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仪表自动化实训系统(霍尼韦尔DCS系统)-选购指南
更新时间：2023-12-20
点击次数：625
集散控制系统（Distributed Control System）亦称分布式控制系统（简称DCS），是结合多种先进技术而形成的，对生产过程进行集中监测、操作、管理和分散控制的一种控制技术，是随着现代大型工业生产自动化的不断发展和过程控制要求的日益复杂应运而生的一种综合控制系统，是完成过程控制、过程管理的现代化设备。
集散控制系统是4C 技术的产物。这4C 就是指控制技术（Control）、计算机技术（Computer）、通信技术（Communication）、和CRT（Cathode Ray Tube）技术。DCS通常采用若干个控制器（过程站）对一个生产过程中的众多控制点进行控制，各控制器间通过网络连接并可进行数据交换。操作采用计算机操作站，通过网络与控制器连接，收集生产数据，传达操作指令。DCS系统既不同于分散的仪表控制，又不同于集中式计算机控制系统，是4C 技术相互渗透发展而产生的。
基本原理：控制分散、管理集中
过程控制设备的发展历史，大概有以下几个阶段：30年代——机械式仪表现场操作；40年代——大型气动式仪表控制室操作；50年代——气动单元组合仪表控制室操作；60年代——电动单元组合仪表；70年代——集散控制系统。即经过了就地分散控制――模拟仪表集中控制――计算机集中控制――计算机分散控制（DCS）几个阶段。
集散控制系统从诞生之日起，已经历了三代，目前的第四代正在发展之中。
DCS开创期：1975～1980年
l 代表产品：Honeywell，TDC2000
l FOXBORO，Spectrum
l Baily，N-90
l 横河，CENTUM
这些第一代的集散控制系统以微处理器为基础的过程控制单元，实现多种控制功能算法，并实现分散控制；采用带显示器的操作站，与过程控制单元分离，实现集中监视、集中操作、信息综合管理；采用较先进的冗余通信系统、用同轴电缆作为传输媒质，实现控制单元与操作站的通信，已具有DCS的基本特点（即分散控制，集中管理），是DCS的雏形。
l DCS成长过渡期：1980～1985年
l 代表产品：Honeywell，TDC2000
l FOXBORO，Spectrum
l Baily，N-90
l 横河，CENTUM
第二代的主要特点是在原来产品的基础上进行改进，进一步提高可靠性并扩展和增强了功能。
其特点是采用模块化、标准化设计，数据通信向标准化迁移，板级模块化，单元结构化，使之具有更强适应性和可扩充性；新开发的多功能过程控制站、增强型操作站采用了16位CPU及高分辨率CRT技术；通信系统已采用局域网络（从主从式的星形变为总线网络或环网通信），使系统通信范围扩大，同时数据传输速率也大大提高；控制功能更加完善，它能实现过程控制、数据采集、顺序控制和批量控制功能。
其基本结构由六部分组成，即局域网络、多功能现场控制站、增强型操作站、主计算机、网络连接器和系统管理站等。
DCS完善期：80年代中后期
代表产品：Honeywell，TDC3000
l FOXBORO，I/A SERIES
l Baily，INFI-90
l Moore ，PACS
这阶段的特点是向开放式、标准化方向发展，实现了开放式的系统通信，向上能与 MAP 和 Ethernet 接口，或者通过网间连接器与其它网络联系，构成复合管理系统，并与不同制造商的产品能进行数据通信；向下支持现场总线，它使得过程控制或车间的智能变送器、执行器和本地控制器之间能实现可靠的实时数据通信。
开放系统是第三代集散控制系统主要特征。根据X/OPEN协会的定义，以规范化与实际存在的接口标准为依据而建立的计算机系统、网络系统及相关的通信系统，这些标准可为各种应用系统的标准平台提供软件的可移植性、系统的互操作性、信息资源管理的灵活性和更大的可选择性。
开放系统的基本特征如下：
可移植性（portability）
互操作性（interoperability）
