異種系統(tǒng)的互聯(lián),時間同步和SDSL技術
一個企業(yè)特別是大中型企業(yè)有許多工藝過程，每一個工藝過程都有相對獨立性。在不同時期建設或不同時間進行技術改造，一定會采用不同型號的DCS系統(tǒng)，設備連鎖和控制等會采用幾種不同型號的PLC系統(tǒng)。為了在企業(yè)內(nèi)建立綜合管理信息系統(tǒng)，異種系統(tǒng)的互聯(lián)和時間同步就成為很重要的問題。早期DCS和PLC的互連是采用把PLC作為DCS的一個輸入板，DCS專們設計一塊與PLC的接口板，與DCS的本身的I/O板連在同一條I/O總線上。控制器讀入PLC來的信號，通過DCS的網(wǎng)絡把PLC的信號送到DCS操作站上。這樣互連的辦法有一個大的缺點是：PLC的快速信號在慢速反應的DCS的操作站上顯示。經(jīng)測定，一個微動開關的動作要經(jīng)過幾秒以上的時間才能在DCS的操作站上表現(xiàn)出來。有的DCS甚至需要8秒。另一個互聯(lián)辦法是把PLC的個別信號用硬線連到DCS的輸入板上，這樣輸入的點數(shù)很少，成本比較高。有的DCS在DCS網(wǎng)絡上設計一個結(jié)點，該結(jié)點專門用來讀取PLC的信號。把PLC的信號送入DCS的網(wǎng)絡是比較困難的。缺點是開發(fā)接口的費用很高。即使開發(fā)成功，接口也經(jīng)常發(fā)生故障。一個典型例子是燃汽輪機和鍋爐聯(lián)合發(fā)電的電廠，燃汽輪機從美國或其它國家進口，燃汽輪機的控制系統(tǒng)（PLC）和主設備一起配成，而鍋爐的控制系統(tǒng)由用戶自己選配，用戶很想把兩者的信息在一個操作站上顯示。為開發(fā)這個操作站，開發(fā)費用在幾萬美金以上。即使開發(fā)成功，也經(jīng)常發(fā)生故障。
對于PLC來說，70年代中期曾經(jīng)開發(fā)過專用操作站，但不太成功。后來它就沒有開發(fā)專用操作站，當時，PLC只處理開關量，在控制器上的數(shù)碼顯示作為人機界面也能滿足要求。PLC的控制器和I/O之間用網(wǎng)絡連接。到80年代末和90年代，模擬量控制進入PLC，。用戶感到?jīng)]有以CRT為基礎的人機界面很不方便，用戶選用通用監(jiān)控軟件，運行在NT平臺上，采用普通微機作為硬件平臺，編出各個PLC的驅(qū)動軟件，這樣PLC也有了操作站。因為商業(yè)原因，一些PLC廠家在90年代也開發(fā)了監(jiān)控軟件。并企圖成為工控通用監(jiān)控軟件。由于開發(fā)時間很晚， 不僅各個PLC的驅(qū)動軟件太少，而且市場也被其他軟件占據(jù)。
對于通用監(jiān)控軟件來說，微軟開發(fā)的通訊協(xié)議DDE（DYNAMIC DATA EXCHANGE）、快速DDE 、網(wǎng)絡DDE等都支持。
u DDE允許Windows環(huán)境下各使用的機器建立客戶機/服務器關系，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，彼次發(fā)送指令。由服務器提供數(shù)據(jù)和接收從其它使用的機器發(fā)來的感興趣的數(shù)據(jù)請求。發(fā)請求的機器就是客戶機，送數(shù)據(jù)的是服務器。
u 快速DDE 提供許多DDE的信息打包到單個DDE信息中。打包提高效率，減少服務器和客戶機之間傳送的DDE數(shù)據(jù)。
u 網(wǎng)絡DDE 延伸了標準DDE功能，其中包括了局域網(wǎng)通過串行口的通訊。網(wǎng)絡的延伸允許連在網(wǎng)上的不同計算機作為服務器、客戶機應用運行的DDE連接。比如，網(wǎng)絡DDE支持連到LAN，或modem上的IBM兼容計算機和諸如在VMS、UNIX等操作環(huán)境下的非PC為基礎的平臺之間的DDE。
u SuitLinkK用于TCP/IP為基礎的協(xié)議、被設計成滿足工業(yè)需要，如數(shù)據(jù)完整性、高吞吐量和容易診斷。此協(xié)議標準只適用于Windows NT4.0以上。
u OPC（OBJACT LINK EMBED PROCESS CONTROL）客戶機，可以從服務器取數(shù)據(jù)。遵守TCP/IP協(xié)議。
由于市場需要監(jiān)控軟件，因此，通用監(jiān)控軟件有許多廠商開發(fā)，在90年代，有如FIX、INTOUCH、PARAGON、ONSPEC、CIMPLICITY等100多種。國內(nèi)有組態(tài)王、SYNALL等。對于監(jiān)控軟件如果開發(fā)了許多DCS和PLC的驅(qū)動軟件，在聯(lián)網(wǎng)時有許多網(wǎng)絡套件，它就成為通用監(jiān)控軟件。其中驅(qū)動軟件最多的是FIX和INTOUCH。在NT平臺上，如果采用FIX、INTOUCH等軟件，彼此可作為服務器，也可作為客戶機，彼此可以交換數(shù)據(jù)。
DCS在70年代問世時，計算機技術水平還比較低，市場上可以選用的零部件比較少。DCS生產(chǎn)廠家自己開發(fā)的操作站有專用的操作系統(tǒng)、專用的監(jiān)控軟件、專用的接口硬件和CRT、專用的打印機、專用硬盤和軟驅(qū)。甚至連接用的電纜和插頭、插座也是專用的。當然，這樣作也不能排除是DCS廠家為了獲取最大的商業(yè)利益而考慮的。由于計算機技術的飛速發(fā)展，而DCS的發(fā)展沒有計算機快，它處在相對穩(wěn)定的發(fā)展階段。后來市場上的各種微機零部件很多，但DCS都連接不上，異種系統(tǒng)更沒有辦法互連，DCS廠家又都沒有按照市場變化修改自己的軟件，所以DCS成為名符其實的自動化“孤島”。DCS的用戶感到十分不方便，另外操作站比控制器更容易損壞。其壽命大約7-8年左右。操作站由于買不到如硬盤、軟驅(qū)等，許多用戶決定在更換操作站時，不再采用原DCS廠家的操作站，因為它價格昂貴、備件難賣。采用PC機和NT平臺，安裝通用監(jiān)控軟件，并開發(fā)和某一具體DCS的驅(qū)動軟件，做成通用操作站，代替原來的專用操作站。
