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DCS的過(guò)程控制站是一個(gè)完整的計算機系統,主要由電源、高性能的中央處理器(CPU)、網(wǎng)絡(luò )接口組成。高性能的中央處理器是現場(chǎng)過(guò)程控制的中心,存放并運行所有的過(guò)程控制程序以及現場(chǎng)儀表數據和控制數據。DCS的控制決策都是由它來(lái)執行的。過(guò)程控制站的網(wǎng)絡(luò )接口是同上一級的操作員站和工程師站的連接通道。操作員的操作控制信息和工程師站的組態(tài)程序都是通過(guò)這一通道發(fā)送到過(guò)程控制站,過(guò)程控制站收集整理的現場(chǎng)數據也是通過(guò)這一通道傳遞到操作員站上。過(guò)程控制站同I/O模塊之間通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)連接。一臺用于操作、監視、報警、趨勢顯示、記錄和打印報表的PC機。操作員站通常裝有操作軟件以完成上述功能,并且是通過(guò)以太網(wǎng)同過(guò)程控制站相連。一臺用于組態(tài)過(guò)程控制軟件,診斷、監視過(guò)程控制站運行情況,供DCS工程師開(kāi)發(fā)、測試、維護DCS系統使用的計算機。
DCS通常采用若干個(gè)控制器(過(guò)程站)對一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的眾多控制點(diǎn)進(jìn)行控制,各控制器間通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接并可進(jìn)行數據交換。生產(chǎn)控制操作采用計算機操作站,通過(guò)網(wǎng)絡(luò )與控制器連接,收集生產(chǎn)數據,傳達操作指令。從結構上劃分,DCS包括過(guò)程級、操作級和管理級。過(guò)程級主要由過(guò)程控制站、I/O單元和現場(chǎng)儀表組成,是系統控制功能的主要實(shí)施部分。操作級包括:操作員站和工程師站,完成系統的操作和組態(tài)。管理級主要是指工廠(chǎng)管理信息系統(MIS系統),作為DCS更高層次的應用,目前國內紙行業(yè)應用到這一層的系統較少。
DCS通常采用若干個(gè)控制器(過(guò)程站)對一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的眾多控制點(diǎn)進(jìn)行控制,各控制器間通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接并可進(jìn)行數據交換。生產(chǎn)控制操作采用計算機操作站,通過(guò)網(wǎng)絡(luò )與控制器連接,收集生產(chǎn)數據,傳達操作指令。
從結構上劃分,DCS包括過(guò)程級、操作級和管理級。過(guò)程級主要由過(guò)程控制站、I/O單元和現場(chǎng)儀表組成,是系統控制功能的主要實(shí)施部分。
操作級包括:操作員站和工程師站,完成系統的操作和組態(tài)。管理級主要是指工廠(chǎng)管理信息系統(MIS系統),作為DCS更高層次的應用,目前國內紙行業(yè)應用到這一層的系統較少。
DCS控制系統的發(fā)展
DCS將向信息管理系統和計算機網(wǎng)絡(luò )控制擴展,將過(guò)程控制和信息管理系統緊密結合起來(lái),構成計算機集成過(guò)程系統(CIPS)。CIPS除了要完成傳統DCS 過(guò)程控制的功能外,還要實(shí)現運行支持和決策支持的功能,包括質(zhì)量控制、過(guò)程管理、在線(xiàn)優(yōu)化、經(jīng)營(yíng)管理、決策分析等。網(wǎng)絡(luò )是當今工廠(chǎng)自動(dòng)化的核心,是計算機集成過(guò)程系統的基礎,而工廠(chǎng)自動(dòng)化的每一層都有適用于自己的網(wǎng)絡(luò )。
工廠(chǎng)級(上層、管理層)包括工廠(chǎng)信息管理和生產(chǎn)管理,負責與工廠(chǎng)管理計算機的連接,計算機間的管理數據交換通過(guò)工廠(chǎng)主干網(wǎng)實(shí)現。主干網(wǎng)采用ISO/OSI-MAP/TOP或TCP/IP-Ethernet網(wǎng)絡(luò )協(xié)議標準。隨著(zhù)工廠(chǎng)自動(dòng)化規模的不斷擴大,這一級的功能也越來(lái)越強,它是DCS 向CIPS 發(fā)展的一個(gè)重要標志。