可适宜性（scalability）
可得到性（availability）
DCS管控一体化时期：90年代初至今
代表产品：Honeywell，TPS系统（Total Plant System）
PKS系统(Process knowledge System)
横河，CENTUM－CS
ABB，ADVANT系统OCS开放控制系统
当今的 DCS是生产过程控制系统与信息管理系统紧密结合的“管控一体化"的新一代集散型控制系统。由于工厂、企业的信息集成和管理已经提到一定的高度，DCS 系统的功能已不再只局限于生产过程的控制，在整个工厂、集团公司的管理中，DCS 也能发挥相应的作用。
DCS的结构是一个分布式系统，从整体逻辑结构上讲，是一个分支树结构。其纵向结构分为过程控制级、控制管理级和生产管理级三级递阶结构。过程控制级主要由过程控制站、I/O单元和现场仪表组成，是系统控制功能的主要实施部分。操作管理级包括：操作员站和工程师站，完成系统的操作和组态。生产管理级主要是指工厂管理信息系统（MIS系统），作为DCS更高层次的应用，目前国内应用到这一层的系统较少。整个系统由3 部分构成，即集中管理部分、分散控制监测部分和网络通信部分。
过程控制级（直接控制级）
在这一级上，过程控制计算机直接与现场各类装置（变送器、执行器、记录仪等）相连，对所连接的装置实施检测与控制，同时接收上层来的管理信息，并向上层传递装置的特性数据和采集到的实时数据。
过程控制级是集散控制系统的基础，其主要功能有：
（1）进行过程数据采集：现场检测模拟量、数字量和脉冲量的输入/输出并进行转换处理，控制运算结果的直接输出。
（2）进行直接的数字过程控制：根据控制组态数据库中的控制算法模块，各种控制回路的运算(回路调节、逻辑运算等等)，来实施对实时过程量的控制。
（3）进行设备监测和系统的测试和诊断：把过程变量和状态信息提取后，分析是否可以接受以及是否允许向高层传输，进而确定是否对被控装置实施调节；必要时实施报警、错误或诊断报告等措施。
（4）实施安全性、冗余化方面的措施：一旦发现故障，就立即实施备用件的切换。
过程管理级
在这一级上的过程管理计算机主要有监控计算机、操作站、工程师站。它综合监视过程各站的所有信息，集中显示操作，控制回路组态和参数修改，优化过程处理等。这一层的具体功能有：优化过程控制、自适应回路控制、优化单元内各装置
工程师站：负责系统的管理、控制组态、系统的生成与下装；
操作员站：是人机接口，由PC机系统(含CRT、键盘、打印机)负责生产工艺的操作控制、过程状态显示、报警状态显示、实时数据和历史数据的显示、打印等；
上位机：即管理计算机，它实现生产调度管理、优化计算、生产经营管理与分析决策等层次的管理和计算。
产品管理级（生产管理级）
在这一级上的管理计算机根据产品各部件的特点，协调各单元级的参数设定，是产品的总体协同员和控制器，负责厂级的生产调度和优化。
要求根据用户的订货情况、库存情况、能源情况来规划各单元中的产品结构和规模，并可对产品重新计划，随时更改产品结构。对于综合全厂生产和产品监视，以及产品报告也都在这一层实现，并与上层交换传递数据。具体有：规划产品结构和规模；产品监视；产品报告；工厂生产监视。
目前，世界上的DCS生产厂家很多，不同的系统采用的计算机硬件差别很大。DCS的硬件系统是通过网络将不同数目的现场控制站、操作员站和工程师站连接起来，共同完成各种采集、控制、显示、操作和管理功能。
DCS的控制决策是由过程控制站完成的，所以控制程序是由过程控制站执行的。DCS的过程控制站是一个完整的控制系统，主要由电源、控制器、网络接口和I/O组成
1、电源
DCS具有效率高、稳定性好、无干扰的交流供电系统。每一个现场控制站采用交流双电源供电。在石油、化工等对控制连续性要求特别高的场合，要求设置不间断供电电源（UPS），UPS的供电时间由负载用电量与蓄电池容量所确定。用户应在选型时根据装置在停电后必须保持正常控制的时间，确定电池的容量。
2、操作站
DCS操作站一般分为操作员站和工程师站两种。其主要功能为过程显示和控制、系统生成与诊断、现场数据的采集和恢复显示等。