有的DCS廠家索性把專用操作站去掉，配以通用操作站。如MOORE公司的APACS系統(tǒng)，在1996年采用INTOUCH軟件（FIX也可以），MOORE公司只提供APACS的驅(qū)動軟件和提硬件的配置要求，硬件由用戶自己選配。經(jīng)使用，運行很好。比MOORE公司自己開發(fā)的監(jiān)控軟件要好用一些。這也許是DCS廠家軟件開發(fā)人員比通用軟件開發(fā)公司的軟件開發(fā)人員少有關。又如MEASUREX的操作站也采用通用監(jiān)控軟件。目前最多的替代操作站是FIX、INTOUCH兩大類型的通用替代操作站。
早期的DCS，廠家分別都自己開發(fā)專用監(jiān)控軟件。編寫程序時，控制器的驅(qū)動軟件和顯示軟件不是分開來編寫。如果采用通用微機和NT平臺，它們與通用軟件相比，CPU的開銷要小一些，對硬件的要求比通用的要低一些，但由于是和系統(tǒng)一起銷售，銷售量很小，軟件本身的問題沒有得到充分暴露。如果硬件都能滿足通用、專用要求，專用監(jiān)控軟件的操作站死機現(xiàn)象比通用的嚴重一些。據(jù)了解，某一套DCS系統(tǒng)，硬件為PC機，操作系統(tǒng)為NT，專用監(jiān)控軟件裝配成的操作站，一天內(nèi)死機幾次。隨著軟件版本升級，死機現(xiàn)象有增無減。一年內(nèi)打幾次補釘，死機現(xiàn)象仍然存在。專用、通用兩種軟件相比，專用的目前還是比通用的要封閉一些。在網(wǎng)絡中使用，還沒有網(wǎng)絡套件軟件。如采用通用監(jiān)控軟件，DCS和DCS之間，DCS和PLC之間，PLC和PLC之間，各自的人機界面可以互連。只要是微軟的WINDOWS界面，都能作為客戶機，采用DDE、快速DDE和Suitelink讀取數(shù)據(jù)。它們既可以作為服務器，也可以作為客戶機。在企業(yè)內(nèi)可組成綜合管理信息系統(tǒng)。為了保證操作站的安全運行，可以單獨用一個HMI用于互連。通用監(jiān)控軟件通常有網(wǎng)絡版的軟件，經(jīng)組態(tài)后，能通過網(wǎng)絡，組成服務器/客戶機格式，把實時信息傳到遠方。在客戶機中，可以實時查看通用軟件做成的動態(tài)數(shù)據(jù)服務器數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。也能把信息送入MIS系統(tǒng)的標準數(shù)據(jù)庫中（如SQL、SYBASE、ORACLE）。通用監(jiān)控軟件在它們的套件軟件中，也有Web軟件，安裝成Web服務器，通過Web服務器。瀏覽動態(tài)數(shù)據(jù)服務器中的數(shù)據(jù)。它不是實時數(shù)據(jù)。同時，通過微軟的GLANZE軟件，也可以接Web。 瀏覽MIS數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。采用Web服務器, 瀏覽數(shù)據(jù)，都比服務器/客戶機的方式要慢。
采用通用操作站優(yōu)點歸納如下：
●價格低廉
●DCS功能擴展
●用戶熟息
各個系統(tǒng)的時間同步也是很重要的問題。網(wǎng)絡時間服務器是用于所有網(wǎng)上工作站的高品質(zhì)時間同步的設備。一般情況下，DCS系統(tǒng)的絕對時間是在操作站上(人機界面)形成的，控制器中只有相對時間。為了時間同步，可以把衛(wèi)星時間GPS(GLOBAL POSITION SYSTEM)作為基準，來校對DCS的時間。具體實現(xiàn)辦法如下：通過衛(wèi)星接收天線，時間服務器接收GPS系統(tǒng)中各個衛(wèi)星的原子鐘，再把時間信號送給動態(tài)數(shù)據(jù)服務器或DCS的操作站。通過動態(tài)數(shù)據(jù)服務器或操作站的DCS的驅(qū)動軟件，把時間信號送到DCS的網(wǎng)絡上。原來以太網(wǎng)在DCS網(wǎng)絡中比較少用，但現(xiàn)在也有用的。因為它比較廉價。它廣泛用于管理信息網(wǎng)（MIS），以太網(wǎng)也采用廣播式協(xié)議，但與令牌網(wǎng)有區(qū)別。它采用隨機訪問的鏈路控制。在以太網(wǎng)的網(wǎng)絡中，各結(jié)點可以隨機的發(fā)送數(shù)據(jù)。但當兩個或更多的結(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，就產(chǎn)生數(shù)據(jù)發(fā)送沖突。發(fā)生沖突的結(jié)點都退回去，用一個隨機延時的算法后再繼續(xù)發(fā)送。即采用載波監(jiān)聽多路訪問技術。隨機延時的算法有很多種，目前都應用于以太網(wǎng)。
目前MIS系統(tǒng)已經(jīng)與DCS、PLC連接成一個系統(tǒng)，DCS、PLC數(shù)據(jù)通過動態(tài)數(shù)據(jù)服務器，送到以太網(wǎng)，它的傳輸載體大都采用光纖。調(diào)度室通常是中心區(qū)域，以它為基點，連成星形網(wǎng)絡結(jié)構。中心區(qū)域配置有服務器。如ORACLE、SYBASE、SQL等。在服務器中存有軟件，把軟件編制成子模塊形式。如財務管理子模塊、人事管理子模塊、原材料子模塊等。把DCS、PLC來的信號放在生產(chǎn)實時子系統(tǒng)模塊內(nèi)。
