作者：李占英
出版社：电子工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
分散控制系统(DCS)和现场总线控制系统(FCS)及其工程设计(第2版)试读：
前言
随着计算机技术、通信技术、测量控制技术、信号处理技术、显示技术、大规模集成电路技术、软件技术、人机接口技术及其他高新技术的发展，分散控制系统（DCS）和现场总线控制系统（FCS）也得到了相应发展。分散控制系统（DCS）是实现工业自动化和企业信息化最好的系统平台，自引入我国以来，为提高大型工业生产装置的自动化水平做出了突出贡献，成为当今工业过程控制的主流。由于这门技术的发展和更新很快，所以要求技术人员具有计算机使用能力和不断学习的能力。
本书十分重视实际控制工程设计能力的培养，从应用角度出发，力求学以致用，力图形成内容简明、集系统性和实用性于一体的通用教材。为此，本书在编写的过程中，注重实际应用方面的需要，着重介绍分散控制系统的概念、原理、结构、设计与实际应用的基本性和通用性，学生通过课堂学习或自学，也能基本掌握分散控制系统的原理及工程设计的方法。
本书分为上、下两篇。上篇为基础知识篇（第1～9章），主要介绍分散控制系统的知识体系，循序渐进，讲清系统的基本概念、原理、特点及方法，强调理论联系实际，每章后均附有思考与练习，便于读者掌握所学内容。为了使本书成为一本比较实用的分散控制系统的快速入门教科书，编写时层次较清晰，实用性强。第1章介绍分散控制系统的基本概念和发展；第2章介绍分散控制系统的通信网络系统；第3章着重讲述分散控制系统的过程控制站的相关知识；第4章介绍运行员操作站的相关知识；第5章介绍工程师站与组态软件的相关知识；第6章介绍分散控制系统的评价与选择方法等；第7章介绍现场总线控制系统与DCS的区别及其基本构成；第8章介绍现场总线通信系统；第9章介绍现场总线的基本设备情况。
下篇为工程应用篇（第10章和第11章）。第10章详细介绍DCS工程设计的一般过程，组态、调试及分散系统的安装与验收，并以电加热炉系统和MACS在空分行业中对氧气的恒压控制为例，详细介绍分散控制系统的工程组态设计；第11章介绍FCS工程设计的一般过程及注意事项，着重通过CAN总线介绍现场总线控制系统应用设计实例。
本书不仅适合自动化系统、电气、计算机网络、自动控制工程等领域的工程技术人员阅读使用，也可作为高等院校通信与信息、自动化、电气工程及自动化等专业的本科高年级学生或研究生的教学用书。
本书由大连工业大学李占英任主编，黑龙江工程学院初红霞任副主编。第1～4章和附录A由初红霞编写，第5～7章和第10章由李占英编写，第8章和第9章由杜娟（黑龙江工程学院）编写，第11 章由于浩洋（黑龙江工程学院）编写，全书由李占英统稿。另外，参加本书编写的还有管殿柱、李文秋、宋一兵、王献红、管玥、徐亮、初润成。本书在编写过程中得到了大连工业大学、杭州和利时公司等有关同志从各方面给予的热情支持和帮助，在此表示衷心的感谢。
由于编者水平和实践经验有限，书中错误之处在所难免，恳请读者批评指正。编者
上篇 基础知识篇
第1章 绪论
1.1 分散控制系统概述
1.1.1 分散控制系统的概念
20世纪50年代末期，陆续出现了由计算机组成的控制系统，这些系统实现的功能不同，实现数字化的程度也不同。最初它用于生产过程的安全监视和操作指导，后来用于实现监督控制，但还没有直接用于控制生产过程。
20世纪60年代初期，计算机开始直接用于生产过程的数字控制。当时由于计算机造价很高，再加上硬件水平的限制，导致计算机的可靠性很低，实时性较差。因此，大规模集中式的直接数字控制系统（Direct Digital Control，DDC）基本上宣告失败。但人们从中体会到，直接数字控制系统的确具有许多模拟控制系统无法比拟的优点，如果能够解决系统的体系结构和可靠性问题，则计算机用于集中控制是大有希望的。
经过多年的探索，1975年出现了分散控制系统（Distributed Control System，DCS），这是一种结合了仪表控制系统和直接数字控制系统两者优势的全新控制系统，它很好地解决了直接数字控制系统存在的两个问题。如果直接数字控制系统是计算机进入控制领域后出现的新型控制系统，那么DCS则是网络进入控制领域后出现的新型控制系统。
在DCS出现的早期，人们还将其看作仪表系统，这可以从1983年对DCS的定义中看出：某一类仪器仪表（输入/输出设备、控制设备和操作员接口设备），它不仅可以完成指定的控制功能，还允许将控制、测量和运行信息在具有通信链路的、可由用户指定的一个或多个地点之间相互传递。
按照这个定义，可以将 DCS 理解为具有数字通信能力的仪表控制系统。从系统的结构形式看，DCS 确实与仪表控制系统类似，在现场端它仍然采用模拟仪表的变送单元和执行单元，在主控制室端是计算单元和显示、记录、给定值等单元。但实质上 DCS 和仪表控制系统有着本质的区别。首先，DCS 是基于数字技术的，除了现场的变送和执行单元外，其余的处理均采用数字方式；其次，DCS 的计算单元并不针对每一个控制回路设置一个计算单元，而是将若干个控制回路集中在一起，由一个现场控制站来完成这些控制回路的计算功能。这样的结构形式不只是为了成本上的考虑—与模拟仪表的计算单元相比，DCS 的现场控制站是比较昂贵的，采取一个控制站执行多个回路控制的结构形式，是由于 DCS 的现场控制站有足够的能力完成多个回路的控制计算。从功能上讲，由一个现场控制站执行多个控制回路的计算和控制功能更便于这些控制回路之间的协调，这在模拟仪表系统中是无法实现的。一个现场控制站应该执行多少个回路的控制与被控对象有关，系统设计师可以根据控制方法的要求具体安排在系统中使用多少个现场控制站，以及每个现场控制站中各安排哪些控制回路。在这一方面，DCS有着极大的灵活性。