几乎所有的DCS都支持多种组态功能，包括数据库的生成、历史记录的创建、生产流程画面的生成、生产记录报表的生成、连续控制回路的组态、顺序控制的组态等，这些组态功能通常在工程师站上完成。
l 3、I/O通道
控制系统需要建立信号的输入和输出通道，这就是I/O通道。DCS中的I/O通道一般是模块化的，一个I/O模件上有一个或多个I/O通道，用来连接传感器和执行器（调节阀）。
常见的信号有模拟量信号和数字量信号。模拟量是指连续变化的信号（如4~20mA,0~5V）；数字量是只有开关状态的信号。
DCS系统常用的I/O模件有：
（1）模拟量输入模件
模拟量输入模件接收由现场送来的模拟量信号，对信号的量程、零点进行校正和调整，并将其转换为数字量，转换为工程单位，然后经I/O总线传送给处理器模件。
（2）模拟量输出模件
模拟量输出模件的作用是把处理器模件输出的控制量信号转化成具有一定带负载能力的电压或电流信号，输出到现场的执行机构，以实现对生产过程的控制。
（3）开关量输入模件
开关量输入模件接收由现场输入的开关量信号，对其进行预处理之后，将反映开关量状态变化的数字量信号经I/O总线送往处理器模件。
开关量输入模件由输入隔离电路、阈值判别电路、控制逻辑电路、模件状态监测电路、I/O总线接口等部分组成。
（4）开关量输出模件
开关量输出模件通过I/O总线接收处理器模件输出的开关量信号，经该模件输出，以便控制现场的开关量控制设备。
开关量输出模件由输出寄存器、输出选择器、输出驱动电路、状态缓存器、故障控制逻辑、故障状态寄存器、总线故障监测电路等部分所组成。
（5）脉冲量输入模件
脉冲量输入模件的作用是将来自生产过程中的脉冲量信号进行处理，存储并通过I/O总线传送给处理器模件。一个脉冲量输入模件可以接收多个脉冲量输入信号。
软件是DCS的重要组成部分，一个基本的过程控制计算机系统的软件可分为两个部分：系统软件（又称计算机系统软件）和应用软件（又称过程控制软件）。但由于DCS的分布式结构，又增加了诸如通信管理软件、组态生成软件以及诊断软件等。
通过专用的软件定义系统的过程就是组态（configuration）。定义过程站各模块的排列位置和类型的过程叫过程站硬件组态；定义过程站控制策略和控制程序的过程叫控制策略组态；定义操作员站监控程序的过程叫操作员站组态；定义系统网络连接方式和各站地址的过程叫网络组态。
为了提高系统的可靠性，DCS系统重要设备、对全局系统有影响的公共设备上常采用冗余结构，这是指系统中一些关键模块或网络在设计上有一个或多个备份，当现在工作的部分出现问题时，系统可以通过特殊的软件或硬件自动切换到备份上，从而保证了系统不间断工作。通常设计的冗余方式包括：CPU冗余、网络冗余、电源冗余。在情况下，一些系统会考虑全系统冗余，即还包括I/O冗余。
与冗余不同，I/O余量只是系统中I/O数量大于应用的要求，这种余量只是数量上的，主要目的是使系统今后有继续加入控制信号的可能。
1、什么是DCS？
DCS是分布式控制系统的英文缩写（Distributed Control System），在国内自控行业又称之为集散控制系统。
2、 DCS有什么特点？
DCS是计算机技术、控制技术、网络技术和CRT技术高度结合的产物。DCS通常采用若干个控制器（过程站）对一个生产过程中的众多控制点进行控制，各控制器间通过网络连接并可进行数据交换。操作采用计算机操作站，通过网络与控制器连接，收集生产数据，传达操作指令。因此，DCS的主要特点归结为一句话就是：分散控制集中管理。
3、 DCS的结构是怎样的？
从结构上划分，DCS包括过程控制级、操作管理级和生产管理级。过程控制级主要由过程控制站、I/O单元和现场仪表组成，是系统控制功能的主要实施部分。操作管理级包括：操作员站和工程师站，完成系统的操作和组态。生产管理级主要是指工厂管理信息系统（MIS系统），作为DCS更高层次的应用，目前国内应用到这一层的系统较少。
4、 DCS的控制程序是由谁执行的？
DCS的控制决策是由过程控制站完成的，所以控制程序是由过程控制站执行的。
5、过程控制站的组成如何?