生產(chǎn)實時的數(shù)據(jù)是海量的，既有實時的，又有歷史的。對于通用監(jiān)控軟件都有歷史數(shù)據(jù)平臺。設服務器，它可以自成系統(tǒng)。最后再與MIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫相連，為數(shù)據(jù)安全，還應該有防火墻。目前傳輸載體也大都是光纖。敷設光纖的費用比較高（大約2萬元人民幣/公里）。在用光纖作為載體的MIS系統(tǒng)中，有些地方可能遠離中心區(qū)域，但有少數(shù)數(shù)據(jù)也希望送到中心來顯示，這時不一定用光纖，可以采用電話線。像地衡、輸煤、水處理等地方的數(shù)據(jù)，數(shù)量很少。只要在電話總機的交換機接入特殊的路由器，它有以太網(wǎng)的接口。在信息源加貓（MODEM），布線中要稍加調(diào)整就可以了。路由器、MODEM費用不很高。這時，光纖和電話線可以同時用于以太網(wǎng)。這就是SDSL（Symmetric Digital Subscriber Line）技術。SDSL技術的特點是同時既能通電話，又能傳輸網(wǎng)絡。只要電話通了，網(wǎng)絡也就通了。這種技術應用于已經(jīng)有電話線的廠礦，并有電話總機的情況。現(xiàn)在國外已廣泛用于工廠網(wǎng)。如果企業(yè)比較小，可以不用光纖，全部用電話線，通訊速率為2.3M。無論從信息端讀取數(shù)據(jù)還是傳到信息端的指令，速率是一樣的。路由器、MODEM之間的距離可以7000英尺。在使用時，不同時使用電話，距離還能延長。具體應用接線見下圖。
DCS的基本結(jié)構和PLC的區(qū)別
DCS為分散控制系統(tǒng)的英文（TOTAL DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM）簡稱。指的是控制危險分散、管理和顯示集中。60年代末有人研制了作邏輯運算的可編程序控制器（Programmable Logic Controller）。簡稱PLC。主要應用于汽車制造業(yè)。70年代中期以完成模擬量控制的DCS推向市場，代替以PID運算為主的模擬儀表控制。首先提出DCS這樣一種思想的是原制造儀表的廠商，當時主要應用于化工行業(yè)。后又有計算機行業(yè)從事DCS的開發(fā)。
70年代微機技術還不成熟，計算機技術還不夠發(fā)達。操作站、控制器、I/O板和網(wǎng)絡接口板等都是DCS生產(chǎn)廠家自行開發(fā)的，也就是所有部件都是專用的。
70年代初，有人用如PDP/1124這樣的小型機代替原來的集中安裝的模擬儀表控制。連接到中央控制室的電纜很多。如用小型機既作為控制器、同時把連接小型機的CRT又作為顯示設備（即人機界面）。一臺小型機需接收幾千臺變送器或別的傳感器來的信號，完成幾百個回路的運算。很顯然其危險有點集中。和模擬儀表連接的電纜一樣多，并且一旦小型機壞了，控制和顯示都沒有了。數(shù)字控制沒有達到預期的目的。
后有人提出把控制和顯示分開。一臺計算機完成控制計算任務，另一臺計算機完成顯示任務。另外，一個工藝過程作為被控對象可能需要顯示和控制的點很多，其中有一些還需要閉環(huán)控制或邏輯運算，工藝過程作為被控對象的各個部分會有相對獨立性，可以分成若干個獨立的工序，再把在計算機控制系統(tǒng)中獨立的工序上需要顯示和控制的輸入、輸出的點分配到數(shù)臺計算機中去，把原來由一臺小型機完成的運算任務由幾臺或幾十臺計算機（控制器）去完成。其中一臺機器壞了不影響全局。所謂“狼群代替老虎”的戰(zhàn)術，這就是危險分散的意思。把顯示、操作、打印等管理功能集中在一起，用網(wǎng)絡把上述完成控制和顯示的兩部分連成一個系統(tǒng)。當時有人把這種系統(tǒng)稱為集散系統(tǒng)。
危險究竟要分散到多少算合適呢？這與當時的計算機技術的發(fā)展水平有關。70年代中期，徹底分散就是一個控制器完成一個回路的運算。當時由于人們對數(shù)字技術不太熟息，習慣于模擬儀表，70年代末、80年代曾經(jīng)風行回路控制器，把數(shù)字控制器做成和原來模擬儀表在外觀上幾乎完全一樣，不改變操作習慣 ，內(nèi)部把PID運算數(shù)字化。一塊儀表（一臺計算機）完成一個回路的控制任務。其價格較為昂貴，但危險是分散了。然后用通訊網(wǎng)絡把各個控制器和以CRT為基礎的人機界面連成一個系統(tǒng)。這時網(wǎng)絡結(jié)構通常都是星形結(jié)構。回路的控制器的制作成本太高，價格/性能比不好。后來為了減低成本，就有兩回路的、四回路的控制器， 它的價格/性能比稍好一些。對于一個大中型系統(tǒng)來說，DCS的價格/性能比比回路控制器組成的系統(tǒng)要好。有些特殊地方還是要用到一些回路控制器。
如果所要完成的回路太多，如一個控制器采集幾千點、完成幾百個回路的運算，危險又太集中。在這種情況下，危險必需分散。隨著計算機技術的發(fā)展，計算機的運算能力、存儲容量和可靠性不斷提高，一臺計算機所完成的任務也可以增加。完成的任務也可集中一點。另外，控制器、網(wǎng)絡等冗余技術也得到了發(fā)展，控制運算也可集中一些。
從目前的DCS來看，一個控制器完成幾十個回路的運算和幾百點的采集、再加適量的邏輯運算，經(jīng)現(xiàn)場使用，效果是比較好的。這就產(chǎn)生控制器升級的問題了。有時控制器和檢測元件的距離還是比較遠，這就促進現(xiàn)場總線的發(fā)展。如CAN、LOONWORKS、FF等現(xiàn)場總線，以及HART協(xié)議接收板等都用到DCS系統(tǒng)中。
