性化的系統(tǒng)選型要求。模塊化設計也有助于滿足工業(yè)用戶對于各種類型I/O模件的需求，因為大多數(shù)控制系統(tǒng)都具有數(shù)字量和模擬量混合控制的要求。只有采取數(shù)字量和模擬量混合型模塊化設計方案，才能進一步滿足這種過程控制系統(tǒng)非常柔性化的要求。本文將重點介紹目前市場上最新的分布式I/O系統(tǒng)產品，并進一步討論各種不同類型的分布式I/O系統(tǒng)在工業(yè)和過程控制領域內的應用情況，僅供從事分布式I/O系統(tǒng)解決方案應用的同仁參考。二 網絡連接性能分布式I/O系統(tǒng)制造

12、商正計劃通過提供最好的產品支持并滿足工業(yè)用戶的各種需求，他們?yōu)槠浞植际絀/O產品增加了許多連通性選擇功能，且成為了他們在市場上通行的商業(yè)運作模式。一些分布式I/O系統(tǒng)制造商正在設法至少能夠支持兩種或者3種類型以上的網絡連接特性選項。最近，Rockwell自動化公司已經為其Allen-Bradley FLEX I/O系列產品擴展了網絡連接性能，同時增加了FLEX系列EtherNet/IP適配器1794-AENT。該適配器與DeviceNet和ControlNet采用了相同的控制與信息傳輸協(xié)議(CIP)，而且進一步整合了Ethernet TCP/IP和CIP網絡協(xié)議體系結構。1794-AENT適配

13、器能夠為工業(yè)用戶提供巨大的使用價值，因為只要通過現(xiàn)有的Ethernet媒體就能夠運行遠程I/O數(shù)據(jù)信息，并具備連接到高速網絡系統(tǒng)的能力，以便處理大量的I/O數(shù)據(jù)信息，也能夠非常容易地從遠程站點上監(jiān)控網絡系統(tǒng)和I/O設備的運行情況。與當前分布式I/O系統(tǒng)朝著能夠具備Web地址的性能方向發(fā)展趨勢相一致，這種新型適配器內藏Web頁面，同時還具有I/O模件和網絡系統(tǒng)的診斷數(shù)據(jù)信息，以及I/O模件組態(tài)參數(shù)和TCP/IP配置參數(shù)等。這種適配器還能夠作為分布式I/O模件與網絡系統(tǒng)之間的網橋，極大地提高了網絡系統(tǒng)的通信功能度。Phoenix Contact公司也已經進一步擴展了其現(xiàn)場總線I/O系列產品，并提供

14、了新一代FL IL 24 BK Ethernet總線終端器產品，該產品允許在線安裝系統(tǒng)(IIS)能夠利用基于Ethernet TCP/IP技術協(xié)議的網絡系統(tǒng)解決方案。整個系統(tǒng)允許不超過63個I/O模件，包括標準的模擬量和數(shù)字量I/O模件、熱電偶(T/C)和熱電阻(RTD)模件、安保型繼電器模件、氣動調節(jié)閥、機械裝配式I/O設備等，也能夠完全集成到Ethernet TCP/IP網絡系統(tǒng)中去。FL IL 24 BK終端器還包括了一個Web服務器，能夠充分滿足基于Web管理對頁面的需求。Scanimation公司是Phoenix Contact公司的一個客戶，該公司在其高速掃描系統(tǒng)中采用了帶有Dev

15、iceNet I/O BK模件的Inline型分布式I/O系統(tǒng)，這個系統(tǒng)的應用對象為木材加工制造工業(yè)的一條自動化生產線。該公司的意圖是希望能夠從傳統(tǒng)的點到點I/O布線方式改變到分布式遠程I/O系統(tǒng)的運行方式上，以便減少生產成本和增強系統(tǒng)的可靠性。Phoenix Contact公司為Scanimation公司提供了一種能夠容納不同總線系統(tǒng)的分布式I/O解決方案，可以隨意選擇諸如Interbus、Profibus、DeviceNet等現(xiàn)場總線標準。這一系統(tǒng)解決方案的確定對于該公司下一步的工作起到了非常重要的作用。Entrelec公司最新推出了內藏Device Net現(xiàn)場總線模件的RIO系列化產品，

16、RIO產品包含了一個終端模塊的基本模件和一個內藏通信的模件。每個終端模塊包括8通道數(shù)字量輸入和8通道數(shù)字量輸出。另外的I/O還可以通過模擬量和數(shù)字量擴展模件來完成。內藏模件的使用允許總線系統(tǒng)不需要再連接終端模塊，基本模件就能夠容易改變。Siemens電力與自動化公司的SIMATIC ET200S分布式I/O機架能夠處理不超過64個模件，包括Profibus接口模件、數(shù)字量和模擬量I/O模件、用于計算和定位任務并面向過程控制的模件，以及一體化電動機起動器。I/O模件能夠被增加到機械式終端模件中，而且還能夠實現(xiàn)無擾動熱交換。Wago公司最近已經推出了基于Ethernet的可編程現(xiàn)場總線控制器(PF