ISA不仅在[S5.3]1983中给出了DCS的定义，还给出了许多不同角度的解释：“物理上分立并分布在不同位置上的多个子系统，在功能上集成为一个系统。”它解释了DCS的结构特点。“由操作台、通信系统和执行控制、逻辑、计算及测量等功能的远程或本地处理单元构成。”它指出了DCS的三大组成部分。“分布的两个含义：（a）处理器和操作台物理上分布在工厂或建筑物的不同区域；（b）数据处理分散，多个处理器并行执行不同的功能。”它解释了分布的两个含义，即物理上的分布和功能上的分布。“将工厂或过程控制分解为若干区域，每个区域由各自的控制器（处理器）进行管理控制，它们之间通过不同类型的总线连成一个整体。”它侧重描述了DCS各个部分之间的连接关系，它们是通过不同类型的总线实现连接的。
总结以上各方面的描述，可对DCS 总结出比较完整的定义：
☺ 它是以回路控制为主要功能的系统。
☺ 除变送和执行单元外，各种控制功能及通信、人机界面均采用数字技术。
☺ 以计算机的CRT、键盘、鼠标、轨迹球代替仪表盘形成系统人机界面。
☺ 回路控制功能由现场控制站完成，系统可有多台现场控制站，每台控制一部分回路。
☺ 人机界面由操作员站实现，系统可有多台操作员站。
☺ 系统中所有的现场控制站、操作员站均通过数字通信网络实现连接。
上述定义的前三项与 DDC 系统无异，而后三项则描述了 DCS 的特点，也是 DCS 与DDC之间最根本的不同。
1.1.2 分散控制系统的特点
1.分散性和集中性
DCS 分散性的含义是广义的，不单是控制分散，还包括地域分散、设备分散、功能分散和危险分散。分散的目的是为了使危险分散，进而提高系统的可靠性和安全性。
DCS 硬件积木化和软件模块化是分散性的具体体现。因此，可以因地制宜地分散配置系统。DCS横向分子系统结构，如直接控制层中的一台过程控制站（PCS）可看作一个子系统；操作监控层中的一台操作员站（OS）也可看作一个子系统。
DCS的集中性是指集中监视、集中操作和集中管理。
DCS 通信网络和分布式数据库是集中性的具体体现，用通信网络把物理分散的设备构成统一的整体，用分布式数据库实现全系统的信息集成，进而达到信息共享。因此，可以同时在多台操作员站上实现集中监视、集中操作和集中管理。当然，操作员站的地理位置不必强求集中。
2.自治性和协调性
DCS 的自治性是指系统中的各台计算机均可独立工作。例如，过程控制站能自主地进行信号输入、运算、控制和输出；操作员站能自主地实现监视、操作和管理；工程师站的组态功能更为独立，既可在线组态，也可离线组态，甚至可以在与组态软件兼容的其他计算机上组态，形成组态文件后再装入DCS运行。
DCS 的协调性是指系统中的各台计算机用通信网络互联在一起，相互传送信息，相互协调工作，以实现系统的总体功能。
DCS 的分散和集中、自治和协调不是相互对立的，而是相互补充的。DCS 的分散是相互协调的分散，各台分散的自主设备是在统一集中管理和协调下各自分散独立工作，构成统一的有机整体。正因为这种分散和集中的设计思想、自治和协调的设计原则，使 DCS 获得了进一步发展，并得到了广泛应用。
3.灵活性和扩展性
DCS 硬件采用积木式结构，类似儿童搭积木那样，可灵活地配置成小、中、大各类系统。另外，还可根据企业的财力或生产要求，逐步扩展系统，改变系统的配置。
DCS 软件采用模块式结构，提供各类功能模块，可灵活地组态构成简单、复杂的各类控制系统。另外，还可根据生产工艺和流程的改变，随时修改控制方案，在系统容量允许范围内，只需通过组态就可以构成新的控制方案，而不需要改变硬件配置。
4.先进性和继承性
DCS 综合了“4C”（计算机、控制、通信和屏幕显示）技术，并随着“4C”技术的发展而发展。也就是说，DCS 硬件上采用先进的计算机、通信网络和屏幕显示；软件上采用先进的操作系统、数据库、网络管理和算法语言；算法上采用自适应、预测、推理、优化等先进的控制算法，建立生产过程数学模型和专家系统。
DCS自问世以来，更新换代比较快。当出现新型DCS时，老DCS作为新DCS的一个子系统继续工作，新、老DCS之间还可互相传递信息。这种DCS的继承性消除了用户的后顾之忧，不会因为新、老DCS之间的不兼容给用户带来经济上的损失。
5.可靠性和适应性
DCS 的分散性使系统的危险分散，提高了系统的可靠性。DCS 采用了一系列冗余技术，如控制站主机、I/O 板、通信网络和电源等均可双重化，而且采用热备份工作方式，自动检查故障，一旦出现故障立即自动切换。DCS 安装了一系列故障诊断与维护软件，实时检查系统的硬件和软件故障，并采用故障屏蔽技术，使故障影响尽可能地小。
DCS 采用高性能的电子元器件、先进的生产工艺和各项抗干扰技术，使其能够适应恶劣的工作环境。DCS 设备的安装位置可适应生产装置的地理位置，尽可能满足生产的需要。DCS的各项功能可适应现代化大生产的控制和管理需求。
6.友好性和新颖性
DCS 为操作人员提供了友好的人机界面（MMI）。操作员站采用彩色 CRT 和交互式图形画面，常用的画面有总貌、组、点、趋势、报警、操作指导和流程图画面等。采用了图形窗口、专用键盘、鼠标或球标器等，使操作更简便。
DCS 的新颖性主要表现在人机界面，它采用动态画面、工业电视、合成语音等多媒体技术，图文并茂、形象直观，使操作人员有身临其境之感。
1.1.3 分散控制系统的发展历程
从 1975 年第一套 DCS 诞生到现在，DCS 经历了三个大的发展阶段，或者说经历了三代产品。从总的趋势看，DCS的发展体现在以下六个方面：
☺ 系统的功能从低层（现场控制层）逐步向高层（监督控制、生产调度管理）扩展。
☺ 系统的控制功能由单一的回路控制逐步发展到综合了逻辑控制、顺序控制、程序控制、批量控制及配方控制等的混合控制功能。
☺ 构成系统的各个部分由DCS厂家专有的产品逐步改变为开放的市场采购的产品。
☺ 开放的趋势使得DCS厂家越来越重视采用公开标准，这使第三方产品更加容易集成到系统中。
☺ 开放性带来的系统趋同化迫使DCS厂家向高层的、与生产工艺结合紧密的高级控制功能发展，以求得与其他同类厂家的差异化。
☺ 数字化的发展越来越向现场延伸，这使得现场控制功能和系统体系结构发生了重大变化，最终将发展成为更加智能化、更加分散化的新一代控制系统。
1.第一代DCS（初创期）