DCS分為三大部分，帶I/O板的控制器、通訊網(wǎng)絡和人機界面（HMI）。由I/O板通過端子板直接與生產(chǎn)過程相連，讀取傳感器來的信號。I/O板有幾種不同的類型，每一種I/O板都有相應的端子板。
l 模擬量輸入，4-20毫安的標準信號板和用以讀取熱電偶的毫伏信號板；4-16個通道不等；
l 模擬量輸出，通常都是4-20毫安的標準信號，一般它的通道比較少，4-8個個通道；
l 開關量輸入；16-32個通道：
l 開關量輸出，開關量輸入和輸出還分不同電壓等級的板，如直流24伏、125伏；交流220伏或115伏等；8-16個通道不等；
l 脈沖量輸入，用于采集速率的信號；4-8通道不等；
l 快速中斷輸入；
l HART協(xié)議輸入板；
l 現(xiàn)場總線I/O板；
每一塊I/O板都接在I/O總線上。為了信號的安全和完整，信號在進入I/O板以前信號要進行整修，如上下限的檢查、溫度補償、濾波，這些工作可以在端子板完成，也可以分開完成，完成信號整修的板現(xiàn)在有人稱它們?yōu)樾盘栒{(diào)理板。
I/O總線和控制器相連。80年代的DCS由于控制器的運算能力不強，為了增加I/O點數(shù)，把控制器的任務分開，實際上是有三種類型的控制器。即：完成閉環(huán)運算的控制器、模擬量數(shù)據(jù)采集器和邏輯運算器。它們分別有自己的I/O總線，各種DCS的I/O總線各不相同。如果要求快速，最好采用并行總線。一般采用串行總線比較多。尤其是RS485總線較多，模擬量數(shù)據(jù)采集器和邏輯運算器的I/O點數(shù)可以多一些。
閉環(huán)控制器、模擬量數(shù)據(jù)采集器和邏輯運算器可以和人機界面直接連在通訊網(wǎng)絡上，在網(wǎng)絡上的每一個不同的控制器作為網(wǎng)絡上的一個獨立結(jié)點。每一個結(jié)點完成不同的功能。它們都應有網(wǎng)絡接口。有的DCS為了節(jié)省網(wǎng)絡接口，把所有的過程控制用的設備即閉環(huán)控制器、模擬量數(shù)據(jù)采集器和邏輯運算器預先連在控制總線上，稱為過程控制站。這可以增加過程控制站能接收的I/O點數(shù)，又能節(jié)省接口。然后再通過接口連到網(wǎng)絡上，與人機界面相連。隨著計算機計術的發(fā)展，控制器的運算能力不斷增強，如PC機做的一個控制器能力很強，既可接收模擬量運算，也接收開關量邏輯運算。一個控制器成為網(wǎng)絡上的一個結(jié)點。通過網(wǎng)絡與人機界面相連。
控制器是DCS的核心部件，它相當于一臺PC機。有的DCS的控制器本身就是PC機。它主要有CPU、RAM、E2PROM和ROM等芯片，還有兩個接口，一個向下接收I/O總線來的信號，另一個接口是向上把信號送到網(wǎng)絡上與人機界面相連。ROM用來存貯完成各種運算功能的控制算法（有的DCS稱為功能塊庫）。在庫中存功能塊，如控制算法PID、帶死區(qū)PID，積分分離PID，算術運算加、減、乘、除、平方、開方、函數(shù)運算一次濾波、正弦、余弦、X-Y函數(shù)發(fā)生器、超前-滯后；比較先進的算法有史密斯預估，C語言接口、矩陣加、矩陣乘；邏輯運算有邏輯與、邏輯或、邏輯非、邏輯與非等。通常用站功能塊不僅把模擬量和開關量結(jié)合起來，還與人連系起來。功能塊越多，用戶編寫應用程序（即組態(tài)）越方便。組態(tài)按照工藝要求，把功能塊連接起來形成控制方案。把控制方案存在E2PROM中。因為E2PROM可以擦寫，組態(tài)要隨工藝改變而改變，所以把組態(tài)存在E2PROM中。不同用戶有不同組態(tài)。組態(tài)時，用戶從功能塊庫中選擇要的功能塊，填上參數(shù)，把功能塊連接起來。形成控制方案存到E2PROM中。這時控制器在組態(tài)方式，投入運行后就成為運行方式
控制器中安裝有操作系統(tǒng)，功能塊組態(tài)軟件和通訊軟件。
為了系統(tǒng)安全運行，閉環(huán)控制器一定是冗余運行的，一用一備，并且是熱備。為了使冗余成功，應注意以下幾點：兩個控制器的硬件、軟件版本必需一致；檢查發(fā)送-接收的芯片是否完好；冗余的芯片是否完好。兩個模件的設定是否一樣、還要檢查有沒有帶手操站等。
通訊網(wǎng)絡把過程站和人機界面連成一個系統(tǒng)。通訊網(wǎng)絡有幾種不同的結(jié)構行式。如總線式、環(huán)形和星形（見圖）。總線形在邏輯上也是環(huán)形的。星形的只適用于小系統(tǒng)。不論是環(huán)形還是總線形，一般都采用廣播式。其它一些協(xié)議方式已用的較少。通訊網(wǎng)絡的速率在10M和100M左右。
人機界面有4種不同形式的結(jié)點，它們是操作站、工程師工作站、歷史趨勢站和動態(tài)數(shù)據(jù)服務器。
u 操作站安裝有操作系統(tǒng)、監(jiān)控軟件和控制器的驅(qū)動軟件。顯示系統(tǒng)的標簽、動態(tài)流程圖和報警信息。
u 工程師工作站給控制器組態(tài)（CAD），也可以給操作站組態(tài)（作動態(tài)流程圖）。如果監(jiān)控軟件作圖能力很強，作圖工作可以由監(jiān)控軟件獨立完成。工程師站的另外一個功能是讀控制器的組態(tài)，用于控制器升級，查找故障。我們稱之為逆向工程師站。
u 歷史趨勢站用于存儲歷史數(shù)據(jù)，一般用磁盤陣列（稱為RAID技術）。
u 動態(tài)數(shù)據(jù)服務器是DCS和MIS系統(tǒng)的接口，也是DCS和Web的隔離設備。