17、C)產品，該產品能夠在線支持大多數(shù)工業(yè)通信協(xié)議標準，包括Profibus、Interbus、DeviceNet、CANopen、Modbus和Modbus Ethernet等。該公司的傳感器I/O接口現(xiàn)已超過90多種類型，包括低和高電壓控制、模擬量、計數(shù)器、條形碼閱讀器、RFID閱讀器和編碼器等。Wieland電氣公司為基于現(xiàn)場總線技術的Ricos系列遠程接口系統(tǒng)增加了一種熱電偶(T/C)模件。該模件能夠接受不超過4種類型的J或者K分度熱電偶輸入信號，其接口直接為基于現(xiàn)場總線系統(tǒng)提供了一個面向總線型的連接器模件，該連接器能夠支持Ethernet、ProfibusDP、DeviceNet、CAN

18、open或者Interbus。該模件的一個關鍵性特點是具備自動感覺功能，即能夠自動識別所連接的熱電偶分度的類型，免除了人為手動設置的工作。利用Beckhoff公司的FM3300型現(xiàn)場總線模件能夠將12或者32通道的熱電偶信號直接連接到一個Profibus現(xiàn)場總線網絡系統(tǒng)中去。所有必需的電氣參數(shù)被隱藏到一個符合IP65等級規(guī)范的緊湊型工業(yè)插件式連接器內。 三 無線網絡 網絡系統(tǒng)的連通性不僅僅意味著硬件方面。無線通信網絡產品的應用正在得到進一步的增長，因為這些產品能夠繼續(xù)增強系統(tǒng)的通信容量，并將為工業(yè)用戶提供更加誘人的網絡系統(tǒng)通信解決方案，其應用范圍逐漸涉及到各個領域。Omron公司已向工業(yè)用戶提

19、供了無線DeviceNet產品。該產品能夠連接到任何兼容DeviceNet的過程控制設備，并允許相應的子網可以向任何方面擴展到500m以外。該產品結合了無線通信傳輸頻譜、頻率跳變和天線多樣性中3種關鍵性技術，因為無線通信關注的重點在于所傳輸信號的可靠性和正確度。借助于無線DeviceNet，一個過程控制系統(tǒng)能夠容納32個無線主工作站，而每個主工作站還可以帶32個從工作站，對于可以建立不超過1024個子網的性能完全能夠滿足工業(yè)用戶的需求，其應用領域包括原材料處理、傳動系統(tǒng)，以及集裝箱生產線等。四 Ethernet的選擇與應用在分布式I/O網絡系統(tǒng)中，Ethernet已經變得愈加重要，越來越多的公

20、司已經決定充分利用這種發(fā)展趨勢。A公司推出了Ethernet遠程主控制器模件H2-ERM產品，該模件能夠被應用到其D2-240和D2-250型PLC系統(tǒng)中，連同基于Windows CE平臺的WinPLC型嵌入式CPU模件一起組成新的過程控制系統(tǒng)。通過高速Ethernet鏈路，H2-ERM模件能夠將本地主CPU基件連接到遠程從I/O控制器。每個模件能夠支持不超過16個額外的DL205基件、16個終結器I/O系統(tǒng)、4個全擴展DL405系統(tǒng)、或者這3種類型的任意組合型系統(tǒng)。Linear公司是A公司的一個長期客戶，它最近發(fā)現(xiàn)了采用Ethernet遠程I/O所帶來的好處。該公司利用A公司的DL05、DL

21、105和DL205系列PLC系統(tǒng)為醫(yī)藥制造設備行業(yè)提供自動化和半自動化人工助推器裝配生產線解決方案。就先前的I/O系統(tǒng)而言，該公司已經安裝了兩三個配線安裝支架，每個安裝支架不超過37條信號電纜線。他們希望利用Ethernet來改進I/O信號的傳輸，將DL250與H2-EBC(基于Ethernet過程控制器)和T1H-EBC(終結器I/O Ethernet接口模件)結合起來；在每臺機器上，他們已經戲劇性地取得了降低配線數(shù)量和設計時間的功效。因此，他們不再必須安裝配線的安裝支架，所有I/O系統(tǒng)僅僅通過一條5類或者超5類雙絞線就能夠進行數(shù)據(jù)信息的傳輸和處理。這種簡單的配線方式和網絡系統(tǒng)連通性為OEM

22、制造商提供了具有重要性的額外好處。Linear公司為利用基于Ethernet I/O系統(tǒng)出具了應用報告，允許進一步采用標準控制箱設計方案，并且還可以應用于個別特殊機器的控制。要是在過去，該公司還不得不為多機器系統(tǒng)中的每臺機器設計特殊的控制箱。Intelligent Instrumentation公司正在計劃將Ethernet技術應用到其EDAS產品系列。該公司還推出了iFactory監(jiān)控軟件包，該軟件包通過標準的Web瀏覽器能夠將EDAS單元的數(shù)據(jù)信息發(fā)布到Internet上。Intelligent Instrumentation公司的EDAS CE開放型結構體系工業(yè)分布式I/O系統(tǒng)提供了隔離