第一代DCS是指1975—1980年出现的第一批系统，控制界称这个时期为初创期或开创期。这个时期的代表产品是率先推出 DCS 的 Honeywell 公司的 TDC-2000 系统，同期的还有横河（Yokogawa）公司的Yawpark系统、Foxboro 公司的Spectrum系统、Bailey公司的Network90 系统、Kent 公司的 P4000 系统、Siemens 公司的 TelepermM 系统及东芝公司的TOSDIC系统等。图1-1 第一代DCS基本结构
在描述第一代 DCS 时，一般都以 Honeywell 公司的 TDC-2000 为模型。第一代 DCS 是由过程控制单元、数据采集单元、操作员站及连接各个单元和计算机的数据高速公路几部分组成的，这也奠定了 DCS 的基础体系结构，如图1-1所示。
这个时期的系统特点如下：（1）比较注重控制功能的实现，系统的设计重点是现场控制站，系统均采用当时最先进的微处理器来构成现场控制站，因此系统的直接控制功能比较成熟可靠。（2）系统的人机界面功能则相对较弱，在实际中只用 CRT 操作站进行现场工况的监视，使得提供的信息也有一定的局限。（3）在功能上更接近仪表控制系统，这是由于大部分推出第一代 DCS 的厂家都有仪器仪表生产和系统工程的背景。其分散控制、集中监视的特点与仪表控制系统类似，所不同的是控制的分散不是到每个回路，而是到现场控制站，一个现场控制站所控制的回路从几个到几十个不等；集中监视所采用的是 CRT 显示技术和控制键盘操作技术，而不是仪表面板和模拟盘。（4）各个厂家的系统均由专有产品构成，包括数据高速公路、现场控制站、人机界面工作站及各类功能性的工作站等。这与仪表控制时代的情况相同，不同的是，DCS 并没有像仪表那样形成4～20mA 的统一标准，各个厂家的系统在通信方面是自成体系的。由于当时网络技术的发展也不成熟，还没有厂家采用局域网标准，而是各自开发自引技术的高速数据总线（或称数据高速公路），各个厂家的系统并不能像仪表系统那样可以实现信号互通和产品互换。这种由独家技术、独家产品构成的系统形成了极高的价位，不仅系统的购买价格高，而且系统的维护运行成本也高，可以说这个时期的 DCS 是超利润时期，因此其应用范围也受到一定的限制，只在一些要求特别高的关键生产设备上得到了应用。
DCS 在控制功能上比仪表控制系统前进了一大步，特别是采用了数字控制技术，许多仪表控制系统无法解决的复杂控制、多参数滞后、整体协调优化等控制问题得到了实现。DCS 在系统的可靠性、灵活性等方面又大大优于直接数字控制系统（DDC），因此一经推出就显示出了强大的生命力，得到了迅速的发展。
2.第二代DCS（成熟期）
第二代 DCS 是在 1980—1985 年推出的各种系统，其中包括 Honeywell 公司的 TDGC-3000、Fisher公司的PROVOX、Taylor公司的MOD300及Westinghouse公司的WDPF等系统。第二代DCS基本结构如图1-2所示。
第二代 DCS 的最大特点是引入了局域网（LAN）作为系统骨干，按照网络节点的概念组织过程控制站、中央操作站、系统管理站及网关（Gateway，用于兼容早期产品），这使得系统的规模、容量进一步增加，系统的扩充有更大的余地，也更加方便。这个时期的系统开始摆脱仪表控制系统的影响，而逐步靠近计算机系统。
在功能上，这个时期的DCS逐步走向完善，除回路控制外，还增加了顺序控制、逻辑控制等功能，加强了系统管理站的功能，可实现一些优化控制和生产管理功能。在人机界面方面，随着CRT显示技术的发展，图形用户界面逐步丰富，显示密度大大提高，操作人员可以通过 CRT 的显示得到更多的生产现场信息和系统控制信息。在操作方面，从过去单纯的键盘操作（命令操作界面）发展到基于屏幕显示的光标操作（图形操作界面），轨迹球、光笔等光标控制设备在系统中得到了越来越多的应用。图1-2 第二代DCS基本结构
由于系统技术的不断成熟，更多的厂家参与竞争，DCS 的价格开始下降，这使得 DCS的应用更加广泛。但是，在系统的通信标准方面仍然没有进展，各个厂家虽然在系统的网络技术上下了很大功夫，也有一些厂家采用了专业实时网络开发商的硬件产品，但在网络协议方面，仍然各自为政，不同厂家的系统之间基本不能进行数据交换。系统的各个组成部分，如现场控制站、人机界面工作站、各类功能站及软件等，都是各个DCS厂家的专有技术和产品。因此，从用户的角度看，DCS 仍是一种购买成本、运行成本及维护成本都很高的系统。
3.第三代DCS（扩展期）
第三代 DCS 以 1987 年 Foxboro 公司推出的 I/ASeries 为代表，该系统采用 ISO 标准MAP（制造自动化规约）网络。这一时期的系统除 I/ASeries 外，还有 Honeywell 公司的TDC-3000/UCN、Yokogawa 公司的 Centum-XL 和/1XL、Bailey 公司的 INFI-90、Westinghouse公司的WDPFⅡ、Leeds&Northrup公司的MAX1000及日立公司的HIACS系列等。如图1-3所示为第三代DCS基本结构。图1-3 第三代DCS基本结构
这个时期的 DCS 在功能上实现了进一步扩展，增加了上层网络，将生产的管理功能纳入系统中，从而形成直接控制、监督控制和协调优化、上层管理三层功能结构，这实际上就是现代DCS的标准体系结构。这样的体系结构已经使DCS成为一个很典型的计算机网络系统，而实施直接控制功能的现场控制站，在其功能逐步成熟并标准化后，成为整个计算机网络系统中的一类功能节点。进入20世纪90年代，已经很难比较出各个厂家的DCS在直接控制功能方面的差异，而各种 DCS 的差异则主要体现在与不同行业应用密切相关的控制方法和高层管理功能方面。
在网络方面，各个厂家已普遍采用了标准的网络产品，如各种实时网络和以太网等。到20世纪90年代后期，很多厂家将目光转向了只有物理层和数据链路层的以太网及在以太网之上的 TCP/IP。这样，在高层（即应用层）虽然还是各个厂家自己的标准，系统间还无法直接通信，但至少在网络的低层，系统间是可以互通的，高层的协议则通过开发专门的转换软件实现互通。