DCS的过程控制站是一个完整的控制系统，主要由电源、控制器、网络接口和I/O组成
6、 I/O是什么？
控制系统需要建立信号的输入和输出通道，这就是I/O。DCS中的I/O一般是模块化的，一个I/O模块上有一个或多个I/O通道，用来连接传感器和执行器（调节阀）。
7、什么是I/O单元？
通常，一个过程控制站是有几个机架组成，每个机架可以摆放一定数量的模块。CPU所在的机架被称为CPU单元，同一个过程站中只能有一个CPU单元，其他只用来摆放I/O模块的机架就是I/O单元。
8、I/O单元和CPU单元是如何连接的？
I/O单元与CPU是通过现场总线连接的。
9、什么是组态？
通过专用的软件定义系统的过程就是组态（configuration）。定义过程站各模块的排列位置和类型的过程叫过程站硬件组态；定义过程站控制策略和控制程序的过程叫控制策略组态；定义操作员站监控程序的过程叫操作员站组态；定义系统网络连接方式和各站地址的过程叫网络组态。
11、什么是模拟量和数字量？
模拟量是指连续变化的信号（如4~20mA,0~5V）；数字量是只有开关状态的信号。
12、I/O信号是如何分类的？
常用的I/O信号一般分为：AI、AO、DI和DO。
AI--模拟量输入信号
AO--模拟量输出信号
DI--数字量输入信号
DO--数字量输出信号
13、什么是DCS的开放性？
DCS的开放性是指DCS能通过不同的接口方便地与第三方系统或设备连接，并获取其信息的性能。这种连接主要是通过网络实现的，采用通用的、开放的网络协议和标准的软件接口是DCS开放性的保障。
14、什么是系统冗余？
在一些对系统可靠性要求很高的应用中，DCS的设计需要考虑热备份也就是系统冗余，这是指系统中一些关键模块或网络在设计上有一个或多个备份，当现在工作的部分出现问题时，系统可以通过特殊的软件或硬件自动切换到备份上，从而保证了系统不间断工作。通常设计的冗余方式包括：CPU冗余、网络冗余、电源冗余。在情况下，一些系统会考虑全系统冗余，即还包括I/O冗余。
15、什么是I/O余量？
与冗余不同，I/O余量只是系统中I/O数量大于应用的要求，这种余量只是数量上的，主要目的是使系统今后有继续加入控制信号的可能。
Honeywell公司PKS系统自面世以来，因其功能强大、算法丰富、运行稳定等优点赢得了不少客户的青睐，但是昂贵的价格也使不少中小型用户望而却步，因此快速、低成本地开发出一套适用于中低端市场的DCS系统势在必行。
PlantCruise为Honeywell公司2012最新推出的中型DCS系统，是PKS家族的新成员。PlantCruise是中小型企业过程、资产和业务管理的理想平台，他与PKS长得太像了，简直就是一奶同胞的孪生兄弟。
1.PKS系统和PlantCruise系统的相同之处：
Ø使用了同样的网络架构，即FTE，容错型以太网
Ø同样是服务器-操作站的架构，只是服务器的名称改为了工程师站
Ø同样使用C300控制器和C系列I/O卡件，只是把外壳换了一下，穿上
了新衣服
Ø软件的操作和组态界面几乎是一模一样
2.PKS系统和PlantCruise系统的不同之处：
ØPKS系统配置了防火墙硬件，而PlantCruise系统没有，C300控制器直
接连接到交换机上
ØPKS系统支持原来老系统的PMI/O卡件，而PlantCruise系统不支持
ØPKS系统的Flex操作站需要通过服务器读取过程数据，而PlantCruise