23、數(shù)字量和模擬量I/O、10/100Base-T Ethernet，以及基于Windows CE平臺的開發(fā)工具。其設計主要應用于分布式監(jiān)控和過程控制任務，可以允許有不超過8個I/O模件能夠被增加到其基本單元，同時提供了不超過128通道的I/O能夠滿足各種類型的I/O需求。Comark為工業(yè)用戶提供了ADS(增強型分布式系統(tǒng))，ADS是人們期待已久的一種高度柔性化過程控制系統(tǒng)。其I/O模件產品可以通過直接或者分布式Ethernet I/O的形式加以應用，對于直接型I/O能夠容納不超過32768個I/O測點，而對于網絡型I/O則是沒有限制的。ADS的I/O模件包括了模擬量、數(shù)字量、熱電偶、熱電阻、定

24、時器/計數(shù)器和通信等類型。OPTO 22公司已經將開發(fā)重點完全轉移到Ethernet，并取得了巨大的成功。該公司前不久推出了SNAP系列分布式Ethernet I/O系統(tǒng)，系統(tǒng)剛推出就獲得了大量的訂單。在該系統(tǒng)內部存儲了為工業(yè)用戶開發(fā)的Web頁面和系統(tǒng)組態(tài)參數(shù)。SNAP系列分布式Ethernet I/O系統(tǒng)內藏了基于Web的人機界面，用于診斷信息顯示、組態(tài)參數(shù)配置和設備維護與故障處理信息顯示，這些信息為工業(yè)用戶提供了截然不同的好處。現(xiàn)在，在這種分布式I/O系統(tǒng)內，工業(yè)用戶可以通過內藏的Web服務器建立他們自己的Web頁面，可為分布式I/O系統(tǒng)建立高度用戶化和特殊圖形化應用的人機界面。OPTO

25、22公司還推出了基于其SNAP Ethernet I/O系統(tǒng)的SNAP Ultimate I/O模件，該模件充分結合了當前分布式I/O發(fā)展趨勢的一些關鍵性特點，以及一般情況下自動化應用領域的特性，包括本地、分布式智能控制，編程能力和網絡系統(tǒng)連通性等。SNAP Ultimate I/O模件合并了一個10/100Mb/s自適應Ethernet接口，并采用純粹的TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，同時支持多種應用級數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，包括Modbus TCP、XML、用于網絡管理的SNMP、用于電子郵件傳輸?shù)腟MTP，以及該公司的開放型IEEE 1394等協(xié)議。通過將這些數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議嵌入到相應的控制系統(tǒng)產品中去，S

26、NAP Ultimate I/O能夠直接與生產企業(yè)管理系統(tǒng)通信，排除了對于復雜軟件接口的要求。OPTO 22公司的ioControl軟件內藏了SNAP Ultimate I/O模件的組態(tài)功能，該軟件是基于流程圖的控制軟件解決方案，其腳本語言開發(fā)工具能夠應用于像數(shù)學計算、控制回路和字符處理等復雜功能，進一步結合了SNAP Ultimate I/O的附加內存(8MB)。現(xiàn)在，先前需要通過PLC、PC或者其他過程控制器完成的功能，在I/O級就能夠被獨立地執(zhí)行。Nematron公司的一個全資子公司Optimation也正在努力將Ethernet技術融入到自己的控制系統(tǒng)產品中。Optimation公司正

27、好推出了兩種新的基于Ethernet I/O模件的OptiLogic系列產品OL2258和OL2304。OL2258是一個具有雙通道高速脈沖計數(shù)器模件，該模件包含了在板智能化處理和計算脈沖信息，它能夠應用于諸如運動控制、儀器儀表和速度測量等監(jiān)控與過程控制。OL2304模件具有4通道模擬量電壓輸出，每個通道能夠被允許編程的4種電壓范圍為：05V DC、010V DC、1 5V DC和110V DC。該模件能夠應用于以4或者8通道為基礎的其他模擬量和數(shù)字量模件的任意組合。Optimation公司所提供的OptiLogic型分布式Ethernet I/O產品系列已經得到了進一步擴展，其擴展包括了OL

28、2602型雙通道RS-232C接口模件。OptiLogic提高了該公司的模擬量和數(shù)字量I/O模件的應用范圍，也能夠與OptiLogic型RTU單元并行工作，利用10Base-T Ethernet還能夠與分布式I/O進行通信連接。在某示波鏡裝配廠的一條生產線上應用了OptiLogic系列產品，其結構緊湊，Ethernet的采用和串行通信能力是其關鍵性特點之一。該生產線使用了2臺PC機用于控制和28個OptiLogic遠程終端單元(RTU)，并采用了標準的10Base-T Ethernet接口部件。系統(tǒng)總共有825個分布式I/O測點，包括39個RFID讀/寫頭和12個條形碼閱讀器，它們通過RTU連