車(chē)間級(中層、監控層)包括過(guò)程控制和過(guò)程管理,用于控制室、現場(chǎng)控制設備和各現場(chǎng)控制裝置間的連接。通信網(wǎng)采用中速、載帶工業(yè)過(guò)程數據公路的形式(ProwayC或IEEE802.4)。這是DCS的實(shí)時(shí)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò ),應具有高可靠性、高使用性、實(shí)時(shí)性強、有自診斷功能、有自組態(tài)功能、容易接入新站等。
現場(chǎng)級(低層)用于連接過(guò)程控制中的傳感器、執行器、智能儀表等。現場(chǎng)以標準的現場(chǎng)總線(xiàn)為發(fā)展目標,現已有了兩個(gè)國際組織的現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品,現場(chǎng)總線(xiàn)將是DCS 發(fā)展的一個(gè)重要方向。
DCS的通訊網(wǎng)絡(luò )
1、發(fā)展歷程
隨著(zhù)計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和控制技術(shù)的不斷發(fā)展,DCS自20世紀70年代問(wèn)世以來(lái),先后經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展時(shí)期,具體劃分為:
(1)1975—1980 初創(chuàng )期。此時(shí)的DCS通訊系統只是一種初級局部網(wǎng)絡(luò ),全系統由一個(gè)通訊指揮器指揮,對各單元的訪(fǎng)問(wèn)是輪流詢(xún)問(wèn)方式。如TDC-2000、MOD-3等。
(2)1980—1985 成熟期。采用局域網(wǎng)絡(luò ),由主從式星型網(wǎng)絡(luò )轉變成對等式的總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信或環(huán)網(wǎng)通信,擴大了通信范圍,提高了傳輸速率。如TDC-3000、MOD-300等。
(3)1985—1990 擴展期。在局域網(wǎng)絡(luò )方面采用國際標準組織ISO的OSI開(kāi)放系統互聯(lián)的參考模型,使符合開(kāi)放系統的各制造廠(chǎng)的產(chǎn)品可以互連,互通信以及進(jìn)行數據交換,第三方軟件以可以應用。改變了過(guò)去DCS各廠(chǎng)自成系統的封閉結構,DCS由原來(lái)的僅能應用發(fā)展到不僅能應用而且能開(kāi)發(fā)。TDC-3000(帶UCN網(wǎng))Centum XL等。
(4)90年代以后,網(wǎng)絡(luò )開(kāi)放期。采用符合國際標準的通信協(xié)議和規程,即IEE802(以太網(wǎng))、IEE802.4(令牌總線(xiàn))、EEFDDI(光纖分布數據界面)、TCP/IP(傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)協(xié)議)或MAP(制造自動(dòng)化協(xié)議)等,使不同廠(chǎng)家型號、不同操作系統的計算機可共存一個(gè)網(wǎng)絡(luò )標準,達到產(chǎn)品互換、資源共享的目的。如Centum CS-3000、Advant-500等。
2、通訊網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)
通訊網(wǎng)絡(luò )是DCS的重要支柱,執行分散控制的各單元以及各級人機接口要靠通訊系統連成一體,這種在局部區域內使用各種數據通訊的設備互連的通訊網(wǎng)絡(luò )稱(chēng)為局域網(wǎng)(LAN)。它是一個(gè)高通訊速率,低誤碼率,快速響應的局部網(wǎng)絡(luò ),具有組織靈活,易于擴展,資源共享的特點(diǎn),然而DCS完成的是工業(yè)控制,因此它與一般的辦公室用局部網(wǎng)絡(luò )有所不同,具有如下的特點(diǎn):
(1) 具有快速的實(shí)時(shí)響應能力,一般辦公室自動(dòng)化計算機局部網(wǎng)絡(luò )響應時(shí)間為2-6s,而它要求0.01-0.5s
(2) 具有極高的可靠性,必須連續、準確運行,數據傳送誤碼率低于10-8—10-11,系統利用率在99.999%以上
(3) 適合于在惡劣環(huán)境下工作,能抗電源干擾、雷擊干擾、電磁干擾和低電位差干擾。
