分散控制系統(tǒng)DCS選型要求 注意事項(xiàng) 選型指標(biāo)等

注重從廠商專業(yè)視角介紹DCS的基本結(jié)構(gòu)和相關(guān)知識，提供了DCS的選型原則性要求、注意事項(xiàng)、主要選型指標(biāo)等知識。注重知識的實(shí)用性和具體可操作性。同時(shí)補(bǔ)充DCS的發(fā)展歷程和發(fā)展趨勢。為工程技術(shù)人員了解各家系統(tǒng)的不同特點(diǎn)和優(yōu)勢提供學(xué)習(xí)資料。

1 DCS系統(tǒng)定義

DCS是分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System）的簡稱，中文習(xí)慣稱為集散控制系統(tǒng)。它是一個(gè)由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，綜合了計(jì)算機(jī)（Computer）、通訊（Communication）、顯示（CRT）和控制（Control）等4C技術(shù)，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態(tài)方便。

世界上第一套D C S 系統(tǒng)是由日本橫河公司（YOKOGAWA）于1975年推出的CENTUM系統(tǒng)，并在工業(yè)現(xiàn)場嘗試使用。

中國的DCS系統(tǒng)相對起步較晚，國內(nèi)的和利時(shí)公司（HOLLYSYS）率先在1993年推出國內(nèi)第一套DCS系統(tǒng)HS1000，并逐步在工業(yè)現(xiàn)場規(guī)模應(yīng)用和推廣。

2 DCS系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

·系統(tǒng)主要有現(xiàn)場控制站（I/O站）、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、人機(jī)接口單元（操作員站OPS、工程師站ENS）、機(jī)柜、電源等組成。系統(tǒng)具備開放的體系結(jié)構(gòu)，可以提供多層開放數(shù)據(jù)接口。

·硬件系統(tǒng)在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場具有高度的可靠性、維修方便、工藝先進(jìn)。底層漢化的軟件平臺具備強(qiáng)大的處理功能，并提供方便的組態(tài)復(fù)雜控制系統(tǒng)的能力與用戶自主開發(fā)專用高級控制算法的支持能力；易于組態(tài)，易于使用。支持多種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)以便適應(yīng)未來的擴(kuò)充需要。

·系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用合適的冗余配置和診斷至模件級的自診斷功能，具有高度的可靠性。系統(tǒng)內(nèi)任何組件發(fā)生故障，均不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。

·系統(tǒng)的參數(shù)、報(bào)警、自診斷及其他管理功能高度集中在CRT上顯示和在打印機(jī)上打印，控制系統(tǒng)在功能和物理上真正分散， DCS整個(gè)系統(tǒng)的可利用率至少為99.9％；系統(tǒng)平均無故障時(shí)間為10萬小時(shí)，實(shí)現(xiàn)了核電、火電、熱電、石化、化工、冶金、建材諸多領(lǐng)域的完整監(jiān)控。

·“域”的概念。把大型控制系統(tǒng)用高速實(shí)時(shí)冗余網(wǎng)絡(luò)分成若干相對獨(dú)立的分系統(tǒng)，一個(gè)分系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)域，各個(gè)域共享管理和操作數(shù)據(jù)，而每個(gè)域內(nèi)又是一個(gè)功能完整的DCS系統(tǒng)，以便更好地滿足用戶的使用。

·網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可靠性、開放性及先進(jìn)性。在系統(tǒng)操作層，采用冗余的100Mbps以太網(wǎng)；在控制層，采用冗余的100Mbps工業(yè)以太網(wǎng)，保證系統(tǒng)的可靠性；在現(xiàn)場信號處理層，12Mbps的PROFIBUS總線連接中央控制單元和各現(xiàn)場信號處理模塊（I/O模塊）。

·標(biāo)準(zhǔn)的Client/Server結(jié)構(gòu)。有的DCS的操作層采用Client/Server結(jié)構(gòu)。

·開放并且可靠的操作系統(tǒng)。系統(tǒng)的操作層采用WINDOWS NT操作系統(tǒng)；控制站采用成熟的嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)QNS以確?？刂葡到y(tǒng)的實(shí)時(shí)性、安全性和可靠性。

· 標(biāo)準(zhǔn)的控制組態(tài)軟件。系統(tǒng)采用IEC61131－3標(biāo)準(zhǔn)的控制組態(tài)工具，可以實(shí)現(xiàn)任何監(jiān)測、控制要求。

·可擴(kuò)展性和可裁剪性，保證經(jīng)濟(jì)性。

2.1 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

通常DCS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由3部分組成（不計(jì)現(xiàn)場儀表層），從上到下依次為管理網(wǎng)（MNET）、系統(tǒng)網(wǎng)（SNET）、控制網(wǎng)（CNET）。其中系統(tǒng)網(wǎng)和控制網(wǎng)都是冗余配置，管理網(wǎng)為可選網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4-1-1所示。

圖4-1-1 分散控制系統(tǒng)DCS典型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架圖

·管理網(wǎng)絡(luò)（MNET）

由100/1000M以太網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，用于控制系統(tǒng)服務(wù)器與廠級信息管理系統(tǒng)（Real MIS或者ERP）、INTERNET、第三方管理軟件等進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高級管理和共享。管理網(wǎng)絡(luò)層為可選網(wǎng)絡(luò)層。