DCS和PLC的設計原理區(qū)別較大，PLC是由摸仿原繼電器控制原理發(fā)展起來的，70年代的PLC只有開關量邏輯控制，首先應用的是汽車制造行業(yè)。它以存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和運算等操作的指令；并通過數(shù)字輸入和輸出操作，來控制各類機械或生產(chǎn)過程。用戶編制的控制程序表達了生產(chǎn)過程的工藝要求，并事先存入PLC的用戶程序存儲器中。運行時按存儲程序的內(nèi)容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。PLC的CPU內(nèi)有指示程序步存儲地址的程序計數(shù)器，在程序運行過程中，每執(zhí)行一步該計數(shù)器自動加1，程序從起始步（步序號為零）起依次執(zhí)行到最終步（通常為END指令），然后再返回起始步循環(huán)運算。PLC每完成一次循環(huán)操作所需的時間稱為一個掃描周期。不同型號的PLC，循環(huán)掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。程序計數(shù)器這樣的循環(huán)操作，這是DCS所沒有的。這也是使PLC的冗余不如DCS的原因。DCS是在運算放大器的基礎上得以發(fā)展的。把所有的函數(shù)、各過程變量之間的關系都作成功能塊（有的DCS系統(tǒng)稱為膨化塊）。70年代中期的DCS只有模擬量控制。如TDC2000系統(tǒng)，一個控制器一秒鐘內(nèi)能完成8個PID回路的運算。首先應用的是化工行業(yè)。DCS和PLC的表現(xiàn)的主要差別是在開關量的邏輯解算和模擬量的運算上，即使后來兩者相互有些滲透，但是還是有區(qū)別。80年代以后，PLC除邏輯運算外，也有一些控制回路用的算法，但要完成一些復雜運算還是比較困難，PLC用梯形圖編程，模擬量的運算在編程時不太直觀，編程比較麻煩。但在解算邏輯方面，表現(xiàn)出快速的優(yōu)點，在微秒量級，解算1K邏輯程序不到1毫秒。它把所有的輸入都當成開關量來處理，16位（也有32位的）為一個模擬量。而DCS把所有輸入都當成模擬量，1位就是開關量。解算一個邏輯是在幾百微秒至幾毫秒量級。對于PLC解算一個PID運算在幾十毫秒，這與DCS的運算時間不相上下。大型PLC使用另外一個CPU來完成模擬量的運算。把計算結(jié)果送給PLC的控制器。不同型號的DCS，解算PID所需時間不同，但都在幾十毫秒的量級。如早期的TDC2000系統(tǒng)，1秒鐘內(nèi)完成8個回路的控制運算。隨著芯片技術的發(fā)展，解算一個算法的時簡在縮短。解算一個算法所需時間與功能塊的安排方式和組態(tài)方式有關。
在接地電阻方面，對PLC也許要求不高，但對DCS一定要在幾歐姆以下（通常在4歐姆以下）。模擬量隔離也是非常重要的。在有爆炸危險的地方，應配置本質(zhì)安全柵。
相同I/O點數(shù)的系統(tǒng)，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大約能省40%左右）。PLC沒有專用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護成本比DCS要低很多。一個PLC的控制器，可以接收幾千個I/O點（最多可達8000多個I/O）。DCS的控制器，只能幾百個I/O點（不超過500個I/O）。如果被控對象主要是設備連鎖、回路很少，采用PLC較為合適。如果主要是模擬量控制、并且函數(shù)運算很多，最好采用DCS。DCS在控制器、I/O板、通訊網(wǎng)絡等的冗余方面，一些高級運算、行業(yè)的特殊要求方面都要比PLC好的多。PLC由于采用通用監(jiān)控軟件，在設計企業(yè)的管理信息系統(tǒng)方面，要容易一些。
特別要指出的是，DCS的專用操作站，不是天經(jīng)地義的。它是由歷史原因形成的。DCS廠家如再不開放操作站，與工廠的管理信息系統(tǒng)連網(wǎng)，個別DCS就有從市場中消失的危險。
隨著新技術的誕生，負面影響也跟著而來。新操作站的開放，病毒和黑客容易侵入到系統(tǒng)。在作設計時，在操作站上設置密碼，系統(tǒng)多加隔離和防火墻。把負面影響減到最小。
多屏操作站、操作站的后門網(wǎng)絡和雙機雙網(wǎng)
一個DCS系統(tǒng)可以有好幾臺操作站，每一臺操作站可以顯示一樣的內(nèi)容，稱為冗余運行。也可以是不一樣的內(nèi)容。對于電廠來說，一臺300MV的發(fā)電機組，工藝過程比較集中，通常采用2臺操作站冗余運行認為是比較合適的。但對于大型機組，由于它的輸入、輸出點數(shù)較多，一臺顯示器不夠用，最好有多臺顯示器。這時的監(jiān)控軟件應該能支持多屏幕。早期的DCS都采用在操作站的主機上多加顯示卡，如加2塊顯示卡，3塊顯示卡等。分別可連接2臺CRT或3臺CRT。用這種方法以增加人機界面。對于除電廠以外的生產(chǎn)工藝，如水泥廠，鋼鐵廠，一個生產(chǎn)工藝很長，地域比較分散，并由一套DCS系統(tǒng)控制，它的輸入、輸出點數(shù)較多，為了節(jié)省投資，一臺操作站往往和一部分生產(chǎn)工藝相對應。比如水泥廠的回轉(zhuǎn)窯和磨機相隔距離很遠，操作站可以安裝在兩個地方。這時一臺操作站配置一臺打印機。如果其中一臺操作站的主機壞了，這臺操作站顯示的內(nèi)容就沒有了。為了系統(tǒng)的安全運行，采用標簽的重疊組態(tài)來實現(xiàn)安全運行。如該系統(tǒng)有兩臺操作站，分別為A站和B站，該系統(tǒng)有2000個標簽，A、B操作站要分別組態(tài)1300個標簽，其中300個標簽是重疊的。即使A操作站發(fā)生故障，只用B操作站進行監(jiān)控，系統(tǒng)照常工作。因為重要的標簽在B操作站上都有了。值得注意的是，由于重疊組態(tài)也會帶來負面影響。在運行發(fā)生故障時，會使得A、B操作站的管理人員責任不明確。