29、接在一起形成網絡。基于PC控制方案用于連接裝配線的運行監(jiān)控，一套生產執(zhí)行系統(tǒng)(MES)用于跟蹤和區(qū)分每個獨立裝配線單元的執(zhí)行順序。Sixnet公司提供了一種EtherTRAK型產品ET-8INS，ET-8INS是一種能夠連接熱電偶、熱電阻、毫伏(mV)、電壓(V)和電流等輸入信號的通用輸入模件，這些信號可以直接通過Ethernet網絡進行傳輸。該模件具有高精確度的16位信號輸入通道，對于降低電氣噪聲和接地信號回饋提供了真正意義上的差分信號輸入特性。此外，該模件還具有線性化和熱電偶冷端補償功能，允許工業(yè)用戶混合輸入各種類型的信號，每個通道的信號可以通過軟件進行組態(tài)設置，以適應各種不同類型的信號輸

30、入范圍，而且通道之間是完全隔離的。Sixnet公司為其SiteTRAK型遠程終端單元提供了Ethernet連接能力。Site TRAK具有6通道模擬量輸入和4通道數(shù)字量輸入，但通過RemoteTRAK I/O可以進行擴展。Sixnet公司的客戶正在將SiteTRAK系統(tǒng)應用于電廠的監(jiān)控、化學容器罐的液位控制，以及臨界壓縮機和泵等生產設備的運行監(jiān)視與過程控制。不久前，Advantech公司推出了其ADAM-5000/TCP產品，該產品是一種基于Ethernet I/O的解決方案，并廣泛應用于數(shù)據(jù)采集和過程控制系統(tǒng)。ADAM-5000/TCP提供了一個10/100Base-T Ethernet自適

31、應通信接口，通信距離不超過100m。它支持Modbus TCP技術協(xié)議，并允許工業(yè)用戶通過Ethernet進行遠程組態(tài)。來自于Schneider自動化公司的Momentum平臺利用Ethernet作為其通信的中樞，并用于完成數(shù)據(jù)信息采集、對等通信和I/O信息采樣。在其內部還提供了5種嵌入式Web頁面，允許利用標準的瀏覽器就可以訪問控制設備的運行狀態(tài)和設備故障診斷信息。A公司提供了基于Ethernet技術的基本控制器模件H2-EBC，該模件可以嵌入到任何Direct LOGIC 205型PLC I/O機架中的CPU插槽內，通過一般的PC機還能夠進行遠程I/O控制。每個基件所提供的10Base-T

32、 Ethernet通信接口具有小于1ms的I/O刷新速率，而PC機與I/O模件之間的通信傳輸速率為10Mb/s。該公司還提供了用于DeviceNet現(xiàn)場總線網絡的低價格I/O部件(F2-DEVNETS)和SDS(F2-SDS-1)網絡連接器。所有3種網絡模件均可以廣泛支持該公司的DL205系列數(shù)字量和模擬量I/O信號。National Instruments公司為其FieldPoint型智能化分布式I/O系統(tǒng)開發(fā)了一種新的高速Ethernet接口模件。該模件采用了TCP/IP兼容的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，通信速率為10/100Mb/s，利用其FP-1600模件能夠將FieldPoint型I/O模件直接連

33、接到標準的Ethernet和快速Ethernet網絡系統(tǒng)。在每個Ethernet網絡節(jié)點上，開發(fā)商可以利用單個網絡模件與不超過9個FieldPoint型I/O模件進行接口連接。National Instruments公司另外還推出了一種SRM6000型無線調制解調器模件，該模件采用了頻率跳變和頻譜擴展技術，利用具有特殊特性的天線能夠傳輸20英里以內的數(shù)據(jù)信息。在制造業(yè)的許多應用領域，安裝電纜是非常昂貴的，也是存在許多問題或者不太可能的事情。而SRM6000正好能夠克服這方面所存在的具體問題，因為SRM6000使用了902928MHz的擴展頻譜帶寬，工業(yè)用戶并不需要任何FCC或者DOC站點許可證

34、就能夠運行操作。除能夠作為一種遠程調制解調器與FieldPoint通信以外，它還能夠被組態(tài)作為一種基本單元，從現(xiàn)場控制設備接收數(shù)據(jù)信息，并直接將數(shù)據(jù)信息轉發(fā)到PC機上。Foxboro公司的I/A系列自動化控制系統(tǒng)也已經采用了數(shù)字化現(xiàn)場總線技術。該公司最近推出了幾個增強型平臺，包括一種新的高性能Ethernet現(xiàn)場總線網絡和增強型現(xiàn)場總線I/O模件。該Ethernet網絡模件的開發(fā)為安裝于生產現(xiàn)場的智能化現(xiàn)場總線模件與遍布整個工廠范圍內的分散型過程控制系統(tǒng)之間提供了一種安全和低價格的數(shù)字化通信鏈路。該模件利用10Mb/s技術通過Foxboro公司原來的IEEE 1118數(shù)字化現(xiàn)場總線進一步提高了