除了功能上的扩充和网络通信的部分实现外，多数 DCS 厂家在组态方面实现了标准化，由IEC61131-3所定义的五种组态语言为大多数DCS厂家采纳，在这方面为用户提供了极大的便利。各个厂家对 IEC61131-3 的支持程度不同，有的只支持一种，有的则支持五种，支持的程度越高，给用户带来的便利就越多。
在构成系统的产品方面，除现场控制站基本上还是各个 DCS 厂家的专有产品外，人机界面工作站、服务器及各种功能站的硬件和基础软件，如操作系统等，已没有哪个厂家使用自己的专有产品了，这些产品已全部采用了市场采购的商品，这给系统的维护带来了极大的方便，也使系统的成本大大降低。目前 DCS 已逐步成为一种大众产品，在越来越多的应用中取代了仪表控制系统而成为控制系统的主流。
4.新一代DCS的出现
DCS 发展到第三代，尽管采用了一系列新技术，但是生产现场层仍然没有摆脱沿用了几十年的常规模拟仪表。DCS 在输入/输出单元（IOU）以上的各层均采用了计算机和数字通信技术，唯有生产现场层的常规模拟仪表仍然是一对一模拟信号（DC 4～20mA）传输，多台模拟仪表集中接于 IOU。生产现场层的模拟仪表与 DCS 各层形成极大的反差和不协调，并制约了 DCS 的发展。电子信息产业的开放潮流和现场总线技术的成熟与应用，造就了新一代的DCS，其技术特点包括全数字化、信息化和集成化。
因此，人们要变革现场模拟仪表，改为现场数字仪表，并用现场总线（Field Bus）互联。由此带来 DCS 控制站的变革，即将控制站内的软功能模块分散地分布在各台现场数字仪表中，并统一组态构成控制回路，实现彻底的分散控制。也就是说，由多台现场数字仪表在生产现场构成虚拟控制站（Virtual Control Station，VCS）。这两项变革的核心是现场总线。
20世纪90年代现场总线技术有了重大突破，公布了现场总线的国际标准，而且，现场总线数字仪表也成功生产。现场总线为变革DCS带来希望和可能，标志着新一代DCS的产生，它取名为现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS），其结构原型如图 1-4 所示。该图中流量变送器（FT）、温度变送器（TT）、压力变送器（PT）分别含有对应的输入模块 FI-121、TI-122、PI-123，调节阀（V）中含有 PID 控制模块（PID-124）和输出模块（FO-125），用这些功能模块就可以在现场总线上构成PID 控制回路。图1-4 新一代 DCS（FCS）结构原型
现场总线接口（Field Bus Interface，FBI）下接现场总线，上接局域网（LAN），即FBI作为现场总线与局域网之间的网络接口。FCS 革新了 DCS 的现场控制站及现场模拟仪表，用现场总线将现场数字仪表互联在一起，构成控制回路，形成现场控制层。即 FCS 用现场控制层取代了DCS的直接控制层，操作监控层及以上各层仍然与DCS相同。
实际上，现场总线技术早在 20 世纪 70 年代末就出现了，但始终只是作为一种低速的数字通信接口，用于传感器与系统之间交换数据。从技术上来说，现场总线并没有超出局域网的范围，其优势在于它是一种低成本的传输方式，比较适合数量庞大的传感器连接。现场总线大面积应用的障碍在于传感器的数字化，因为只有传感器数字化了，才有条件使用现场总线作为信号的传输介质。现场总线的真正意义在于这项技术再次引发了控制系统从仪表（模拟技术）发展到计算机（数字技术）的过程中，没有新的信号传输标准的问题，人们试图通过现场总线标准的形成来解决这个问题。只有这个问题得到了彻底解决，才可以认为控制系统真正完成了从仪表到计算机的换代。
1.2 DCS典型产品及特点
1.Honeywell公司的TDC-3000系统
Honeywell公司的TDC-3000系统结构如图1-5所示。图1-5 Honeywell公司的TDC-3000系统结构【术语解释】
☺ PCN：工厂控制网。
☺ LCN：局部控制网。
☺ UCN：通用控制网。
☺ US、GUS：通用操作站、全局用户操作站。
☺ HG：数据高速公路接口网关。
☺ NG：局部控制网络网关。
☺ CB：基本控制器。
☺ EC：扩展控制器。
☺ MC、A-MC：多功能控制器、先进多功能控制器。
☺ PM、APM、HPM：过程管理站、先进过程管理站、高性能过程管理站。
☺ LM：逻辑管理站。
☺ HM：历史模块。
☺ AM：应用模块。
☺ HTD：数据高速公路通信指挥器。
☺ NIM：网络接口模块。
☺ PLNM：工厂控制网与局部控制网接口单元。
TDC-3000系统是Honeywell公司在其TDC-2000系统的基础上于1983年推出的新一代DCS。图1-5中由数据高速公路（Data Highway，DHW）连接的CB、EC、MC、A-MC等单元属于TDC-2000系统的组成部分。在此基础上，TDC-3000系统扩充了LCN局部控制网及由LCN连接的通用操作站、历史模块及应用模块等监督控制功能模块，LCN与数据高速公路之间通过HG实现连接。从20世纪80年代后期开始，Honeywell公司又陆续推出了针对直接控制的 UCN 网络和用于工厂生产管理层的 PCN 网络，以及连接在这些网络上的各种模块。新推出的网络与原有网络均有相应的接口模块。目前，TDC-3000 系统已形成了现场直接控制层（由数据高速公路和 UCN 连接的各种控制模块组成）、监督控制层（由 LCN连接的底层控制网和人机界面等功能单元组成）和工厂管理层（由 PCN 连接的控制层功能和管理层功能组成）这样清晰的三层体系结构。可贵的是，Honeywell 公司推出的各代系统都具有向前的兼容性，用户可以在已有系统的基础上通过扩充新设备实现系统的升级，从中也可清晰地看到 DGS 发展的过程和脉络。其缺点是系统显得有些烦琐，为了追求兼容性，不得不增加了很多接口单元，这必然会影响运行效率；而且对用户来说，通过在旧系统上增加新模块实现系统升级的办法，在费用上也不会太低。