·系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（SNET）

由100/1000M高速冗余工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，用于工程師站、操作站、現(xiàn)場控制站、通信控制站的連接，完成現(xiàn)場控制站的數(shù)據(jù)下裝。可快速構(gòu)建星型、環(huán)型或總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高速冗余的安全網(wǎng)絡(luò)，符合IEEE802.3及IEEE802.3u 標(biāo)準(zhǔn)，基于TCP/IP 通訊協(xié)議，通訊速率100/1000Mbps 自適應(yīng)，傳輸介質(zhì)為帶有RJ45連接器的5類雙絞線。

·控制網(wǎng)絡(luò)（CNET）

采用冗余現(xiàn)場總線與各個(gè)I/O 模塊及智能設(shè)備連接。實(shí)時(shí)、快速、高效地完成與現(xiàn)場通訊任務(wù)，傳輸介質(zhì)為屏蔽雙絞線或者光纜。

2.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由工程師站、操作員站、歷史站（選配）、控制站等部件組成；而控制網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由控制站和I/O模塊構(gòu)成。

·工程師站

用于完成系統(tǒng)組態(tài)、修改及下裝，包括：數(shù)據(jù)庫、圖形、控制算法、報(bào)表的組態(tài)，參數(shù)配置，操作員站、現(xiàn)場控制站及過程I/O模塊的配置組態(tài)，數(shù)據(jù)下裝和增量下裝等。

·操作員站

用于進(jìn)行生產(chǎn)現(xiàn)場的監(jiān)視和管理，包括：系統(tǒng)數(shù)據(jù)的集中管理和監(jiān)視，工藝流程圖顯示，報(bào)表打印，控制操作，歷史趨勢顯示，日志、報(bào)警記錄和管理等。

·歷史站（選配）

用于完成系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)服務(wù)和與工廠管理網(wǎng)絡(luò)交換信息等。一般在大型系統(tǒng)中需要單獨(dú)配置，小型系統(tǒng)可以采用操作員站兼顧。

·控制站

用于完成現(xiàn)場信號采集、控制和聯(lián)鎖控制算法、控制輸出、通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)和診斷結(jié)果傳送到操作員站等功能。

·I/O模塊

用于將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號、工程單位變換，模塊和通道故障診斷。通過冗余的多功能總線送給主控制器單元。

3 DCS系統(tǒng)選型的主要注意事項(xiàng)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)選型

目前DCS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念為高可靠性、高可用性相結(jié)合的設(shè)計(jì)理念；所有的核心組件全部支持冗余設(shè)計(jì)。

總體設(shè)計(jì)在硬件結(jié)構(gòu)上分為兩個(gè)流派：集中板卡式和分散模塊式。

集中板卡式：機(jī)柜先安裝機(jī)籠，I/O模塊以板卡形式插在機(jī)籠中。這種安裝方式的優(yōu)先是抗震性能好，電路板上方便布置多器件，因而通道數(shù)量較多。缺點(diǎn)是受機(jī)籠限制，安裝不靈活。因另外需要控制布置接線端子，占用空間大，只能證明布置卡件，反面布置接線端子板，需要采用專門機(jī)柜。

分散模塊式：機(jī)柜無需機(jī)籠，I/O模塊以獨(dú)立模塊形式安裝在機(jī)柜中。這個(gè)安裝方式的優(yōu)點(diǎn)是靈活方便可以在任意空間安裝、占用空間小、散熱良好。缺點(diǎn)抗震性能低于板卡式。因模塊體積小，通道數(shù)量會(huì)受限制。

隨著電子元器件的發(fā)展，小型化、智能化是發(fā)展趨勢，模塊式越來越顯示出靈活多變的優(yōu)勢，板卡式初步淘汰。因此YOKOGAWA和Honeywell都完成了由大板卡式向小模塊式的轉(zhuǎn)變， ABB全系列。Emerson的DeltaV、Invensys的I/A、Ovation等都采用分散模塊結(jié)構(gòu)。國內(nèi)的和利時(shí)的最新K系列和浙江中控的ECS700都采用分散模塊式結(jié)構(gòu)。

總體設(shè)計(jì)在軟件結(jié)構(gòu)上分為兩個(gè)流派：對等網(wǎng)結(jié)構(gòu)（P/P）和客戶/服務(wù)器C/S結(jié)構(gòu)。

對等網(wǎng)結(jié)構(gòu)（P/P）：控制站同操作員站的地位對等，通訊方式點(diǎn)對點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)是通訊不依賴于通訊節(jié)點(diǎn)，危險(xiǎn)相對分散。缺點(diǎn)是一個(gè)域的系統(tǒng)規(guī)模受限制。數(shù)據(jù)處理量也受限制。難以適合核電等超大規(guī)模系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

客戶/服務(wù)器C/S結(jié)構(gòu)：控制器和操作站的通訊通過服務(wù)器節(jié)點(diǎn)通訊。優(yōu)點(diǎn)是利于做大型和超大型系統(tǒng)，缺點(diǎn)是通訊依賴于冗余的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，對服務(wù)器的可靠性要求高。