35、現(xiàn)場總線網絡的性能特性。這種總線型設計方式用于擴展到遠程現(xiàn)場控制設備，作為一條公共干線而提供服務，統(tǒng)一所有輸入和輸出現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息，而不管這些數(shù)據(jù)信息的來源或者傳輸協(xié)議。經過重新設計的現(xiàn)場總線模件幾乎能夠與各種類型的任何工程應用相匹配，從基本數(shù)據(jù)采集應用的整體隔離I/O模件到通道隔離的I/O模件，以及應用于臨界控制任務的冗余I/O模件。其設計符合Divi2、Zone 2危險應用領域規(guī)范，還能夠通過標準DIN導軌安裝于控制現(xiàn)場的公共接線盒內，更加接近于現(xiàn)場傳感器和執(zhí)行機構。Comark公司的增強型分布式I/O (ADS)系統(tǒng)通過10Base-T Ethernet技術已經進行了網絡化設計更改。該系統(tǒng)

36、為工業(yè)用戶提供了較寬范圍內隔離模件的選擇機會，包括數(shù)字量、模擬量、運動部件、定時器和通信等模件。小牛張新薇教授：關于DCS的回顧與展望(轉載)本論題共有8人回復。本文作者卞正崗先生，北京市自動化系統(tǒng)成套工程公司暨北京清大同飛優(yōu)化控制技術有限公司副總工程師、教授級高工。關鍵詞：DCS過程工業(yè)控制站操作站數(shù)據(jù)通信產品生命周期集成技術一 DCS的發(fā)展歷程1975年前后，大規(guī)模集成電路由4位微處理器發(fā)展成8位，在形成單板機產品投入工業(yè)應用的同時，自動化儀表行業(yè)在原來采用中小規(guī)模集成電路而形成的直接數(shù)字控制器(DDC)的自控和計算機技術的基礎上，結合陰極射線管(CRT)、數(shù)據(jù)通信技術，開發(fā)出了以集中顯示

37、操作、分散控制為特征的集散系統(tǒng)，后來逐漸統(tǒng)一稱為分散型控制系統(tǒng)(DCS)。在以后的20多年中，DCS產品雖然在原理上并沒有多少突破，但由于技術的進步、外界環(huán)境變化和需求的改變，設計思想發(fā)展了，共出現(xiàn)了3代DCS產品。1975年至80年代前期為第一代產品，80年代中期至90年代前期為第二代產品，90年代中期至21世紀初為第三代產品。3代產品的區(qū)別，可從DCS的三大部分，即控制站、操作站和通信網絡的發(fā)展來判斷。當然，由于產品生命周期是個復雜的問題，加之各DCS生產廠家情況不同、產品換型年代不同及劃分產品年代(三四代)的觀點也不同，所以這有待進一步商榷。關于控制站、操作站、通信網絡的情況，留待下述幾

38、節(jié)論述?，F(xiàn)先就應用和市場情況作一分析。70年代中期，過程工業(yè)發(fā)展很快，但由于設備大型化、工藝流程連續(xù)性要求高、要控制的工藝參數(shù)增多，而且條件苛刻，要求顯示操作集中等，使已經普及的電動單元組合儀表不能完全滿足要求，在此情況下，業(yè)內廠商經過市場調查，確定開發(fā)的DCS產品應以模擬量反饋控制為主，輔以開關量的順序控制和模擬量開關量混合型的批量控制(針對精細化工等行業(yè)的批量生產方式)，這們可以覆蓋煉油、石化、化工、冶金、電力、輕工及市政工程等大部分行業(yè)。由于當時計算機并不普及，人們已習慣于常規(guī)自動化儀表的顯示操作，所以開發(fā)DCS應強調用戶可以不懂計算機就能使用DCS；同時，用戶已習慣于在購置系統(tǒng)的同時配

39、置自動化儀表，所以開發(fā)DCS還應強調向用戶提供整個系統(tǒng)。此外，開發(fā)的DCS應做到與中控室的常規(guī)儀表具有相同的技術條件，以保證可靠性、安全性。由此可見，當時DCS是與常規(guī)儀表中的二次儀表(控制室儀表)共同分享市場份額的。DCS先與成套設備配套，而后逐步擴大到工藝裝置改造上，與此同時，也分成大型DCS和中小型DCS兩類產品，使其性能價格比更具有競爭力。目前，世界上有數(shù)十家生產DCS的廠家，據(jù)ARC (Automation Research Corporation)1996年統(tǒng)計，下述排名前10家的公司占到80%以上的市場份額：Honeywell(21.6%)、Elsag Bailay (12.6%

40、，包括H&B公司)、ABB(9.7%)、Yokogawa (9.6%)、Foxboro-Eckardt (9.3%)、Fisher- Rosemount(6.0%)、Yamatake Honeywell(4.6%)、Siemens (4.0%)、Cegelec/AEG Automation system(ATT)(3.2%)、Westinghouse(3.1%)。ARC把世界市場分成四大區(qū)，即北美、EMA(歐洲、中東、非洲)、日本、亞洲(日本以外)，其中亞洲(日本以外)的市場份額為：Honeywell(27.4%)、Yokogawa(12.6%)、Foxboro-Eckardt (11