TDC-3000 可以说是一个典型的从低层控制逐步发展到高层管理的系统，这是大部分具有仪表控制系统背景的公司发展DCS的模式。
2.ABB公司的Industrial IT系统
ABB公司的Industrial IT系统网络结构图如图1-6所示。
Industrial IT系统是ABB公司最新推出的控制管理一体化系统，其核心设计理念是高度集成化的工厂信息，系统集成了ABB公司的800xA控制系统，具有过程控制、逻辑控制、操作监视、历史趋势及报警处理等综合性的系统控制能力，同时支持多种现场总线、OPC等开放系统标准，形成了从现场控制到高层经营管理的一体化信息平台。该系统以控制网络为核心，向下连接现场总线网络，向上连接工厂管理网络。该系统最大的特点是其开放性，据 ABB 公司认证机构提供的数据，到 2003 年年底，已有 36 000 种产品可以接入系统的“属性目标”（Aspect Object）软件，被纳入统一的信息框架，实现完全的即插即用、信息共享。这些产品既有ABB自己生产的，也有第三方提供的。
Industrial IT 系统是一个典型的采用“自顶向下”设计方式形成的系统，这样的系统比较注重标准，特别是有关信息技术（即 IT）的标准，在统一的标准构架上集成各个方面的产品。这也是很多有计算机系统背景的公司所采取的方法。用这种方法形成的系统具有开放性好、适用性强及功能完善的特点，而它要着重解决的问题是在不同行业应用时，针对行业特点进行专门的开发以充分满足应用需求。图1-6 ABB公司Industrial IT系统的结构
3.和利时公司的HOLLiAS系统
和利时公司的 HOLLiAS 系统实际采用的体系结构，是将底层的直接控制、中层的监督控制和高层的管理控制通过开放的网络连接而成的，如图1-7所示。HOLLiAS系统是一个图1-7 HOLLiAS系统网络结构图
典型的网络结构，该系统分为三个层次，底层实现各个装置的控制、环境控制及防灾报警安全控制等直接控制与自动化功能，这些功能由控制器、PLC 等直接控制设备完成。中层实现各个装置的综合控制室功能，由各个装置操作人员集中监视并控制整个装置的运行情况。高层实现企业管理和控制，由设在中央控制室的服务器和管理控制工作站组成。装置和中央控制室之间通过光纤骨干网实现连接，通信协议采用标准的TCP/IP，系统支持OPC等标准信息接口，允许接入多种第三方控制设备。
HOLLiAS 采用了多“域”的结构形式，每个装置就是一个“域”，实际上就是一个典型的传统意义上的 DCS，而多个域通过骨干网连接，形成了范围更广泛、功能更完善、具备更高层次管理功能的信息系统。
1.3 分散控制系统的发展趋势
分散控制系统的发展与科学技术的发展密切相关。在过去的三十年中，分散控制系统已经历经了四代变迁，系统功能不断完善，可靠性不断提高，开放性不断增强。目前，分散控制系统的发展主要体现在以下几个方面。
1.分散控制系统的网络结构
传统的分散控制系统多采用制造商自行开发的专用计算机网络。网络的覆盖范围上至用户的厂级管理信息系统，下至过程控制站的I/O子系统。随着网络技术的不断发展，分散控制系统的上层将与 Internet 融合在一起，而下层将采用现场总线通信技术，使通信网络延伸到现场。最终实现以现场总线为基础的底层网 Infranet、以局域网为基础的企业网 Intranet和以广域网为基础的互联网Internet所构成的三网融合的网络架构，如图1-8所示。图1-8 三网融合的网络架构
三网融合促进了现场信息、企业信息和市场信息的融合、交流与互动，使基础自动化、管理自动化和决策自动化有机地结合在一起，实现三者的无缝集成（Seamless Integration）。它可以更好地实现企业的优化运行和最佳调度，并且能在更大的范围内支持企业的正确决策，给企业创造更好的经济效益。
2.人机接口技术
工业图形显示系统（Industrial Graphic Display System）是最常用的人机接口设备之一，正向着高速度、高密度、多画面、多窗口和大屏幕的方向发展。
工业图形显示系统的硬件趋向于采用专用器件，以达到更高的响应速度。如采用 32 位精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC）、采用多处理器并行处理、设置专用积压画面存储器等，使工业图形显示系统处理速度达到以前的2倍。
新型工业图形显示系统具有多窗口功能，可从多个帧存储器中随意切出几部分画面，很方便地组合在一起，以多窗口方式显示出来；此外，还具有多层重合画面功能，可将几个画面重合在一起，按其优先顺序，以透过或非透过的方式显示。新型工业图形显示系统可定义超过显示器尺寸的大画面，采用滚动方式把一个逻辑上的大画面在有限的显示器屏幕上显示出来。这种滚动方式是连续的、任意方向的，可采用鼠标或专用滚动键操作，还可在保持原画面输入、输出功能的前提下，将画面放大或缩小，在一台显示器上显示多幅画面。
大屏幕显示装置已进入实用阶段。70～100英寸的大型显示器和工业电视装置已投入使用。这些大屏幕显示主要用在中央控制室内，同时显示多个运行人员了解的信息，可取代BGT（Boiler，Generator，Turbine）盘上的显示仪表及记录仪表，同时将来自工作站或个人计算机的文件或图像放大显示，或传达会议消息。
多媒体技术将在人机接口设备中发挥越来越重要的作用。语音信息、图像信息将为运行人员提供良好的“视听”功能。运行人员在操作站上不但能了解生产过程中的实时数据，而且还能看到现场设备的运行情况，听到现场设备的运行声音，得到运行支持系统的语音提示。
3.标准化、通用化技术
分散控制系统的另一个重要的发展方向是大量采用标准化和通用化技术。分散控制系统中的硬件平台、软件平台、组态方式、通信协议、数据库等各方面都采用标准化和通用化技术。例如，现在许多分散控制系统的厂家都推出了基于PC和Windows/UNIX平台的运行员操作站。这不仅降低了系统造价，提供了更完善的系统功能，而且便于运行人员学习并掌握使用方法。另外，许多系统都采用了OPC（OLE for Process）技术，使各种不同厂家的产品之间能十分方便地交换信息。其他如组态方法，不少厂家都在向国际电工委员会发布的IEC1131-3 标准靠拢，用户不必再花费许多精力去学习各种不同分散控制系统的组态方法。为了在分布式环境下更好地组织功能块的运行，新的功能块标准 IEC61499 正在成为 DCS厂家竞相研究与采纳的标准。