鑒于對等網(wǎng)結(jié)構(gòu)（P/P）和客戶/服務(wù)器C/S結(jié)構(gòu)各有優(yōu)勢，最先進(jìn)的系統(tǒng)是可以混合結(jié)構(gòu)，兩種通訊結(jié)構(gòu)都支持，而且可以同時(shí)存在于一套系統(tǒng)中。如Honeywell的PKS-C300系列和和利時(shí)的MACS-K系列。既可以危險(xiǎn)分散又可適應(yīng)大規(guī)模。

3.2 硬件選型

1）控制器

控制器選擇的考慮因素主要有響應(yīng)周期、帶模塊能力和擴(kuò)展能力。運(yùn)算周期決定用于裝置需要的反應(yīng)速度；帶模塊能力決定了系統(tǒng)規(guī)模；擴(kuò)展能力決定了接第三方儀表的能力。

2）響應(yīng)周期

控制器的響應(yīng)周期包括采樣周期和運(yùn)算周期兩部分，采樣周期取決于I/O模塊采樣速度和I/O模塊總線速度。運(yùn)算周期取決于CPU運(yùn)算速度。先進(jìn)的控制器通常具備可設(shè)置不同的運(yùn)算周期以滿足控制的需要。通常為100ms、200ms、500ms、1000ms、2000ms可選，不同的控制對象可以用不同的運(yùn)算周期，是衡量控制器技術(shù)是否先進(jìn)的重要標(biāo)志。

選擇控制器的運(yùn)算速度不能只看CPU的主頻，因?yàn)椴煌南到y(tǒng)構(gòu)架，系統(tǒng)運(yùn)算的效率差別較大。目前主要有基于PowerPC、ARM和X86構(gòu)架，其中X86構(gòu)架的CPU雖然主頻很高，但運(yùn)算效率不一定很高，同樣構(gòu)架下采用RISC（Reduced Instruction-Set Computer）指令相比CISC（complex instruction set computer）指令效率更高。

對于常規(guī)控制回路要求從IO經(jīng)過PID運(yùn)算，至AO輸出的累積響應(yīng)周期最快可達(dá)到250ms、500ms和1000ms三檔，同時(shí)控制器應(yīng)具備快速控制能力，從IO經(jīng)過PID運(yùn)算，至AO輸出的累積響應(yīng)周期最快可達(dá)到120ms。

3）帶模塊能力

帶模塊能力決定了單控制站系統(tǒng)規(guī)模，大多數(shù)DCS系統(tǒng)都在60~120個(gè)范圍，市面上單模塊點(diǎn)數(shù)在模擬量8/16點(diǎn)，開關(guān)量16/32點(diǎn)。單控制站容量在600-1200點(diǎn)左右。帶模塊能力與控制響應(yīng)速度是一對矛盾，當(dāng)響應(yīng)時(shí)間短的控制場合，需要相應(yīng)減少帶模塊數(shù)量。特別要限制快速控制回路模塊數(shù)量。一般以控制器負(fù)荷不大于50%為最終要求。

4）擴(kuò)展能力

需要現(xiàn)場總線儀表接入的場合，要求控制器具備第三方總線儀表接入的能力，目前是DP總線、PA總線、Modbus總線和FF總線較為普遍。這就要求控制器具備下掛網(wǎng)關(guān)總線模塊的能力。

控制器冗余是DCS選型的必須要求，冗余切換的時(shí)間一般要求不大于2ms，這對于現(xiàn)代電子技術(shù)來說很容易，診斷電路的快速和準(zhǔn)確性，決定了切換的時(shí)間。但軟件的無擾切換直接影響現(xiàn)場設(shè)備，因此軟件輸出數(shù)據(jù)的無擾切換是才是衡量控制器冗余技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)。一般要求不大于最小控制周期。因此兩個(gè)控制器的數(shù)據(jù)同步技術(shù)是保證無擾切換的關(guān)鍵。DCS控制器冗余原理見圖4-1-2。

圖4-1-2 DCS控制器冗余原理圖

5）通訊網(wǎng)絡(luò)

控制器與人機(jī)界面操作站之間的通訊網(wǎng)絡(luò)一般由以太網(wǎng)構(gòu)成的冗余網(wǎng)絡(luò)。通訊速率為100/1000Mbps.控制站與內(nèi)部I/O模塊之間的網(wǎng)絡(luò)一般有自定義的冗余總線構(gòu)成，通訊速率為500Kbps到10Mbps不等。控制器與I/O模塊的總線分為并行總線和串行總線兩種，因串行總線在抗干擾，可擴(kuò)展性要更好，已經(jīng)形成發(fā)展大趨勢。

網(wǎng)絡(luò)具有物理層和協(xié)議層雙重隔離，通訊負(fù)荷要求不超過40%。

6）電源設(shè)計(jì)

DCS電源交流為AC220V為主，電源輸入穩(wěn)定度要求不大于10%，頻率輸入穩(wěn)定度不大于2%。DC24V電壓輸出波動(dòng)不大于5%，DC48V電壓輸出波動(dòng)不大于10%。

