DCS和PLC？ dcs为分散控制系统的英文（total distributed control system）简称。指的是控制危险分散、管理和显示集中。60年代末有人研制了作逻辑运算的可编程序控制器（programmable logic controller）。简称plc。主要应用于汽车制造业。70年代中期以完成模拟量控制的dcs推向市场，代替以pid运算为主的模拟仪表控制。首先提出dcs这样一种思想的是原制造仪表的厂商，当时主要应用于化工行业。后又有计算机行业从事dcs的开发。 70年代微机技术还不成熟，计算机技术还不够发达。操作站、控制器、i/o板和网络接口板等都是dcs生产厂家自行开发的，也就是所有部件都是专用的。 70年代初，有人用如pdp/1124这样的小型机代替原来的集中安装的模拟仪表控制。连接到中央控制室的电缆很多。如用小型机既作为控制器、同时把连接小型机的crt又作为显示设备（即人机界面）。一台小型机需接收几千台变送器或别的传感器来的信号，完成几百个回路的运算。很显然其危险有点集中。和模拟仪表连接的电缆一样多，并且一旦小型机坏了，控制和显示都没有了。数字控制没有达到预期的目的。 后有人提出把控制和显示分开。一台计算机完成控制计算任务，另一台计算机完成显示任务。另外，一个工艺过程作为被控对象可能需要显示和控制的点很多，其中有一些还需要闭环控制或逻辑运算，工艺过程作为被控对象的各个部分会有相对独立性，可以分成若干个独立的工序，再把在计算机控制系统中独立的工序上需要显示和控制的输入、输出的点分配到数台计算机中去，把原来由一台小型机完成的运算任务由几台或几十台计算机（控制器）去完成。其中一台机器坏了不影响全局。所谓“狼群代替老虎”的战术，这就是危险分散的意思。把显示、操作、打印等管理功能集中在一起，用网络把上述完成控制和显示的两部分连成一个系统。当时有人把这种系统称为集散系统。 危险究竟要分散到多少算合适呢？这与当时的计算机技术的发展水平有关。70年代中期，彻底分散就是一个控制器完成一个回路的运算。当时由于人们对数字技术不太熟息，习惯于模拟仪表，70年代末、80年代曾经风行回路控制器，把数字控制器做成和原来模拟仪表在外观上几乎完全一样，不改变操作习惯 ，内部把pid运算数字化。一块仪表（一台计算机）完成一个回路的控制任务。其价格较为昂贵，但危险是分散了。然后用通讯网络把各个控制器和以crt为基础的人机界面连成一个系统。这时网络结构通常都是星形结构。回路的控制器的制作成本太高，价格/性能比不好。后来为了减低成本，就有两回路的、四回路的控制器， 它的价格/性能比稍好一些。对于一个大中型系统来说，dcs的价格/性能比比回路控制器组成的系统要好。有些特殊地方还是要用到一些回路控制器。 如果所要完成的回路太多，如一个控制器采集几千点、完成几百个回路的运算，危险又太集中。在这种情况下，危险必需分散。随着计算机技术的发展，计算机的运算能力、存储容量和可靠性不断提高，一台计算机所完成的任务也可以增加。完成的任务也可集中一点。另外，控制器、网络等冗余技术也得到了发展，控制运算也可集中一些。 从目前的dcs来看，一个控制器完成几十个回路的运算和几百点的采集、再加适量的逻辑运算，经现场使用，效果是比较好的。这就产生控制器升级的问题了。有时控制器和检测元件的距离还是比较远，这就促进现场总线的发展。如can、loonworks、ff等现场总线，以及hart协议接收板等都用到dcs系统中。 dcs分为三大部分，带i/o板的控制器、通讯网络和人机界面（hmi）。由i/o板通过端子板直接与生产过程相连，读取传感器来的信号。i/o板有几种不同的类型，每一种i/o板都有相应的端子板。 l 模拟量输入，4-20毫安的标准信号板和用以读取热电偶的毫伏信号板；4-16个通道不等； l 模拟量输出，通常都是4-20毫安的标准信号，一般它的通道比较少，4-8个个通道； l 开关量输入；16-32个通道： l 开关量输出，开关量输入和输出还分不同电压等级的板，如直流24伏、125伏；交流220伏或115伏等；8-16个通道不等； l 脉冲量输入，用于采集速率的信号；4-8通道不等； l 快速中断输入； l hart协议输入板； l 现场总线i/o板； 每一块i/o板都接在i/o总线上。为了信号的安全和完整，信号在进入i/o板以前信号要进行整修，如上下限的检查、温度补偿、滤波，这些工作可以在端子板完成，也可以分开完成，完成信号整修的板现在有人称它们为信号调理板。 i/o总线和控制器相连。80年代的dcs由于控制器的运算能力不强，为了增加i/o点数，把控制器的任务分开，实际上是控制器是dcs的核心部件，它相当于一台pc机。有的dcs的控制器本身就是pc机。它主要有cpu、ram、e2prom和rom等芯片，还有两个接口，一个向下接收i/o总线来的信号，另一个接口是向上把信号送到网络上与人机界面相连。rom用来存贮完成各种运算功能的控制算法（有的dcs称为功能块库）。