总之，标准化、通用化技术的全面采用，大大提高了分散控制系统的开放程度，显著减少了系统的制造、开发、调试和维护成本，为用户提供了更广阔的选择余地，同时也为分散控制系统开辟了更广泛的应用前景。
4.人工智能技术
未来的分散控制系统中，将逐渐采用人工智能研究成果，如智能报警系统 IMARK。当生产过程发生异常时，IMARK 可把报警输出数量限制在必要的最低限度，避免当一个主要报警原因发生时，因联锁保护动作而造成大量其他原因的报警。
人工智能还将用于各种运行支持系统。对于火力发电厂的运行支持系统，可分为启停时的运行支持系统、正常运行时的优化支持系统和异常时的运行支持系统。启停时的运行支持系统属于自动化技术范畴，后两项为专家系统的应用技术。这些运行系统都可以在分散控制系统中实现。
模式控制系统正走向实用阶段。在传统的温度、压力控制系统中，通常将某点的温度或压力作为被控制量。而在实际生产过程中，常常需要对某温度场中的温度分布或某容器内的压力分布进行控制，这时，被控制量就成为分布在某一空间上的模式控制。之前，因技术上的原因，这种控制方案难以实现。随着人工智能技术的飞速发展，模式识别及模式控制问题可通过智能控制得到较圆满的解决。目前，某些分散控制系统已经能够提供人工智能技术开发平台，或者通过第三方软件公司提供专家系统外壳、模糊控制外壳和神经网络外壳。可以预计，在未来的分散控制系统中，以人工智能方法为基础的各种控制方案会不断出现。
5.厂级监控信息系统
近年来，以经济控制为目标的发电厂厂级监控信息系统（Supervisory Information System，SIS）成为研究的热点，并在新建电厂得以应用。监督控制的目的就是在一定的约束条件下，求出一组能够使生产过程的目标函数取得极值的最优操作变量。从工程应用角度来看，SIS 主要包括五个功能：生产过程的监控、经济信息的管理和生产成本的在线计算、竞价上网报价系统、经济分析和最优控制，如能够实现实时优化、生产计划、生产成本实时计算和生产成本预测功能的semCost竞价上网报价系统等。【自律分散系统】
自律可控性是指任一子系统故障时，其余子系统的控制器可随意控制系统的状态变量；自律可协调性是指任一子系统故障时，其余子系统的控制器可协调各控制器彼此不同的控制目标。同时满足自律可控性和自律可协调性的系统称为自律分散系统。
1.4 现场总线概述
1.4.1 现场总线的产生
现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。其中，生产过程包括连续生产过程和断续生产过程两类。现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备为网络节点，用总线将其连接，实现其相互之间的信息交换，完成自动控制功能的网络系统与控制系统。
现场设备的串行通信接口是现场总线技术的原形，由于大规模集成电路的发展，许多传感器、执行机构、驱动装置等现场设备智能化，即内置 CPU 控制器，完成如线性化、量程转换、数字滤波及回路调节等功能。因此，在这些智能现场设备上增加一个串行数据接口（如 RS-232/485）是非常方便的。有了这样的接口，控制器就可以按其规定协议，通过串行通信方式而不是I/O方式，完成对现场设备的监控。如果全部或大部分现场设备都具有串行通信接口，并具有统一的通信协议，那么控制器只需一根通信电缆就可将分散的现场设备连接起来，完成对所有现场设备的监控，这就是现场总线技术的初始想法。
基于这个初始想法，使用一根通信电缆，将所有具有统一的通信协议和通信接口的现场设备连接起来，这样，在设备层传递的不再是 4～20mA/24V（DC）的 I/O 信号，而是基于现场总线的数字化通信，由数字化通信网络构成现场级与车间级自动化监控及信息集成系统。
现场总线技术产生的意义如下。
☺ 传统的现场级自动监控系统采用一对一连线的 4～20mA/24V（DC）信号，信息量有限，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，严重制约了企业信息集成及企业综合自动化的实现。
☺ 现场总线技术是实现现场级控制设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技术，是一次工业现场级设备通信的数字化革命。现场总线技术可使用一条通信电缆将现场设备（智能体，带有通信接口）连接起来，用数字化通信代替 4～20mA/24V （DC）信号，完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能。
☺ 基于现场总线的自动化监控系统采用计算机数字化通信技术，将自控系统与设备加入工厂信息网络，构成企业信息网络底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。在计算机/现代集成制造系统中，现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸，是支撑现场级与车间级信息集成的一个技术基础。
1.4.2 现场总线的特点
1.结构特点
现场总线引起了传统控制系统在结构上的变革，形成了新型的网络集成式全分布控制系统—现场总线控制系统（FCS）。它是继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、数字计算机集中式控制系统、集散控制系统（DCS）后的第五代控制系统。
传统模拟控制系统采用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接。位于现场的测量变送器与控制室的控制器之间、控制器与现场的执行器（如开关、电动机）之间，均为一对一的物理连接。