DCS實(shí)際分為模擬部分電源和數(shù)字部分電源兩大部分供電，要求系統(tǒng)自帶電源將模擬部分和數(shù)字部分隔離供電。電源也要求冗余供電，且要求只剩單個(gè)電源時(shí)，負(fù)載不超過額定功率的70%?，F(xiàn)場儀表設(shè)備的供電要求與DCS系統(tǒng)隔離供電。電源要求有自保護(hù)功能，局部誤接入高壓或外部設(shè)備短路，不會(huì)造成控制站電源系統(tǒng)故障，系統(tǒng)電源模塊故障次數(shù)不大于2次/年。

7）IO模塊選型

IO設(shè)計(jì)從開始推出時(shí)的單點(diǎn)卡，到后期的多點(diǎn)卡，高密度卡；系統(tǒng)的模塊采用背板插裝方式，到目前逐步采用獨(dú)立模塊設(shè)計(jì)；系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)可靠性提升，且最大便利提供用戶的易維護(hù)性。任意模塊故障不影響其他模塊，任意通道故障不影響其他通道，系統(tǒng)中I/O模塊故障次數(shù)不大于4次/年。

模塊類型應(yīng)該滿足目前國際上通用的信號采樣標(biāo)準(zhǔn)：

AI、AO、DI、DO、PI（脈沖輸入）、SOE、

RTD、TC等。

I/O卡配置原則:

控制用AI/AO卡應(yīng)1：1冗余配置。

聯(lián)鎖用DI/DO卡應(yīng)1：1冗余配置。

監(jiān)測用AI/TC/RTD通道數(shù)不超過32點(diǎn)。

監(jiān)測用脈沖通道數(shù)不超過16點(diǎn)。

DI點(diǎn)通道數(shù)不超過16點(diǎn)，來自電氣的DI必須采用繼電器隔離。

DO點(diǎn)聯(lián)鎖時(shí)卡件通道數(shù)不超過16點(diǎn)，必須采用繼電器隔離。

危險(xiǎn)氣體監(jiān)測卡需要單獨(dú)設(shè)置卡件。

系統(tǒng)一般預(yù)留20%的備用卡件，同時(shí)預(yù)留15%的擴(kuò)展空間。

全部I/O卡基于惡劣的工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)，符合EMC的設(shè)計(jì)規(guī)范，應(yīng)帶電磁隔離或光電隔離，抗干擾性符合工業(yè)環(huán)境下的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61000。有防腐需要時(shí)系統(tǒng)防腐蝕能力滿足ISA S71.04標(biāo)準(zhǔn)G3等級要求。I/O模塊需要有斷線、短路、超量程、通訊等報(bào)警功能。

需要防爆的場合，需要選配安全柵或帶本安防爆的卡件。

控制I/O模塊要求冗余配置，常用的是AI冗余有兩種原理，以Honeywell C300硬件為代表采用并聯(lián)冗余機(jī)制，原理是將電流信號通過同一個(gè)250歐姆電阻，轉(zhuǎn)換為電壓信號，再并聯(lián)兩個(gè)測電壓模塊同時(shí)測量，同時(shí)送控制器，由控制器挑選品質(zhì)好的模塊運(yùn)算。并聯(lián)式冗余示意圖如圖4-1-3。

圖4-1-3 I/O模塊并聯(lián)式冗余示意圖

以Yokogawa CS3000、Emerson DeltaV為代表的采用切換式冗余機(jī)制，原理是冗余的模塊內(nèi)藏切換開關(guān)，只有主模塊開關(guān)才接通，備用模塊開關(guān)不接通。切換式冗余示意圖如下：

圖4-1-4 I/O模塊切換式冗余示意圖

并聯(lián)式冗余和切換式冗余各有利弊：并聯(lián)式冗余優(yōu)點(diǎn)是不存在切換后重新建立穩(wěn)態(tài)的時(shí)間，響應(yīng)速度快，缺點(diǎn)是共用一個(gè)取樣電阻，危險(xiǎn)集中，一旦該電阻損壞，兩個(gè)模塊都不起作用了。另外取樣電阻同模塊分離，精度和穩(wěn)定性控制難度大。切換式冗余優(yōu)點(diǎn)是危險(xiǎn)分散，沒有共用器件。取樣在模塊內(nèi)部一體化，精度和穩(wěn)定性高。缺點(diǎn)是切換后需要重新建立穩(wěn)態(tài)工作環(huán)境，時(shí)間比并聯(lián)式長。

現(xiàn)場總線通訊模塊主要包括：

1）Serial Card串行通訊模塊，主要用于Modbus等協(xié)議通訊。

2）Foundation FieldBus Card FF總線通訊模塊。

3）ProfiBus DP/PA Card ，用于DP/PA總線通訊。

4）Wireless Communication Card，用于無線儀表通訊。

5）DeviceNet和AS-Interface，工廠自動(dòng)化主流現(xiàn)場總線。

現(xiàn)場總線模塊需要同第三方總線設(shè)備進(jìn)行兼容性測試通過后，才能選型具體總線儀表，否則將有通訊不兼容風(fēng)險(xiǎn)。同傳統(tǒng)儀表不同，總線儀表在使用過程中，與通訊模塊的配合升級將難以避免。因此維護(hù)工作需要較高的水平。