由于網(wǎng)絡技術的高速發(fā)展，人機界面的數(shù)量可以不限。操作站分為主站和從站。主站連在DCS網(wǎng)絡上。通過DCS網(wǎng)絡接口，直接從DCS網(wǎng)絡上讀取各個控制器數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。主站的數(shù)量是由接口的數(shù)量決定的。從站則與主站相連。它沒有數(shù)據(jù)庫，在顯示流程圖畫面時，由主站顯示完整的工藝畫面，而從站就顯示主站的工藝畫面。從站的數(shù)量是不限的。不論是主站，還是從站，都用后門網(wǎng)絡連接起來。有了后門網(wǎng)絡，系統(tǒng)維護時，各操作站之間可作文本拷貝。系統(tǒng)運行時，即使其中一臺主操作站發(fā)生故障，它的從站可作為另一臺主站的從站。在網(wǎng)絡中，接進打印服務器，服務器有許多通道，幾臺操作站共用一臺或幾臺打印機。連接主站和從站的這個網(wǎng)絡與DCS網(wǎng)絡沒有關系。所以就稱為后門網(wǎng)絡。早期的后門網(wǎng)絡采用ARCNET，后來由于有的DCS系統(tǒng)的操作站主機采用DEC的小型機，后門網(wǎng)絡就采用DECNET或以太網(wǎng)。在操作站作標簽組態(tài)時，是否要把重要的I/O點重疊組態(tài)要由用戶確定。
由于網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫技術的發(fā)展，人機界面怎樣與DCS網(wǎng)絡連接又有新的方式。把服務器連在DCS網(wǎng)絡上。服務器和人機界面組成服務器/客戶機格式，服務器和人機界面之間用以太網(wǎng)連接，，以太網(wǎng)的低廉，通常采用雙網(wǎng)。為提高服務器的安全性能，采用冗余的方式，這就是雙機雙網(wǎng)。可以做到遠程操作。客戶機中有操作站、工程師站、歷史趨勢站和MIS系統(tǒng)接口。服務器中的數(shù)據(jù)庫可以組態(tài)。
在局部的地域用網(wǎng)絡傳遞信息，會帶來很大的方便。
北京和利時的DCS系統(tǒng)，ABB的PROCONTROL P就是這樣的結(jié)構。見下圖。如果過程控制與INTERNET網(wǎng)絡相連，會受到病毒或黑客的侵入。一定要加安全級別和加防火墻。從使用來看，國產(chǎn)DCS在結(jié)構和硬件制造都已經(jīng)達到較高的水平。在功能塊的開發(fā)方面還需進一步努力。
以太網(wǎng)之間的協(xié)議遵從OSI模型（Open System Interconnection）的七層協(xié)議。七層協(xié)議分別是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。
物理層描述傳輸介質(zhì)、連接器和信號脈沖標準。中繼器或集線器（hub）也是物理層的設備，它與傳輸?shù)男畔木唧w內(nèi)容無關。幀是發(fā)送到介質(zhì)上的一組數(shù)字脈沖。用以傳輸信息。幀的大小為64-1518字節(jié)。幀包括預同步信號，消息頭、數(shù)據(jù)信息和幀校驗序列。中繼器或集線器（hub）僅僅放大導線中的電信號，并繼續(xù)向前傳送。
數(shù)據(jù)鏈路層描述本地系統(tǒng)之間的拓撲和通信標準。以太網(wǎng)能與多個物理層標準（雙絞線線纜、光纜）和多個網(wǎng)絡層標準一起工作。將網(wǎng)絡的物理方面（線纜和數(shù)字脈沖）與軟件和數(shù)據(jù)流的抽象世界連接起來。在網(wǎng)絡里傳的信息是以幀的格式傳輸?shù)摹Ｔ趲杏邢㈩^和尾，數(shù)據(jù)報包到幀里。檢測錯誤，調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)流量。幀消息由源和目標介質(zhì)訪問控制（media access control ）MAC地址組成，并利用該信息和數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容建立CRC尾。數(shù)據(jù)鏈路層根據(jù)網(wǎng)絡采用拓撲規(guī)則，發(fā)送幀，把幀發(fā)到物理層（網(wǎng)絡線纜）。網(wǎng)橋和交換器是數(shù)據(jù)鏈路層的設備。因為它們是支持幀的。兩者都利用幀消息頭中的信息調(diào)節(jié)交通。幀消息頭負責識別是誰發(fā)送的信息，信息發(fā)送到哪里。幀消息頭包含兩個區(qū)域，用以識別傳輸?shù)脑春湍繕耍窃春湍繕讼到y(tǒng)的節(jié)點地址。幀消息頭的大小總是14字節(jié)。
網(wǎng)絡層描述在不同網(wǎng)段上的系統(tǒng)如何彼此尋找，也定義了網(wǎng)址。網(wǎng)址是指定給一組物理連接的系統(tǒng)名字或號碼。是所有上層的基石，單位是數(shù)據(jù)報（datagram）單位如網(wǎng)絡的IP數(shù)據(jù)報傳遞協(xié)議是網(wǎng)絡層功能的例子。網(wǎng)址這一術語，根據(jù)采用的協(xié)議不同，叫法也不同。采用IP，叫做子網(wǎng)（subnet）。
傳輸層處理數(shù)據(jù)的實際操作，并準備通過網(wǎng)絡傳送。如果數(shù)據(jù)太大而不能作為一個幀，傳輸層將其分解為更小的部分，并編制序號，序號允許其它系統(tǒng)上的傳輸層重新將數(shù)據(jù)組合為最初內(nèi)容。幀的CRC校驗是在數(shù)據(jù)鏈路層進行的，傳輸層能夠起到備用效驗的作用。傳輸層的功能如IP的傳輸協(xié)議（TCP）、單位是段（segment）。