FCS 打破了传统控制系统的结构形式，把原先 DCS 中处于控制室的控制模块、I/O 模块置入现场总线设备，加上现场总线设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行器直接传送信号，因而控制系统功能能够不依赖控制室中的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。
由于采用数字信号替代模拟信号，因而可实现一对电线上传输多个信号（包括多个运行参数值、多个设备状态、故障信息），同时又为多个现场总线设备提供电源；现场总线设备以外不再需要A/D、D/A转换部件。这样就为简化系统结构，节约硬件设备，节约连接电缆与各种安装、维护费用创造了条件。
2.技术特点
☺ 系统的开放性：开放是指相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。开放系统是指通信协议公开，即它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连接，这使得不同厂商的设备之间可实现信息交换。一个具有总线功能的现场总线网络，系统必须是开放的。开放系统把系统集成的权利交给了用户，用户可按自己的需要和考虑把来自不同厂商的产品组成大小随意的系统。
☺ 互可操作性与互用性：互可操作性是指实现互联系统间、设备间的信息传送与沟通；而互用性则意味着不同制造厂商性能类似的设备可进行更换，实现相互替换。
☺ 系统功能自治性：系统将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场总线设备中完成，仅靠现场总线设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。
☺ 系统结构的分散性：现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构，从根本上改变了现有 DCS 集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。
☺ 对现场环境的适应性：作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可以支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等多种传输介质，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可以满足本质安全防爆的要求。
1.4.3 现场总线的发展趋势
现场总线技术是控制、计算机和通信技术的交叉与集成，几乎涵盖了连续和离散工业领域，如过程自动化、制造加工自动化、楼宇自动化、家庭自动化等。它的出现和快速发展体现了控制领域对增强可维护性、提高可靠性、提高数据采集智能化和降低成本的要求。现场总线技术的发展趋势主要体现在以下四个方面。
☺ 统一的技术规范与组态技术是现场总线技术发展的一个长远目标。IEC61158 是目前的国际标准。然而由于商业利益的问题，该标准只做到了对已有现场总线的确认，从而得到了各个大公司的欢迎。但是，当需要用一种新的总线时，学习的过程是漫长的，这也势必给用户带来了使用上的困难。从长远来看，各种总线的统一是必然的。目前主流的现场总线都是基于 EIA-485 技术或以太网技术的，有统一的硬件基础；组态的过程与操作是相似的，有统一的用户基础。
☺ 现场总线系统的技术水平将不断提高。随着自动控制技术、电子技术和网络技术等的发展，现场总线设备将具有更强的性能和更好的经济性。
☺ 随着现场总线技术的日益成熟，相关产品的性价比越来越高，更多的技术人员将掌握现场总线的使用方法，现场总线的应用将越来越广泛。
☺ 工业以太网技术将逐步成为现场总线技术的主流。虽然基于串行通信的现场总线技术在一段时期之内还会大量使用，但是从发展的眼光来看，工业以太网具有良好的适应性、兼容性、扩展性及与信息网络的无缝连接等特性，必将成为现场总线技术的主流。
1.5 第四代DCS
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厂商以和利时（HollySys）、霍尼韦尔（Honeywell）、艾默生（EMERSON）、福克斯波罗（FOXBORO）、横河（YOKOGAWA）、ABB 为代表纷纷提升其 DCS 的技术水平，并不断丰富其内容。第四代 DCS 的最主要标志是两个“I”开头的单词：Information （信息）和Integration（集成）。
1.5.1 第四代DCS的体系结构
第四代 DCS 的体系结构主要分四层：现场仪表层、控制装置单元层、工厂（车间）层和企业管理层。
一般 DCS 厂商主要提供下面的三层功能，而企业管理层则通过提供开放的数据库接口连接第三方的管理软件平台（ERP、CRM、SCM 等）。所以说当今 DCS 主要提供工厂（车间）级的所有控制和管理功能，并集成全企业的信息管理功能。
1.5.2 第四代DCS的技术特点（1）DCS 充分体现信息化和集成化：信息和集成基本描述了当今 DCS 正在发生的变化。我们已经可以采集整个工厂车间和过程的信息数据，用户希望这些大量的数据能够以合适的方式体现，并帮助决策过程，让用户以其明白的方式，在其方便的地方得到其真正需要的数据。
信息化体现在各 DCS 已经不是一个以控制功能为主的控制系统，而是一个充分发挥信息管理功能的综合平台系统。DCS 提供了从现场到设备、从设备到车间、从车间到工厂、从工厂到企业集团的整个信息通道。这些信息充分体现了全面性、准确性、实时性和系统性。基本上大部分DCS提供了过去常规DCS功能、SCADA功能及MES（制造执行系统）的大部分功能。与 ERP 不同，MES 汇集了车间中用以管理和优化从下订单到产成品的生产活动全过程的相关硬件或软件组件，它控制和利用实时准确的制造信息来指导、传授、响应并报告车间发生的各项活动，同时向企业决策支持过程提供有关生产活动的任务评价信息。MES 的功能包括车间的资源分配、过程管理、质量控制、维护管理、数据采集、性能分析及物料管理。