3.3 軟件選型

1）組態(tài)管理軟件

組態(tài)軟件用來配置、部署和管理整個(gè)DCS系統(tǒng)，承擔(dān)組態(tài)流程中主要的組態(tài)過程。離線組態(tài)軟件包括工程總控、圖形編輯、控制邏輯組態(tài)軟件、報(bào)表組態(tài)軟件等，以及完成工程的編譯、下裝、項(xiàng)目管理、工程管理等功能。組態(tài)管理軟件應(yīng)該符合IEC61131-3的控制算法編程軟件，支持CFC、SFC、LD、ST組態(tài)語言，支持用戶自定義各類功能塊和腳本語言。任何組態(tài)修改均可在線完成，包括對控制算法、硬件配置的增加、刪除、修改，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、圖形組態(tài)、系統(tǒng)配置等各項(xiàng)組態(tài)內(nèi)容，都可以做到現(xiàn)場不停車無擾下裝與修改，大大提高系統(tǒng)的可維護(hù)性以及可用性。組態(tài)軟件需關(guān)注控制功能的完善程度，如報(bào)警診斷、自定義、自整定、優(yōu)化算法、復(fù)雜算法、行業(yè)應(yīng)用包等。

2）在線運(yùn)行軟件

監(jiān)控系統(tǒng)面向操作者，以模擬流程圖、棒狀圖、數(shù)值表、趨勢曲線、報(bào)表、按鈕、對話框等方式為用戶提供數(shù)據(jù)，執(zhí)行操作指令并發(fā)送至現(xiàn)場控制站。監(jiān)控系統(tǒng)面向操作者，以模擬流程圖、棒狀圖、數(shù)值表、趨勢曲線、報(bào)表、按鈕、對話框等方式為用戶提供數(shù)據(jù)，執(zhí)行操作指令并發(fā)送至現(xiàn)場控制站。在線允許軟件需關(guān)注支持的系統(tǒng)規(guī)模、人機(jī)界面優(yōu)化性、報(bào)警診斷完善、操作質(zhì)量下發(fā)指令實(shí)時(shí)性、畫面響應(yīng)時(shí)間、歷史存儲(chǔ)數(shù)量和時(shí)間等參數(shù)。

通過監(jiān)控系統(tǒng)，操作者和工程師可以完成：監(jiān)控自動(dòng)控制過程，實(shí)時(shí)人工干預(yù)，自動(dòng)打印或者按需求打印工作報(bào)表等任何所需資料，還可以通過廠級監(jiān)控的MIS等網(wǎng)絡(luò)將畫面和數(shù)據(jù)提供給管理者?？梢酝瓿蓪?shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示、過程自動(dòng)控制、順序控制、高級控制、報(bào)警和日志檢測、監(jiān)視、操作，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、統(tǒng)計(jì)、顯示、打印等處理。

3）控制器軟件

用來完成現(xiàn)場信號采集、工程單位變換、控制和聯(lián)鎖控制算法、控制輸出、通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)和診斷結(jié)果傳送到操作員站等功能。

4）輔助軟件

用于完成DCS系統(tǒng)的一些輔助組態(tài)和系統(tǒng)查詢、管理功能，包括：OPC通訊軟件、歷史離線查詢工具、系統(tǒng)升級工具、軟件版本管理工具、系統(tǒng)仿真軟件、授權(quán)管理工具等。

4 DCS系統(tǒng)的歷史變遷與發(fā)展趨勢

自從Honeywell和YOKOGAWA在１９７５年推出DCS系統(tǒng)以后，DCS系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)歷了近４０年的時(shí)間，過程自動(dòng)化控制系統(tǒng)也發(fā)生了翻天覆地的變化，且一直跟隨信息化以及IT技術(shù)的快速發(fā)展而發(fā)展；在此我們必須了解歷史，并預(yù)知未來。

4.1 １９７５年之前

在DCS系統(tǒng)推出以前，過程工業(yè)控制還停留在過程儀表自動(dòng)化控制的階段，且經(jīng)歷了氣動(dòng)儀表，電動(dòng)儀表的發(fā)展變遷中，整個(gè)過程控制自動(dòng)化水平很低，維護(hù)和操作人員工作繁重，且人為操作失誤較多；無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的過程控制，更談不上先進(jìn)或優(yōu)化算法控制，生產(chǎn)效率低下，裝置能耗高，生產(chǎn)成本和維護(hù)成本很高。

4.2 １９７５～１９８５年之間

這是DCS飛速發(fā)展階段，呈現(xiàn)出百花齊放的現(xiàn)象，從YOKOGAWA和Honeywell相繼推出集散控制系統(tǒng)DCS以來，取得了良好的應(yīng)用業(yè)績和應(yīng)用效果，實(shí)現(xiàn)了集散控制的概念，集中操作和管理，各回路和設(shè)備之間更加協(xié)調(diào)運(yùn)行，提高了運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，分散控制，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)分散和隔離，易于設(shè)備的安裝和維護(hù)。

YOKOGAWA的DCS系統(tǒng)發(fā)展歷程如圖4-1-5。

圖4-1-5 YOKOGAWA的DCS系統(tǒng)發(fā)展歷程

YOKOGAWA的CS3000系統(tǒng)主要特點(diǎn)是穩(wěn)定可靠，主要業(yè)績在大型化工，在電廠、冶金、建材等行業(yè)應(yīng)用業(yè)績相對較少。在信息化整合應(yīng)用上相對保守，不如歐美系統(tǒng)激進(jìn)。