(4) 分層結構,為適應DCS的分層結構,其通訊網(wǎng)絡(luò )也必須具有分層結構,如分為現場(chǎng)總線(xiàn),車(chē)間級網(wǎng)絡(luò )系統,工廠(chǎng)級網(wǎng)絡(luò )系統等不同層次。
3、通訊網(wǎng)絡(luò )的分級體系
早期的DCS系統的通訊網(wǎng)絡(luò )都是專(zhuān)用的,DCS有幾級網(wǎng)絡(luò ),完成不同模件之間的通訊。從目前的情況來(lái)看,DCS的最多網(wǎng)絡(luò )級有四級,它們分別是I/O總線(xiàn)、現場(chǎng)總線(xiàn)、控制總線(xiàn)和DCS網(wǎng)絡(luò )。
(1) I/O總線(xiàn)
它把多種I/O信號送到控制器,由控制器讀取I/O信號,I/O模件之間并不交換數據。I/O總線(xiàn)包括并行總線(xiàn)和串行總線(xiàn)。I/O總線(xiàn)的傳輸速率是不高的,從幾十K到幾兆不等,為了快速,最好是并行總線(xiàn)。采用并行總線(xiàn),其I/O模件必須與控制器模件相鄰。若采用串行總線(xiàn),I/O模件和控制器之間的距離也要比較近才行。通常把控制器模件和I/O模件裝在一個(gè)機柜內或相鄰的機柜內。
(2) 現場(chǎng)總線(xiàn)
現場(chǎng)總線(xiàn)是90年代初發(fā)展起來(lái)的,遠程I/O應該采用現場(chǎng)總線(xiàn),如CAN、LONWORKS、HART總線(xiàn)等。在DCS系統中,遠程I/O采用HART總線(xiàn)比較多。比如現場(chǎng)的變送器,距離控制器機柜比較遠,常把16個(gè)變送器來(lái)的信號編成一組,用HART總線(xiàn)把信號送到控制器,控制器同時(shí)讀進(jìn)16個(gè)變送器來(lái)的信號。采用現場(chǎng)總線(xiàn),控制器和變送器兩者距離可達1公里以上。
(3) 控制總線(xiàn)
把完成不同任務(wù)的三種控制器連在一條總線(xiàn)上,實(shí)現控制器之間的通訊,稱(chēng)為控制總線(xiàn)。在控制總線(xiàn)上的不同控制器的數量不受限制,在這一條總線(xiàn)上除三種不同的控制器模件以外,還有DCS網(wǎng)絡(luò )的接口模件。在控制總線(xiàn)上,控制器之間可以調用數據,使得模擬量和開(kāi)關(guān)量之間的結合很好。控制總線(xiàn)不是DCS系統都具有,可以把各種控制器分別連到DCS網(wǎng)絡(luò )上,控制器之間的數據調用通過(guò)DCS網(wǎng)絡(luò )。控制總線(xiàn)的傳輸速率與I/O總線(xiàn)的傳輸速率相類(lèi)似。通常是幾十K到幾兆之間。當CPU和存儲器的能力比較強時(shí),把開(kāi)關(guān)量的邏輯運算和模擬量的采集功能都在一個(gè)控制器中完成,這樣在控制總線(xiàn)上就只有一種形式的控制器。其通訊協(xié)議類(lèi)似以太網(wǎng),采用載波監聽(tīng),令牌廣播發(fā)送。
(4) DCS網(wǎng)絡(luò )
它把現場(chǎng)控制器和人機界面連成一個(gè)系統。為了確保通訊可靠,DCS生產(chǎn)廠(chǎng)家無(wú)論是電纜,還是通訊接口,都作成冗余的,一條網(wǎng)絡(luò )發(fā)生故障,另一條備用網(wǎng)絡(luò )立即投入運行。連在DCS通訊網(wǎng)絡(luò )上的部件稱(chēng)為結點(diǎn)(節點(diǎn))。在地理位置上,結點(diǎn)可以分散配置,各結點(diǎn)的距離各DCS系統不同,有的可達幾百米。DCS網(wǎng)絡(luò )的傳輸速率在幾百K至一百兆之間,網(wǎng)絡(luò )的總長(cháng)度可達幾公里,最短也有幾百米,網(wǎng)絡(luò )不夠長(cháng)時(shí)需加中繼器。
計算機集成技術(shù)和現場(chǎng)總線(xiàn)的發(fā)展,將對DCS的結構產(chǎn)生重大影響。目前DCS的結構將受到上下肢解,上層工作站將與CIPS緊密結合,DCS將演變成CIPS 的低層部分;在現場(chǎng)級,現場(chǎng)總線(xiàn)的應用將使傳統的DCS I/O結構徹底改變。現場(chǎng)總線(xiàn)將對自控領(lǐng)域帶來(lái)深刻影響,工業(yè)控制系統的體系結構將以統一的現場(chǎng)總線(xiàn)為紐帶構成,現場(chǎng)控制系統(FCS)將是21世紀的開(kāi)放控制系統。
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