會話層處理兩個或多個系統(tǒng)之間連接的建立和維護。它保證正確完成具體的服務請求。
如果系統(tǒng)正在運行多個網(wǎng)絡應用程序，會話層負責保持正確通信順序，保證進入的數(shù)據(jù)引到正確的應用程序。
表示層保證數(shù)據(jù)可以用于應用程序的形式接收。它的任務是編碼和解碼。
應用層的任務是確定何時要求訪問網(wǎng)絡資源。
回路控制器和DCS系統(tǒng)
七十年代，因為在現(xiàn)場工作的儀表工程師們對數(shù)字控制不太熟悉，希望數(shù)字控制的儀表面板作成與原來的模擬儀表的一樣，這樣就可以不改變操作習慣，另外也是為了危險分散，因而就出現(xiàn)了回路控制器。如HONEYWELL公司的KMM系列、FOXBORO公司的SPEC 200和日本北辰(后與橫河合并)的HOMAC系列表，在面板上有過程變量（PV）、設定值和控制輸出（CO）的棒圖，指針式顯示的過程值,手/自動切換、報警確認等。這種能完成以PID為基礎的回路控制的數(shù)字儀表，只有一個或兩個回路（兩個單回路）。當時有人為了不與可編程序邏輯控制器（PLC）混淆，稱這種儀表為可編程序調(diào)節(jié)器。到80年代出現(xiàn)了雙回路(可作兩個串級回路)、四回路的控制器、32路數(shù)據(jù)采集器以及無紙記錄儀等一系列數(shù)字儀表，在面板上仍保留棒圖和手/自動切換，用數(shù)字顯示代替指針顯示，這些數(shù)字儀表統(tǒng)稱為回路控制器。
到目前為止，這種儀表種類很多。最有特點的是能與上位（即人機界面）通訊組成一個系統(tǒng)，每一塊表可以與現(xiàn)場總線相連，I/O可以根據(jù)需要擴展，它內(nèi)部的算法預先用程序作成功能塊的形式，存在ROM中。可以按照所要求的控制策略，進行組態(tài)（不是編程）。如美國MOORE公司的353產(chǎn)品有80多塊功能塊，通過組態(tài)路圖實現(xiàn)控制組態(tài)，用MODBUS與人機界面相連，人機界面的監(jiān)控軟件既可以用IFIX、也可以用INTOUCH。因為這兩種軟件都有這種可編程序調(diào)節(jié)器的驅(qū)動軟件。國產(chǎn)監(jiān)控軟件只要有這種可編程序調(diào)節(jié)器的驅(qū)動軟件，同樣可以作為這種系統(tǒng)的監(jiān)控軟件。否則連不上去。353本身只有4個AI，2個AO，也就是能完成2個PID回路的控制。如果要增加控制回路，就要采用現(xiàn)場總線，因為它有LONWORKS的接口，可以把LONWORKS的模塊連到該總線上。在組成系統(tǒng)時，要進行軟件捆綁。為了數(shù)據(jù)安全，在表和總線之間加光電轉(zhuǎn)換器。這種系統(tǒng)見圖一。又如FOXBORO公司和SMAR公司的回路控制器，它有多回路的。并且還有與可編程控制器（PLC）的接口，所以在我國應用也比較多。
有幾個模擬量的輸出，就稱為幾回路的控制器。模擬量的輸入可以多于模擬量的輸出。另外還可以有少量的開關量的輸入、輸出。
另一類是不能與現(xiàn)場總線相連，它的I/O點數(shù)不能擴展，但它也能與 上位通訊組成一個系統(tǒng)。這種產(chǎn)品如美國HONEYWELL 公司的UDC、FOXBORO公司的另外的產(chǎn)品，費希爾的900系列、日本橫河、富士、東芝和歐洲ABB公司都有類似的產(chǎn)品。最有代表性的產(chǎn)品是香港歐陸的系統(tǒng)6000，采用英國多家廠商的回路控制器，美國的可編程控制器，美國的監(jiān)控軟件，由香港人集成成為S6000系統(tǒng)。。由于它有良好的銷售網(wǎng)絡，在大陸應用很為廣泛。尤其是制藥行業(yè)應用較多。
可以用鋪天蓋地來形容產(chǎn)品之多的數(shù)顯表是把PID算法作成固定的，只要把過程變量（PV）接到儀表的端子上，人為輸進設定，表就能輸出控制量（CO）。也就是說，一個儀表只有一個功能塊，就是PID，這樣的產(chǎn)品國內(nèi)、外已經(jīng)很多，如日本千野的表，香港朝輝，國內(nèi)天辰、天津儀表廠、沿海各省的儀表廠等都生產(chǎn)這樣的產(chǎn)品。國內(nèi)有時把它們叫作S系列儀表。產(chǎn)品的外觀見圖三。它的功能非常單一，一塊表只能完成一個功能。特點是不能組態(tài)。每一塊表的價格只有幾百元人民幣。但進口的也需4000元左右。
總的來看回路控制器的輸入、輸出點數(shù)很少。如果有幾百個I/O點，完成幾十個PID回路的控制任務，而每個表都需要有一個外殼和帶棒圖顯示的面板，相對于可插模件來說，其價格就高多了。另外它的功能塊相對于DCS控制器來說要少很多，因為它的內(nèi)存較小，特別是當既有很多的模擬量采集量、又有開關量并且還有高級運算，用回路控制器就更不合算。如果沒有上位來顯示，又感到不太直觀。由回路控制器集成的系統(tǒng)，加上以CRT為基礎的人機界面，其價格比由模件組成的DCS就高多了。還有一個缺點，回路控制器組成的系統(tǒng)一般采用MODBUS與人機界面相連，只能采用星形結(jié)構，即只有一個主站。對于電廠需要冗余操作站來說，這就是一個缺陷。所以它只適用于比較小的系統(tǒng)，即I/O點數(shù)比較少，且控制回路較多的被控對象中。如生產(chǎn)抗生素的制藥廠就比較適用。另外，特別是對于一些化工企業(yè)，經(jīng)常用于戶外操作，它有特有的優(yōu)勢。有如電廠的旁路系統(tǒng)，采用它們也比較合適。也就是說它也占有一定的市場份額。它們的設計原理與DCS沒有任何差別。把DCS的控制器和它相應的手操站合在一起，就是可騙程序調(diào)節(jié)器。所以說回路控制器是DCS系統(tǒng)中的一個分支，從本質(zhì)上說還屬于DCS。