41、.4%)、ABB(8.1%)、Elsag Bailay (6.4%)、Cegelec/ATT(5.5%)、Fisher-Rosemount(4.8%)、Yamatake Honeywell (4.2%)、其他公司19.6%。世界市場的DCS分析如表所示。 ARC還對19972000年的市場進行了統(tǒng)計，如圖1所示(其中，一套小型DCS為10萬美元，30回路以下；一套中型DCS為50萬美元，150回路以下)。1996年整個DCS世界市場為70.08億美元，而2000年為96.37億美元；按地區(qū)分，北美占29%，EMA占31%，日本占14.5%，拉丁美洲占4%，亞洲(日本以外)占21.5%。1996

42、年亞洲市場為11.388億美元，2000年為20.67億美元。其中小型DCS市場，1996年為0.64億美元，2000年為3.18億美元；中型DCS市場，1996年為2.94億美元，2000年為6.17億美元。由上可知，亞洲DCS市場的增長是較快的，2000年約為1996年的1.8倍以上。 關于DCS應用行業(yè)的分布，以日本國內CENTUM系統(tǒng)應用實踐為例(如圖2所示)：化工(含石油化工)占50.74%，石油和天然氣占15.73%，鋼鐵占7.72%，水處理(自來水廠等)占4.81%，有色金屬占4.24%，紙漿和造紙占8.25%，其他占8.4%。當然這個比例與日本國情有關，如其中未計入電力。一方面

43、是橫河公司雖然在鍋爐控制方面的應用實例很多，但總體而言，其產品并未進入火力發(fā)電行業(yè)。實際上日本電力行業(yè)應用DCS是比較多的，日本東芝、富士、三菱、日立等公司火力發(fā)電設備均由本公司產的DCS配套；日本貝利公司的DCS，在日本電力市場中占有率也較高。日本是比較重視DCS發(fā)展的國家，橫河公司在推出CS1000和CS3000之前，共生產1萬多套DCS，其中CENTUM約為4000套，其余為uXl和YEWPACK、YEWPACK MARKII中、小型DCS，僅uXl就向中國銷售2000多套。正是由于DCS產品的發(fā)展，帶動了整個日本自動化儀表行業(yè)的發(fā)展，日本內需與出口之比約為3:1(大型DCS)或3:2(

44、中小型DCS)。我國從70年代中后期起，首先由大型進口設備成套中引入國外的DCS，首批有化纖、乙烯、化肥等進口項目。同時國內開始自己研制和設計選用國外的DCS，經過20多年的努力，國內已有多家生產DCS的廠家，其產品應用于大中小各類過程工業(yè)企業(yè)，其中和利時、浙大中控、上海新華3家已具有相當規(guī)模。目前國外DCS產品在國內市場中占有率還較高，其中以采用Honeywell、橫河兩公司產品為多。國內應用DCS的行業(yè)以煉油、石化、化纖為多，已使用了700多套DCS，其他還有化工、冶金、電力、輕工等行業(yè)。我國石化行業(yè)應用水平較高，自動投運率在90%以上，維護水平也較高，目前正向充分發(fā)揮DCS性能和開展先進

45、控制和優(yōu)化的方向發(fā)展。我國DCS的市場增長率高，年增長率約為20%，據(jù)有關部門估計，DCS的年市場需求為3035億元，由于DCS在石化行業(yè)大型自控裝置中近5年內沒有可替代產品，所以今后幾年其市場增長率不會下降。據(jù)估計，到2005年，我國石化行業(yè)有1000多套裝置需要應用DCS控制；電力系統(tǒng)每年新裝1000多萬千瓦發(fā)電機組，需要DCS實現(xiàn)監(jiān)控；并且不少企業(yè)已使用DCS近1520年，需要改造和設備更新。所以，今后5年內，DCS作為自動化儀表行業(yè)主要產品的地位不容置疑，但必須進一步改善其功能，并兼容各種新技術，降低價格，提高應用水平。二 DCS控制站DCS系統(tǒng)中，控制站繼承了DDC技術，它是一個完整

46、的計算機，實際運行中可以在不與操作站及網絡相連的情況下，完成過程控制策略，保證生產裝置正常運行。從計算機系統(tǒng)結構來說，控制站屬于過程控制專用計算機，其特點是第一代采用8位微處理器，第二代采用16位微處理器，第三代采用32位微處理器，這對于中小型DCS控制器來說比較確切。大型DCS控制站對中央處理器要求較高，必須為專用的處理器，準16位和準32位運算方式；第二代DCS控制站采用精減指令系統(tǒng)(Reduced Instruction Set Computer, RISC)；第三代DCS控制站采用多CPU分別用于控制運算、冗余切換、通信等操作。控制站作為一個完整的計算機，它的主要I/O設備為現(xiàn)場的輸入

47、、輸出處理設備，以及過程輸入/輸出(P I/O)，包括信號變換與信號調理，A/D、D/A轉換。它在第二代和第三代產品中已陸續(xù)采用了嵌入式技術，并采用單片機等完成量程調整、遠程I/O數(shù)據(jù)傳輸、小型化、減少P I/O卡硬件規(guī)格等功能，直至連接智能化的現(xiàn)場變送器或接受采用現(xiàn)場總線技術的數(shù)字信號。在信號變換過程中采用隔離技術以防止來自現(xiàn)場的干擾信號，這是至關重要的；與現(xiàn)場連接的端子及輸入、輸出信號的物理位置的方便確認也是用戶非常關心的。這些在DCS控制站的更新?lián)Q代中，都有很大改進。在這方面，原來生產自動化儀表的廠家表現(xiàn)尤佳，所以說DCS是繼承了自動化儀表技術的計算機系統(tǒng)。關于DCS控制站的系統(tǒng)軟件，原