YOKOGAWA的CS3000系統(tǒng)近年主要變化是，將原來的大板卡變位小模塊，同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)上將原來的專用V-NET網(wǎng)（同軸電纜）取消，合并到以太網(wǎng)中。

Honeywell的DCS系統(tǒng)發(fā)展歷程如圖4-1-6。

圖4-1-6 Honeywell的DCS系統(tǒng)發(fā)展歷程

Honeywell系統(tǒng)的主要特征是整合信息化能力強(qiáng)，強(qiáng)調(diào)全廠一體化集成解決方案。主要用于石化、化工行業(yè)。幾乎不涉及電廠。

Honeywell的PKS系統(tǒng)主要變化是將硬件由大板卡（PM）換成了模塊結(jié)構(gòu)（C300），但中間經(jīng)歷了不太成功的C200硬件變更。C200實(shí)際采用AB（Allen Bradley）硬件系統(tǒng)集成。

Invensys在1987年推出其I/A系列DCS控制系統(tǒng)，Invensys實(shí)際是收購了Foxboro I/A系統(tǒng)。在化工和電廠都涉及，但業(yè)績都不靠前。發(fā)展歷程如圖4-1-7。

圖4-1-7 Invensys的DCS發(fā)展歷程

Emerson公司有兩套系統(tǒng)，DeltaV用于化工，Ovation用于電廠。是兩大行業(yè)業(yè)績都靠前的DCS廠商。

ABB公司的AC800系統(tǒng)在建材、造紙、冶金占有相當(dāng)高地位。另一套收購原貝利的NF90系統(tǒng)主要用于電廠，因時(shí)間太久逐步處于退役期。

國內(nèi)最有影響力的DCS廠商是和利時(shí)、浙江中控、國電智深、南京科遠(yuǎn)等。浙江中控主要業(yè)績在石化和化工，電廠幾乎不涉及。國電智深主要在國電系統(tǒng)內(nèi)大型電廠使用。南京科遠(yuǎn)主要業(yè)績在小型熱電。國內(nèi)的和利時(shí)公司是唯一同時(shí)在化工和電廠兩大領(lǐng)域領(lǐng)先的DCS供應(yīng)商。也是國內(nèi)唯一在美國NASDAQ上司的DCS廠商?？上驳氖菄鴥?nèi)DCS公司中,和利時(shí)和浙江中控已經(jīng)具備可以與國外DCS公司同質(zhì)同價(jià)競爭資格了，3年前還允許國外公司比國內(nèi)公司高10-20%中標(biāo)，現(xiàn)在國外公司報(bào)價(jià)甚至比國內(nèi)公司還要低。如在電廠競標(biāo)中，雖然Emerson的Ovation口碑最好，但現(xiàn)場總線技術(shù)不領(lǐng)先，Siemens現(xiàn)場總線技術(shù)很強(qiáng)，但在電廠DCS系統(tǒng)口碑不占優(yōu)勢，而和利時(shí)系統(tǒng)同時(shí)具備良好的電廠應(yīng)用口碑和強(qiáng)大的現(xiàn)場總線技術(shù)能力，反而綜合實(shí)力超過這兩家。

和利時(shí)公司（Hollysys）率先在1993年推出國內(nèi)第一套DCS系統(tǒng)HS1000，和利時(shí)DCS發(fā)展歷程如圖4-1-8。

圖4-1-8 和利時(shí)DCS發(fā)展歷程

歷經(jīng)20年后，在吸收國內(nèi)外優(yōu)秀DCS的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合20年來上萬個(gè)現(xiàn)場的使用經(jīng)驗(yàn)，于2012年初推出了新一代MACS-K系列DCS系統(tǒng)，如圖4-1-9，代表了DCS發(fā)展的新趨勢。

圖4-1-9 和利時(shí)新一代MACS-K系列DCS系統(tǒng)

MACS-K系列具備如下特點(diǎn)：

·高可靠的設(shè)計(jì)理念

采用安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，如信號增加質(zhì)量位的判斷、故障導(dǎo)向安全，提高系統(tǒng)可靠性。意外情況下的安全處理措施，是可靠性性設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

·多重隔離技術(shù)

系統(tǒng)總線和模塊之間采用光電隔離；采用系統(tǒng)電源和現(xiàn)場電源隔離供電；模塊的通道之間電氣隔離；網(wǎng)絡(luò)具有物理層和協(xié)議層雙重隔離。故障不擴(kuò)散原則是隔離技術(shù)的目標(biāo)。

·適應(yīng)惡劣環(huán)境

系統(tǒng)基于惡劣的工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)，符合EMC的設(shè)計(jì)規(guī)范，抗干擾性符合工業(yè)環(huán)境下的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61000，系統(tǒng)防腐蝕能力滿足ISA S71.04標(biāo)準(zhǔn)G3等級要求。

·網(wǎng)絡(luò)全性技術(shù)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用確定性實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通訊協(xié)議，標(biāo)配帶防火墻的交換機(jī)，保證網(wǎng)絡(luò)安全；控制器CPU采用PowerPC構(gòu)架工業(yè)級芯片，基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，內(nèi)置防網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴組件；采用多比特位表示開關(guān)量和信號質(zhì)量判斷，故障倒向安全。