對于DCS、PLC和可編程序調(diào)節(jié)器等都是計算機控制系統(tǒng)，它們的共同點是其基本結(jié)構相似，其中有幾部分是必不可少的，只是隨著系統(tǒng)規(guī)模的大小和被控對象的差別有一些區(qū)別。要把現(xiàn)場信號讀進控制系統(tǒng)，首先把傳感器的信號線接到端子。如果傳感器不是一個，它的信號線多了，并需要作一些信號預處理，這時就要端子板。模擬信號要轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，要模擬輸入板。經(jīng)運算后輸出，要把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，需要輸出板，然后到端子板。最后將信號送到執(zhí)行器（如閥門）。由于通訊技術的發(fā)展，控制系統(tǒng)中只有運算部分（即控制器）是可以討論的，如果采用基金會現(xiàn)場總線，可以把這部分省去。把作運算的功能塊分別存到傳感器和執(zhí)行器的存儲器中。組態(tài)時通過網(wǎng)絡去調(diào)用。目前由于開發(fā)的功能塊還不太多、又受到各廠家利益的限制，這種總線應用還不夠廣泛。FISHER-ROSEMOUNT公司為現(xiàn)場總線作了許多工作。
比較大的系統(tǒng)，一定要有以CRT（或液晶顯示器LCD）為基礎的人機界面，用起來才會比較方便。對于用戶來說，投資少、用起來又比較方便、功能比較全的系統(tǒng)才是合用的
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和 軟DCS、軟PLC
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只是把現(xiàn)場信號采集到控制計算機中，在計算機中沒有回路控制功能塊。只是供人機界面顯示。應該說是比較簡單的。再硬件結(jié)構吧上它可以分成三級，也可以是兩級。分別是I/O板、控制器和人機界面。簡單的可以分為I/O板和人機界面。不過，一些行業(yè)有一些特殊要求。如電廠的控制系統(tǒng)往往把鍋爐控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分開。鍋爐控制采用DCS，而其他采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）。國際上也有許多廠家生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在一般情況下，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在技術上是沒有問題的，但在電廠就有一些特殊要求。電廠的有一些點需要記錄事件順序。有快速中斷功能（通常是2毫秒）。這樣的點數(shù)量不多，大約100點左右的開關量。輸入板的分辨率應該是毫秒級的。它的難點是事件順序記錄（SOE）。在輸入板應該有存儲歷史數(shù)據(jù)的功能。當人機界面調(diào)出查看時，能把事件的時間順序顯示出來。SOE(SEQUENCE OF EVENT)有專門的廠家制造。一些專門用于電廠的DCS系統(tǒng)也有這樣的功能。
應用比較多的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是美國的OPTO22產(chǎn)品，一路一個小模塊，分別有開關量（DI、DO）和模擬量（AI、AO）的小模塊。共有不同電壓等級等42種小模塊供用戶選擇。使用時，把小模塊裝在一塊大板上（即B1板、B2板），模擬量8塊/塊板，開關量16塊/塊板，B1、B2板上除這些小模塊外，還有串行通訊口。再把這兩種板安裝在一個架子上，再把架子安裝在機柜內(nèi)。以CRT為基礎的人機界面在WINDOWS平臺上運行。安裝有帶MODBUS驅(qū)動軟件的監(jiān)控軟件，以前用PAREGON軟件，現(xiàn)在用的人少了，現(xiàn)在多用FIX、INTOUCH，人機界面就可以讀取從小模塊來的I/O信號，并在CRT上顯示出來。在美國有20多家工廠生產(chǎn)這種類似的產(chǎn)品。它與STD總線的產(chǎn)品同一檔次。STD總線的產(chǎn)品由于使用時用戶的工程量太大，所以逐漸在退出市場。
在一些純采集的系統(tǒng)中，OPTO產(chǎn)品應用較多。主要優(yōu)點是維護量少。如果需要有閉環(huán)控制，在人機界面和I/O之間加類似于PC機（LC4）的控制器，在控制器中有一些功能塊，可以組態(tài)各種控制策略。一般情況下，因為功能塊的數(shù)量比較少，所以作為有幾千個I/O點的大控制系統(tǒng)采用OPTO22的還比較少。
OPTO開關量的小模塊應用最多的是作為DCS開關量輸入模件的隔離模塊。使DCS本身免遭雷擊干擾。由于制造工藝比較簡單，國產(chǎn)的模塊用戶反映也很好用，但價格不到進口的一半。
九十年代初，由于計算機技術的發(fā)展，有人提出普通微機（PC機）已經(jīng)很成熟，無論是運算速度，還是內(nèi)存都能滿足控制要求。分前后臺操作。DCS還是PLC都不需要控制器，把DCS和PLC控制器中的功能碼、梯形圖移植到NT操作系統(tǒng)的PC機內(nèi)，軟件移植相當困難。由微機直接與I/O板相連。因為控制算法已存在PC機內(nèi)，PC機既作為人機界面，又作為控制器，有人稱它們?yōu)檐汥CS、軟PLC。美國AB公司就有軟PLC。各PC機之間用以太網(wǎng)連接。到目前為止，應用仍然不太廣泛。一些小系統(tǒng)有采用SOFT DCS和SOFT PLC。
滬公網(wǎng)安備31010802001143號