48、則上也有實時操作系統(tǒng)、編程語言及編譯系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、自診斷系統(tǒng)等，只是完善程度不同而已。第一代DCS控制站的功能更近似于多回路調節(jié)器，而且每個控制站都可以配置人機界面和備用操作器；第二代DCS控制站的實時操作系統(tǒng)及程序編譯系統(tǒng)比較完整，編程語言有面向過程語言和高級語言，控制策略的組態(tài)由操作站或工作站在與控制站聯(lián)機的情況下，完成編譯和下裝；第三代DCS控制站的系統(tǒng)軟件齊全，操作站或工程師站可以完成離線組態(tài)及在線修改控制策略。為了完成控制策略，實現(xiàn)對應功能模塊及模塊之間連接的功能，可構成反饋控制回路，這在3代DCS控制站中變化不大，而且是不斷積累完善的過程，如PID算法等典型的數(shù)值計算就是如此。

49、目前典型的功能模塊有50多種，這是DCS 廠家的專有技術。對于順序控制和批量控制組態(tài)編程，各種DCS控制站采用不同的方法，直到近年來才向IEC 61131-3編程語言標準靠攏。DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主要來自現(xiàn)場的信號和各種變量，在控制站中表現(xiàn)為與工位號對應的相關測量值(PV)、設定值(SV)、操作輸出值(MV)及回路狀態(tài)等。這些數(shù)據(jù)被采集到DCS控制站相應的存儲器里，構成實時數(shù)據(jù)。其他屬于與工位號有關的組態(tài)信息，如量程、工程單位、回路連接信息、順序控制信息等，也在控制站中存儲，但同時必須在操作站或工程師站中存儲，而且有映像關系。至于歷史數(shù)據(jù)存儲，一般不是在DCS控制站完成。在完善DDC直接數(shù)字控制技

50、術中，對A/D、D/A轉換及控制算法，分別引入掃描周期和控制周期概念，在第二代、第三代DCS控制站中，掃描周期可以比缺省值的1s更短，如可以選用0.2 0.5s，以滿足少數(shù)快速反應的控制對象的要求。對于第一代、第二代DCS控制站，為了完成回路控制以外的順序控制、批量控制及數(shù)據(jù)采集，分別開發(fā)了不同型號、規(guī)格的控制站產品；而第三代控制站因為其功能很強大，對開關量和模擬量處理能力很強，所以一般不做區(qū)分。大型DCS的一臺控制站可以完成上百個回路的控制，其容錯技術完善，可靠性、安全性強，所以“分散控制以消除危險”的初衷已很難體現(xiàn)。當然，對于一個有多套工藝裝置和一個中控室的工廠，每套裝置就近安裝一臺控制站

51、的大系統(tǒng)來說，這也是一種分散型控制，只是對控制站的可靠性要求更高了。中小型DCS控制站，以控制1632回路為限，分散性較易為人們所接受。目前小型DCS所占有的市場，已逐步與PLC、IPC、FCS共享，今后小型DCS可能首先與這3種系統(tǒng)融合，而且“軟DCS”技術將首先在小型DCS中得到發(fā)展?？刂普臼钦麄€DCS的基礎，它的可靠性和安全性最為重要，死機和控制失靈的現(xiàn)象是絕對不允許的，而且冗余、掉電保護、抗干擾、構成防爆系統(tǒng)等方面都應很有效而可靠，才能滿足用戶要求。多年的實踐經驗證明，絕大多數(shù)廠家的DCS控制站是能夠勝任用戶要求的。三 DCS操作站DCS操作站具有操作員功能、工程師功能、通信功能和高級

52、語言功能等，其中工程師功能中包括系統(tǒng)組態(tài)、系統(tǒng)維護、系統(tǒng)通用(Utility)功能。實際的DCS操作站是典型的計算機，它與控制站不同，有著豐富的外圍設備和人機界面。70年代中期，CRT顯示器技術已成熟，以外部存儲器溫氏硬盤為特征，第二代DCS操作站還具有如下特點：操作站和工程師站(或稱工作站)分開，也有公司將操作站的歷史數(shù)據(jù)存儲用硬盤(歷史模件)和高級語言應用站(應用模件)分別獨立掛在通信網絡上；操作系統(tǒng)除采用DOS系統(tǒng)以外，有的產品采用Unix等操作系統(tǒng)；實時數(shù)據(jù)庫儲存性能逐漸完善；在人機界面方面，逐漸過渡為以GUI圖形用戶界面為平臺并采用鼠標，組態(tài)時制作流程圖和控制回路圖等采用菜單、窗口、