在库中存功能块，如控制算法pid、带死区pid，积分分离pid，算术运算加、减、乘、除、平方、开方、函数运算一次滤波、正弦、余弦、x-y函数发生器、超前-滞后；比较先进的算法有史密斯预估，c语言接口、矩阵加、矩阵乘；逻辑运算有逻辑与、逻辑或、逻辑非、逻辑与非等。通常用站功能块不仅把模拟量和开关量结合起来，还与人连系起来。功能块越多，用户编写应用程序（即组态）越方便。组态按照工艺要求，把功能块连接起来形成控制方案。把控制方案存在e2prom中。因为e2prom可以擦写，组态要随工艺改变而改变，所以把组态存在e2prom中。不同用户有不同组态。组态时，用户从功能块库中选择要的功能块，填上参数，把功能块连接起来。形成控制方案存到e2prom中。这时控制器在组态方式，投入运行后就成为运行方式 控制器中安装有操作系统，功能块组态软件和通讯软件。 为了系统安全运行，闭环控制器一定是冗余运行的，一用一备，并且是热备。为了使冗余成功，应注意以下几点：两个控制器的硬件、软件版本必需一致；检查发送-接收的芯片是否完好；冗余的芯片是否完好。两个模件的设定是否一样、还要检查有没有带手操站等。 通讯网络把过程站和人机界面连成一个系统。通讯网络有几种不同的结构行式。如总线式、环形和星形（见图）。总线形在逻辑上也是环形的。星形的只适用于小系统。不论是环形还是总线形，一般都采用广播式。其它一些协议方式已用的较少。通讯网络的速率在10m和100m左右。 人机界面有4种不同形式的结点，它们是操作站、工程师工作站、历史趋势站和动态数据服务器。 u 操作站安装有操作系统、监控软件和控制器的驱动软件。显示系统的标签、动态流程图和报警信息。 u 工程师工作站给控制器组态（cad），也可以给操作站组态（作动态流程图）。如果监控软件作图能力很强，作图工作可以由监控软件独立完成。工程师站的另外一个功能是读控制器的组态，用于控制器升级，查找故障。我们称之为逆向工程师站。 u 历史趋势站用于存储历史数据，一般用磁盘阵列（称为raid技术）。 u 动态数据服务器是dcs和mis系统的接口，也是dcs和web的隔离设备。 dcs和plc的设计原理区别较大，plc是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，70年代的plc只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入plc的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。plc的cpu内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为end指令），然后再返回起始步循环运算。plc每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的plc，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。程序计数器这样的循环操作，这是dcs所没有的。这也是使plc的冗余不如dcs的原因。dcs是在运算放大器的基础上得以发展的。把所有的函数、各过程变量之间的关系都作成功能块（有的dcs系统称为膨化块）。70年代中期的dcs只有模拟量控制。如tdc2000系统，一个控制器一秒钟内能完成8个pid回路的运算。首先应用的是化工行业。dcs和plc的表现的主要差别是在开关量的逻辑解算和模拟量的运算上，即使后来两者相互有些渗透，但是还是有区别。80年代以后，plc除逻辑运算外，也有一些控制回路用的算法，但要完成一些复杂运算还是比较困难，plc用梯形图编程，模拟量的运算在编程时不太直观，编程比较麻烦。但在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1k逻辑程序不到1毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。而dcs把所有输入都当成模拟量，1位就是开关量。解算一个逻辑是在几百微秒至几毫秒量级。对于plc解算一个pid运算在几十毫秒，这与dcs的运算时间不相上下。大型plc使用另外一个cpu来完成模拟量的运算。把计算结果送给plc的控制器。不同型号的dcs，解算pid所需时间不同，但都在几十毫秒的量级。如早期的tdc2000系统，1秒钟内完成8个回路的控制运算。随着芯片技术的发展，解算一个算法的时简在缩短。解算一个算法所需时间与功能块的安排方式和组态方式有关。 在接地电阻方面，对plc也许要求不高，但对dcs一定要在几欧姆以下（通常在4欧姆以下）。模拟量隔离也是非常重要的。在有爆炸危险的地方，应配置本质安全栅。 相同i/o点数的系统，用plc比用dcs，查看更多
第1天
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