·全面診斷技術(shù)

現(xiàn)場控制站和I/O模塊均為帶有智能診斷單元，每個(gè)單元均可完成自診斷，所有類型的故障，如通信、斷線、短路、超量程，都可以被檢測并及時(shí)上報(bào)給操作員站。

·失效安全技術(shù)

邏輯計(jì)算之前進(jìn)行信號質(zhì)量驗(yàn)證，故障時(shí)輸出可以自動(dòng)切換到預(yù)先設(shè)定的安全值。使用多個(gè)bit位代表0/1進(jìn)行容錯(cuò)，支持ECC內(nèi)存錯(cuò)誤檢測。整個(gè)系統(tǒng)遵循安全設(shè)計(jì)理念。

·全冗余設(shè)計(jì)理念

系統(tǒng)的各個(gè)組件，包括歷史站、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、控制網(wǎng)絡(luò)、控制器、電源模塊、I/O模塊均可冗余配置。

·電磁兼容

系統(tǒng)基于惡劣的工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)，抗電磁干擾符合IEC61000，全部模塊均通過CE認(rèn)證。

·先進(jìn)的系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)支持P-TO-P（對等網(wǎng)）、C/S（客戶機(jī)/服務(wù)器）、P-TO-P和C/S（混合）3種系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。支持星形、環(huán)型或總線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工業(yè)以太網(wǎng)連接。

·現(xiàn)場總線技術(shù)

兼容各種現(xiàn)場總線，支持HART、PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、MODBUS等各類協(xié)議。

·人因工程技術(shù)

系統(tǒng)軟件功能與HMI人機(jī)界面全面采用人因工程分析技術(shù)，做到軟件易用、好用、甚至行業(yè)技術(shù)人員免學(xué)習(xí)即可直接上手；軟件設(shè)計(jì)充分考慮避免人為錯(cuò)誤的產(chǎn)生。系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮用戶使用方便，易維護(hù)、易更換，提供了完善的系統(tǒng)狀態(tài)和診斷信息。全部硬件模塊具備硬件熱插拔、在線下裝和在線電子維護(hù)手冊，為客戶提供了方便且安全的現(xiàn)場維護(hù)，沒有任何導(dǎo)致非?；蚋蓴_生產(chǎn)的過程。

·遵循國際標(biāo)準(zhǔn)

符合IEC61131-3的控制算法編程軟件，支持CFC、SFC、LD、ST組態(tài)語言，支持用戶自定義各類功能塊和腳本語言。

·全面的在線組態(tài)功能

MACS -K系統(tǒng)的任何組態(tài)修改均可在線完成，包括對控制算法、硬件配置的增加、刪除、修改，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、圖形組態(tài)、系統(tǒng)配置等各項(xiàng)組態(tài)內(nèi)容，都可以做到現(xiàn)場不停車無擾下裝與修改，大大提高系統(tǒng)的可維護(hù)性以及可用性。

·支持大型系統(tǒng)應(yīng)用

MACS -K系統(tǒng)支持多域結(jié)構(gòu)，最大支持15個(gè)域，最大可支持983025個(gè)數(shù)據(jù)庫點(diǎn)。MACS -K系統(tǒng)支持多工程師站協(xié)同組態(tài)功能，在超大型項(xiàng)目實(shí)施過程中可以保證多人同時(shí)協(xié)同工作。

·保護(hù)用戶既有投資

MACS -K系統(tǒng)向前兼容和利時(shí)工作的FM、SM系列I/O模塊，方便老系統(tǒng)升級，以及可以與和利時(shí)公司的舊版本軟件多域混合使用，保護(hù)老用戶投資成本。

·可提供整體解決方案

MACS -K系統(tǒng)可以與和利時(shí)的其他產(chǎn)品，包括：AMS（資產(chǎn)管理系統(tǒng)）、遵循國際標(biāo)準(zhǔn)符合IEC61131-3的控制算法編程軟件，支持CFC、SFC、LD、ST組態(tài)語言，支持用戶自定義各類功能塊和腳本語言。

·全面的在線組態(tài)功能

MACS -K系統(tǒng)的任何組態(tài)修改均可在線完成，包括對控制算法、硬件配置的增加、刪除、修改，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、圖形組態(tài)、系統(tǒng)配置等各項(xiàng)組態(tài)內(nèi)容，都可以做到現(xiàn)場不停車無擾下裝與修改，大大提高系統(tǒng)的可維護(hù)性以及可用性。

·支持大型系統(tǒng)應(yīng)用

MACS -K系統(tǒng)支持多域結(jié)構(gòu)，最大支持15個(gè)域，最大可支持983025個(gè)數(shù)據(jù)庫點(diǎn)。MACS -K系統(tǒng)支持多工程師站協(xié)同組態(tài)功能，在超大型項(xiàng)目實(shí)施過程中可以保證多人同時(shí)協(xié)同工作。