53、CAD技術等，使人機界面友好。第三代DCS操作站是在個人計算機(PC)及Windows操作系統(tǒng)普及和通用監(jiān)控圖形軟件已商品化的基礎上誕生的，面對用戶要求的DCS系統(tǒng)應具有開放性、便于系統(tǒng)集成和操作、與Windows一致等。目前大多數(shù)DCS操作站已采用高檔PC機或工控機，Windows NT(或Windows 98)操作系統(tǒng)，客戶機/服務器(C/S)結構，DDE(動態(tài)數(shù)據(jù)交換)或OPC(用于過程控制對象鏈接嵌入)接口技術，以太網接口與管理網絡相連。在采用通用監(jiān)控圖形軟件(如iFIX、Intouch等)這一點上，各DCS廠家做法不一，有的以此為平臺，形成“軟DCS”操作站，這多用于中小型DCS，或

54、以此類軟件為核心，進行二次開發(fā)；大多數(shù)DCS廠家對原來的組態(tài)軟件進行改造，使之符合上述特點，滿足系統(tǒng)開放要求。操作站要實現(xiàn)其多項功能，必須完成數(shù)據(jù)組織和存儲兩方面任務，如與工位號相關的一些數(shù)據(jù)，在操作站中要對由控制站某端與現(xiàn)場儀表相連的、由物理位置而決定的工位規(guī)定工位號(即特征號或標簽Tag)和工位說明(可以用漢字)，使之與工藝對象一致，以保證工藝操作人員的操作。工位號可以在整個DCS系統(tǒng)中通用。其他還有系統(tǒng)配置、操作標記、趨勢記錄、歷史數(shù)據(jù)管理、總貌畫面組態(tài)、控制站組態(tài)、工藝單元或區(qū)域組態(tài)等，這些均組織成文件，最終形成數(shù)據(jù)庫，存儲在硬盤的相應區(qū)域，使數(shù)據(jù)具有獨立性和共享性，保證數(shù)據(jù)的完整性和

55、安全性。DCS系統(tǒng)組態(tài)、操作站組態(tài)、控制站組態(tài)均有相應軟件，為DCS用戶的工程設計人員提供人機界面。在工程設計中，第一代、第二代DCS均采用先讓DCS用戶的工程設計人員填寫工作單或繪制組態(tài)圖(或稱SAMA圖)，再在操作站或工程師站上鍵入生成，形成應用軟件，同時拷貝出軟盤的方式。在第三代DCS中，逐步向無紙化和在PC機上完成工程設計的方式過渡。操作員的操作主要依靠流程圖畫面和標準的總貌畫面、分組畫面等，采用標準鍵盤、鼠標和操作員專用鍵盤，這是DCS的特點，要經過專門培訓才能被工藝操作人員接受。在多屏幕的情況下，操作的最后有效原則、各屏幕畫面等同化顯示及按工位號調用或按專用鍵調出畫面的速度或畫面定

56、時刷新問題，報警按時序顯示記錄問題，都陸續(xù)得到解決。操作站死機現(xiàn)象時有發(fā)生，當然這與DCS制造工藝、用戶使用操作等都有關系，但從操作站的操作系統(tǒng)上解決問題才是徹底的方法。目前，這個問題已經不嚴重，但要徹底解決，還有待時日。四 數(shù)據(jù)通信及網絡在DCS系統(tǒng)誕生時，主要解決一個生產裝置中幾個控制站和一個或幾個操作站之間的數(shù)據(jù)通信問題；第二代DCS則解決多個裝置的DCS互聯(lián)問題；第三代DCS則解決一個工廠的多個車間互聯(lián)及與全廠計算機管理網絡互聯(lián)的問題，這是總的設計思想。在實際應用中，如石化行業(yè)，DCS一直多用在一個生產裝置范圍內的多機通信系統(tǒng)中，而且控制站和操作站均集中放置在控制室內。電力行業(yè)、冶金行

57、業(yè)、自來水行業(yè)則將控制站分散放在樓上、樓下、生產線上或分散的地域處，與集中放置操作站的控制室總距離一般也多在1km以內。由于計算機網絡系統(tǒng)技術的發(fā)展，全廠各生產車間用DCS 的通信總線相連的實例較少，所以在第三代DCS中DCS通信功能的發(fā)展是與全廠管理網絡(以太網)技術相融合，逐漸實現(xiàn)通信網絡由多重結構向扁平化過渡，所以，第三代DCS的通信系統(tǒng)特點是具有開放性。DCS系統(tǒng)的規(guī)模與通信能力有關系，但是用這作為劃分第一、二代DCS的方法還不妥，應該說第一、二代DCS的信道和傳輸速率有變化，即第一代DCS采用雙絞線信道或同軸電纜，速率在1Mb/s以下，第二代DCS采用同軸電纜或光纖，通信速率為110Mb/s。也有人認為，第一代DCS通信為數(shù)據(jù)高速公路，第二代DCS通信為局域網。有些DCS廠家還把DCS系統(tǒng)構成多種總線互聯(lián)的結構，如Honeywell公司把70年代的DHW(Data High Way)總線