系统的操作站全部从控制器直接读取过程数据
ØPlantCruise系统的软件功能做了简化，没有PKS系统的软件功能强大
PKS系统结构图：
²每套C300控制器（冗余或非冗余控制）最多支持80个IO Units (IOU)
²冗余或非冗余配置的8系统卡件作为1个IOU
²8系列卡件通过IOLINK与CS300控制器连接
²每个IOLINK最多支持40个IOUs
²每个C300控制器有2个IOLINK接口
²每个IOLINK接口都可以连接8系统IO卡件
C300控制器是PKS系统里名副其实的指挥中心，它汇集所需信息后，经过运算和处理，做出最后的决策，发布给执行者。
为防止指挥中心瘫痪，C300控制器通常是冗余设置，安装在RITTAL机柜内。在机柜的上侧装有电源系统，负责将220V的交流电转换成24V的直流电，供给卡件使用。卡件突破传统的机架安装方式，所有卡件斜着安装在底板上，既节省了安装空间，又有利于卡件散热。
C300控制器是新一代的基于CEE执行环境的控制器，由两部分组成：
²控制器硬件
²控制器软件CEE（Control Execution Environment，控制执行环境）
下图所示为C300控制器卡件的外观图，它分为2大部分，底下的安装底板叫做IOTA，上面的卡件是控制器卡，通过螺丝固定在底板上，2个部件可分别更换和购买。
最上端的指示灯是电源指示灯，只要供电正常，这个灯就是绿色，接下来是状态指示灯，绿色代表卡件工作状态正常，然后是显示屏，正常显示OK，不正常时显示故障代码，最下面两个并列的两个指示灯是控制器在FTE网络上的通讯指示灯。
C300控制器作为在FTE网络上的一个设备，必须设定一个IP地址，我们知道，IP地址共包含4个数字，比如说192.168.0.11，在C300控制器上的硬件上，我们只需要设定这4个数字中的最后一位，前面的3位数字在软件上设置。
FTE地址的设定要求：设置冗余控制器地址时，主控制器的地址设定为奇数，备用控制器的地址为主控制器的地址+1；非冗余控制器只使用奇数地址。
RAM Battery Cable：
在IP地址设定旋钮的下面是备份电池的接口，备份电池是用来给C300控制器的内存供电，以避免C300控制器断电后内存中的信息丢失。
Redundancy Cable：
如果C300控制器是冗余配置的，2个控制器之间应连接一根冗余电缆，用于主、备控制器之间的通讯和数据库的同步，冗余电缆就连接在这个接口上。
IOLINK Cables：
用于连接C300控制器和它所带的I/O卡件。
输入卡件负责定期采集所需要的信号数据，经过一定的处理，例如信号范围的检查，量程的转换等，送给C300指挥中心进行运算和处理，输出卡件负责把C300指挥中心的运算结果送给现场的设备，例如调节阀或者电机、泵。
8系统的I/O卡件18度倾斜在利于机柜热量均匀散发，通过与其形成一体的输入输出接线板（IOTA）及安装支架直接安装在机柜内。
每个C300控制器的底板上有两个I/O LINK接口，通过I/O LINK电缆连接I/O卡件，对它们进行管理。一个I/O LINK接口为一组，最多连接40个卡件。I/O LINK电缆如下图所示，多条I/O LINK电缆可串联在一起，以便连接多个I/O卡件。
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