DCS 的集成性则体现在两个方面：功能的集成（如上面所述）和产品的集成。过去的DCS 厂商基本上是以自主开发为主，提供的系统也是自己的系统。当今的 DCS 厂商更强调系统的集成性和解决方案能力，DCS 中除保留传统 DCS 所实现的过程控制功能之外，还集成了 PLC（可编程逻辑控制器）、RTU（远程终端设备）、FCS（现场总线）、各种多回路调节器、各种智能采集或控制单元等。此外，各 DCS 厂商不再把开发组态软件或制造各种硬件单元视为核心技术，而是纷纷把 DCS 的各个组成部分采用第三方集成方式或 OEM方式。（2）DCS 变成真正的混合控制系统：过去我们主要通过被控对象的特点（过程控制、逻辑控制）来区分DCS和PLC。但是，第四代DCS已经将这种划分模糊化了。几乎所有的第四代 DCS 都包容了过程控制、逻辑控制和批处理控制，实现了混合控制。这也是为了适应用户的真正控制需求。因为，多数工业企业的控制需求绝不能简单地划分为单一的过程控制和逻辑控制需求，而是由以过程控制为主或以逻辑控制为主的分过程组成的。要实现整个生产过程的优化，提高整个工厂的效率，就必须把整个生产过程纳入统一的分布集成信息系统。（3）DCS 包含 FCS 功能并进一步分散化：过去一段时间，一些学者和厂商把 DCS 和FCS（现场总线控制系统）对立起来。其实，真正推动 FCS 进步的仍然是世界主要几家DCS 厂商。所有的第四代 DCS 都包含了各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、执行机构等。此外，各 DCS 还改变了原来机柜架式安装 I/O 模件、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（可以现场安装）或中小型的PLC。（4）DCS 已经走过高技术产品时代，进入低成本时代。它配置灵活，适应各种系统应用。在 20 世纪 90 年代，DCS 还属于技术含量高、应用相对复杂、价格也相当昂贵的工业控制系统，现在随着应用的普及，DCS 已经变成大家熟悉的、价格合理的常规控制产品。第四代 DCS 的另一个显著特征就是各系统纷纷采用现成的软件技术和硬件（I/O 处理）技术，采用灵活的规模配置，大大降低系统的成本与价格。第四代 DCS 既适用于大中型系统，也适用于小型系统。（5）DCS 平台开放性与应用服务专业化：20 年来，工业自动化界讨论非常多的一个概念就是开放性。过去由于通信技术相对落后，开放性是困扰用户的一个重要问题。而当代网络技术、数据库技术、软件技术、现场总线技术的发展为开放系统提供了可能。各 DCS 厂家竞争的加剧，促进了细化分工与合作，各厂家放弃了原来自己独立开发的工作模式，变成集成与合作的开发模式，所以开放性自动实现了。
第四代DCS全部支持某种程度的开放性。开放性体现在DCS可以从三个不同层面与第三方产品相互连接：在企业管理层支持各种管理软件平台连接；在工厂车间层支持第三方先进控制产品、SCADA 平台、MES 产品、BATCH 处理软件，同时支持多种网络协议（以以太网为主）；在装置控制层可以支持多种 DCS 单元（系统）、PLC、RTU、各种智能控制单元等，以及各种标准的现场总线仪表与执行机构。
一直以来 DCS 的重点在于控制，它以“分散”作为关键字。但现代发展更着重于全系统信息综合管理，今后“综合”又将成为其关键字，向实现控制体系、运行体系、计划体系、管理体系的综合自动化方向发展，实施从底层的实时控制、优化控制上升到生产调度、经营管理，以至最高层的战略决策，形成一个具有柔性、高度自动化的管控一体化系统。
思考与练习（1）什么是DCS？DCS有哪些特点？（2）什么是FCS？FCS有哪些特点？
第2章 DCS的通信网络系统
DCS 的通信网络系统的作用是互联各种通信设备，完成工业控制。因此，与一般的办公室用局部网络有所不同，应具有以下特点。
☺ 具有快速的实时响应能力。一般办公室自动化计算机局部网络响应时间为 2～6s，而它要求的时间为0.01～0.5s。
☺ 具有极高的可靠性。应连续、准确运行，数据传送误码率为 -11-810～10。系统利用率在99.999%以上。
☺ 适用于恶劣环境。能抗电源干扰、雷击干扰、电磁干扰和接地电位差干扰。
☺ 分层结构。为适应集散系统的分层结构，其通信网络也必须具有分层结构，如分为现场总线、车间级网络系统和工厂级网络系统等不同层次。分散系统中参加网络通信的最小单位称为节点。发送信号的源节点对信息进行编码，然后送到传输介质（通信电缆），最后被接收这一信息的目的节点接收。网络特性的三要素为：要保证在众多节点之间合理传送数据；必须将通信系统构成一定网络；遵循一定网络结构的通信方式。
2.1 网络和数据通信原理
☺ 数据：指对数字、字母及其组合意义的一种表达。
☺ 工业数据：一般指与工业过程密切相关的数值、状态、指令等的表达。例如，用数字 1 表示管道阀门的开启，用数字 0 表示管道阀门的关闭；规定用数字 1 表示生产过程处于非正常状态，用数字 0 表示生产过程处于正常状态；表示温度、压力、流量、液位等参数的数值都是典型的工业数据。
☺ 数据通信：是两点或多点之间借助某种传输介质以二进制形式进行信息交换的过程，是计算机与通信技术结合的产物。
☺ 数据通信系统的基本任务：将数据准确、及时地传送到正确的目的地。
☺ 数据通信技术：主要涉及通信协议、信号编码、接口、同步、数据交换、安全、通信控制与管理等问题。
2.1.1 通信网络系统的基本组成
1）通信网络系统 通信网络系统是传递信息所需的一切技术设备的总和，一般由信息源和收信者、发送/接收设备、传输介质等组成，如图 2-1 所示。信息源和收信者是信息的产生者和使用者。在数据通信系统中传输的信息是数据，是数字化的信息。这些信息可能是原始数据，也可能是经计算机处理后的结果，还可能是某些指令或标志。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]