·保護(hù)用戶既有投資

MACS -K系統(tǒng)向前兼容和利時(shí)工作的FM、SM系列I/O模塊，方便老系統(tǒng)升級，以及可以與和利時(shí)公司的舊版本軟件多域混合使用，保護(hù)老用戶投資成本。

·可提供整體解決方案

MACS -K系統(tǒng)可以與和利時(shí)的其他產(chǎn)品，包括：AMS（資產(chǎn)管理系統(tǒng)）、BATCH（批量控制）、APC（先進(jìn)過程控制）、SIS（安全儀表系統(tǒng)）、MES（生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)）、OTS（操作員仿真培訓(xùn)系統(tǒng)）進(jìn)行無縫集成，為用戶提供整體解決方案。

2012年，和利時(shí)集團(tuán)自主研發(fā)的、中國第一套擁有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的安全儀表系統(tǒng)，通過德國萊茵技術(shù)監(jiān)督協(xié)會(huì)TUV（Rheinland Industrie Service GmbH）的SLI3認(rèn)證，標(biāo)志著國外長期壟斷的SIS（安全儀表系統(tǒng)）被和利時(shí)打破。和利時(shí)SIS系統(tǒng)采用三取二帶診斷構(gòu)架（3OO2D）,外形如圖4-1-10。

圖4-1-10 和利時(shí)SIS系統(tǒng)

受信息技術(shù)（網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、各種組態(tài)軟件技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等）發(fā)展的影響，以及用戶對先進(jìn)的控制功能與管理功能需求的增加，各DCS廠商（以Honeywell、Emerson、Foxboro、橫河、ABB為代表，國內(nèi)以和利時(shí)、浙江中控為代表）紛紛提升DCS系統(tǒng)的技術(shù)水平，并不斷地豐富其內(nèi)容。 DCS的體系結(jié)構(gòu)主要分為四層結(jié)構(gòu)：現(xiàn)場儀表層、控制裝置單元層、工廠（車間）層和企業(yè)管理層。一般DCS廠商主要提供除企業(yè)管理層之外的3層功能，而企業(yè)管理層則通過提供開放的數(shù)據(jù)庫接口，連接第三方的管理軟件平臺（ERP、CRM、SCM等）。所以說，當(dāng)今DCS主要提供工廠（車間）級的所有控制和管理功能，并集成企業(yè)的信息管理功能。 信息和集成基本描述了當(dāng)今DCS系統(tǒng)正在發(fā)生的變化。用戶已經(jīng)可以采集整個(gè)工廠車間和過程的信息數(shù)據(jù)，但是用戶希望這些大量的數(shù)據(jù)能夠以合適的方式體現(xiàn)，并幫助決策過程，讓用戶以他明白的方式，在方便的地方得到真正需要的數(shù)據(jù)。 信息化體現(xiàn)在各DCS系統(tǒng)已經(jīng)不是一個(gè)以控制功能為主的控制系統(tǒng)，而是一個(gè)充分發(fā)揮信息管理功能的綜合平臺系統(tǒng)。DCS提供了從現(xiàn)場到設(shè)備，從設(shè)備到車間，從車間到工廠，從工廠到企業(yè)集團(tuán)整個(gè)信息通道。這些信息充分體現(xiàn)了全面性、準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性、系統(tǒng)性和安全性。

隨著伊朗核電站遭受到Stuxnet病毒攻擊，出現(xiàn)了專門正對工業(yè)控制系統(tǒng)的病毒。因此工業(yè)系統(tǒng)的安全性變成了DCS發(fā)展的空前新要求，強(qiáng)調(diào)從網(wǎng)絡(luò)安全，系統(tǒng)安全，模塊安全，設(shè)備安全，由上而下的整套分層安全方案。對應(yīng)開發(fā)有邊界防火墻（用于同第三方系統(tǒng)相連），分布式防火墻（用于控制器與操作站之間），帶網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴抑制和包過濾交換機(jī)，帶內(nèi)置防網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴組件控制器，基于白名單處理的操作員站防病毒軟件等設(shè)備。

隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，傳統(tǒng)I/O采集技術(shù)和現(xiàn)場總線結(jié)合應(yīng)用將是DCS應(yīng)用的大勢所趨。傳統(tǒng)I/O采集技術(shù)具有穩(wěn)定、可靠、易用、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，但信息量和診斷功能受限制。現(xiàn)場總線技術(shù)具備信息量大、診斷完善和布線方便的特性，適合DCS連接大型多功能智能化設(shè)備。因此國外honeywell、Emerson、ABB、Siemens，國內(nèi)的和利時(shí)、浙江中控在現(xiàn)場總線應(yīng)用發(fā)展較好。相比而言，國內(nèi)的其他公司才剛起步。

隨著不同行業(yè)的細(xì)化要求，用戶希望DCS供應(yīng)商不止只提供一套設(shè)備，更要求提供一整套行業(yè)化整體解決方案，推出了行業(yè)定制包功能，致力于行業(yè)的節(jié)能減排，提升產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。售后服務(wù)方面：傳統(tǒng)的現(xiàn)場服務(wù)正在退化，支持遠(yuǎn)程訪問、遠(yuǎn)程診斷數(shù)據(jù)提取和遠(yuǎn)程優(yōu)化調(diào)整的遠(yuǎn)程云服務(wù)平臺在大型DCS廠家興起。