DCS及其发展和应用

   集散控制系统(DCS,DistributedControlSystem)是集计算机技术、控制技术、网络技术和CRT显示技术为一体的高新技术产品,具有控制功能强、操作简便和可靠性高等特点,可以方便地用于工业装置的生产控制和经营管理,在化工、电力、冶金等流程自动化领域的应用已经十分普及。近20多年来,由于微电子技术和计算机技术的飞速发展以及工业自动化要求的逐步提高,DCS经历了几个阶段的发展过程,结构日臻完善,技术更加成熟,已经成为生产自动化不可缺少的自控装置。特别是90年代,DCS硬件方面广泛采用技术指标更先进的高档工业PC,有的甚至采用了RISC工作站,软件方面引入了通用的商业化软件包,系统互连方面采用国际标准的通用网络,逐步向信息集成的方向发展。

    结构特征

    DCS虽然经历了几个阶段的发展过程,但其系统硬件结构始终保留着集中管理(包括操作站、工程师站和上位机)、监视控制和网络通信三大部分,并以实现分散控制和集中管理功能为目标。监视控制站包括三个方面的功能:

    *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;

    *各种控制回路的运算(调节回路、逻辑运算等);

    *控制运算结果的直接输出。

    工程师站负责系统的管理、控制组态、系统生成与下装。操作站是人机接口,由微处理器、CRT显示器、键盘和打印机等组成,用于生产工艺的控制操作、过程状态显示、报警状态显示以及实时数据和历史数据显示打印等。上位机实现生产调度管理、优化计算、生产经营管理与决策等层次的管理和计算。网络通信部分负责各种功能站之间的数据通信和联络。DCS网络正在逐步走向开放。DCS厂家也纷纷采用通用标准网络,以便于不同厂家的产品相互连接和通信。

    发展趋势

    1.控制功能多样化

    DCS最低级为监视控制站(有的叫现场控制单元),一般都具有几十种运算控制算法和其他一些数字和逻辑功能,如四则运算、逻辑运算、前馈、PID控制、自适应控制和滞后时间补偿等,有的还包括顺序控制、联锁保护和报警功能。针对不同工艺对象的不同要求,把这些功能有机地结合起来,满足生产系统的要求。这种综合功能的组态和系统生成方法对复杂的化学反应器和大型联合装置更能显示出优越性,特别是对与快速回路、快速复杂联锁相关联并要求绝对安全的复杂控制,DCS更是必不可少,而且常常需要采用DCS加PLC的联合控制装置。

    2.操作简便

    操作站是功能很强的人机接口。早期的DCS系统采用专用输入/输出设备,由于生产批量较少,不仅成本高,而且技术进步更慢,功能也比较简单。如今的DCS大量采用通用的显示器、键盘,甚至是完整的通用计算机。通过CRT显示器可以对工艺对象进行综合性的集中监视。通过键盘可实现各种操作功能。打印机可以及时打印各种需要的数据和报表。

    如果用RISC工作站作为操作站,操作员会感到更方便,更加得心应手。

    3.便于扩展

    DCS已经可以根据不同规模的工程对象进行专门设计。部件设计采用积木式结构,各种模板、模板箱和控制卡(或箱)可多可少地进行组合,从而生成规模大小不同的系统。原有的小规模系统很容易扩展成中大规模系统,特别是利用了现场总线和智能仪表之后,系统扩充更为方便。工程师站的主要功能是组态和系统生成,现在的工程师站已经可以根据控制对象的变化重新编程组态,利用工程师键盘按需生成自动控制系统。

    4.维护方便

    新的DCS装置,不论是硬件还是软件,都是按照标准化、积木化和系列化进行设计的,各种模块或模板功能单一,便于装配和维修更换。系统有自动故障检查诊断程序和再起动功能,维修非常方便。

    5.可靠性高

    如今的DCS,集中监视管理和分散控制的特征更为显著,每一个I/O模块和智能设备都

    能独立运行,故障影响面更小了,而且设计时已经具备了联锁保护功能和自诊断功能,采取了部件冗余和系统故障人工控制操作等措施,系统可靠性更高了。应用实践证明,单机组大容量连续生产的大型化工联合装置,通过使用DCS可以有效地保证生产工艺过程的长期安全稳定运行。

    6.便于和各种计算机联用

    随着DCS微处理器通用化和通信网络标准化,现在的DCS更便于实现与各种PC机、PLC和大型计算机的联网通信,也就更加便于组成企业自动化综合控制并将其纳入生产经营管理系统。DCS向开放性发展,要求各个制造厂的产品符合标准网络通信协议,可以相互连接、相互通信并进行数据交换,应用软件也可以互通有无,从而大大方便了用户。

    应用概况

    我国化学工业生产过程控制率先使用DCS的是吉化公司化肥厂,1981年引进日本横河公司的CENTUM系统,控制9个机组的合成氨生产工艺,由于运行安全可靠,受到各方面的好评。从80年代到90年代,DCS在我国化工企业应用迅速发展,许多大中型化工厂都采用DCS来改造传统生产流程,利用DCS丰富的软硬件功能开发先进控制系统,构成节能效果显著的复杂控制回路,进而研究开发优化操作方法和人工智能等控制策略,收到了明显的社会效益和经济效益,使我国化工自动化水平上了一个新台阶。

    到1998年我国化学工业(含石油化工)已有1100多套不同型号的DCS生产装置投入运行。据不完全统计,我国有94%的大型氨厂、65%的中型氨厂和100%的大型乙烯厂安装了DCS,用于过程控制和企业管理。化学工业在我国工业部门DCS应用套数最多(见表),新建化工装置仪表和控制系统的投资一般占整个生产装置投资的10%～15%。

    化工企业对DCS的认识,随着DCS的功能增强和价格降低而逐渐加深,应用范围也随之日益广泛。80年代只有大中型企业或大型联合装置才采用DCS控制生产过程。现在所有在建的化工装置,不论规模大小均采用DCS。DCS的广泛应用,除了人们认识的转变以外,主要驱动力还是市场竞争和技术进步导致DCS生产厂家不断进行产品改进,使其功能更强、应用更方便,产品价格也不断下降。总之,计算机的技术进步为DCS的广泛应用提供了非常有利的条件。从现实情况看,我国化工企业的DCS应用也还有很大的潜力。