DCS你了解多少？這些東西你必須知道

DCS是 Data Communication Subsystem （數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)）的簡稱。DCS是一種“分散式控制系統(tǒng)”，而PLC (可編程控制器) 只是一種控制“裝置”，兩者是“系統(tǒng)”與“裝置”的區(qū)別。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)任何裝置的功能與協(xié)調(diào)，PLC裝置只實(shí)現(xiàn)本單元所具備的功能。

DCS從1975年問世以來，大約有三次比較大的變革，七十年代操作站的硬件、操作系統(tǒng)、監(jiān)視軟件都是專用的，由各DCS廠家自己開發(fā)的，也沒有動(dòng)態(tài)流程圖，通訊網(wǎng)絡(luò)基本上都是輪詢方式的；八十年代就不一樣了，通訊網(wǎng)絡(luò)較多使用令牌方式；九十年代操作站出現(xiàn)了通用系統(tǒng)，九十年代末通訊網(wǎng)絡(luò)有部份遵守TCP/IP協(xié)議，有的開始采用以太網(wǎng)?？偟膩砜?，變化主要體現(xiàn)在Ｉ／Ｏ板、操作站和通訊網(wǎng)絡(luò)?？刂破飨鄬?duì)來講變化要小一些。操作站主要表現(xiàn)在由專用機(jī)變化到通用機(jī)，如PC機(jī)和小型機(jī)的應(yīng)用。但是目前它的操作系統(tǒng)一般采用UNIX，也有小系統(tǒng)采用NT，相比較來看UNIX的穩(wěn)定性要好一些，NT則有死機(jī)現(xiàn)象。I/O板主要體現(xiàn)在現(xiàn)場總線的引入DCS系統(tǒng)。

DCS系統(tǒng)包括三大部分：帶I/O部件的控制器、通訊網(wǎng)絡(luò)和人機(jī)接口。人機(jī)接口包括操作站、工程師站和歷史站?？刂破鱅/O部件和生產(chǎn)過程相聯(lián)接，操作站和人相聯(lián)系，通訊網(wǎng)絡(luò)把這兩部分聯(lián)成系統(tǒng)。所以操作站是DCS的重要組成部分，工程師站給控制器和操作站組態(tài)，歷史站記錄生產(chǎn)過程的歷史數(shù)據(jù)。最近幾年開發(fā)的人機(jī)界面還有動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器。

一個(gè)DCS系統(tǒng)控制器和I/O部件通?？梢赃\(yùn)行16-20年，而操作站因?yàn)橛谢顒?dòng)部件，所以比較容易損壞，如：硬盤、鍵盤、CRT、軟驅(qū)等，運(yùn)行6-8年后出現(xiàn)故障的概率就比較大，所以在DCS運(yùn)行過程中，操作站更新的情況比較多。

DCS的控制器的變化較小。其變化表現(xiàn)在控制算法的安排、控制算法的多少，存取的 I/O點(diǎn)數(shù)的多少和內(nèi)存的大小等，操作系統(tǒng)一般都是專用的。操作站的變化就很大，八十年代以前的操作站，一般沒有硬盤及動(dòng)態(tài)流程圖，能顯示的標(biāo)簽數(shù)比較少，例如500個(gè)標(biāo)簽（標(biāo)簽指的是AI、DI、回路、開關(guān)量的邏輯關(guān)系等），八十年代出現(xiàn)了能顯示5000個(gè)標(biāo)簽的操作站，九十年代出現(xiàn)了能顯示30000個(gè)標(biāo)簽的操作站。同時(shí)，也出現(xiàn)了在微軟的NT通用平臺(tái)上運(yùn)行的通用顯示軟件。開始，通用軟件只在PLC的操作站上使用，后來也逐漸應(yīng)用在DCS上。它的標(biāo)簽量可以達(dá)到10000個(gè)，甚至更多。

自現(xiàn)場總線技術(shù)在90年代后期問世以來，開創(chuàng)了自動(dòng)化控制技術(shù)的新紀(jì)元一數(shù)字時(shí)代?，F(xiàn)場總線是數(shù)字化的、雙向通信的智能化的控制系統(tǒng)，集成現(xiàn)場總線驅(qū)動(dòng)的就地設(shè)備、控制系統(tǒng)和具有預(yù)測功能的維護(hù)軟件，以提高電站的信息化和智能化水平，最終實(shí)現(xiàn)電站控制水平、經(jīng)濟(jì)效益和競爭力的質(zhì)的提升。

目前大多數(shù)現(xiàn)場總線系統(tǒng)已進(jìn)行過IEC61508認(rèn)證，通訊協(xié)議通過了IEC 1158-2 (1993)和ISAS50.02-1992標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線'Ff-816 31.25 kbits/s認(rèn)證，用“使用中得到證明”的方法在發(fā)電廠的實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)得到初步驗(yàn)證。與DCS系統(tǒng)最初在電站應(yīng)用一樣，現(xiàn)場總線系統(tǒng)的功能安全評(píng)價(jià)，將在實(shí)際使用由逐漸被人們認(rèn)識(shí)，并將得到證實(shí)。

現(xiàn)場總線技術(shù)給自動(dòng)化領(lǐng)域帶來一場革命，這一技術(shù)代表了自動(dòng)化的發(fā)展方向，數(shù)字通信是一種趨勢，是任何人阻擋不了的，這些都是現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展之必然。就雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號(hào)技術(shù)本身，也必將會(huì)給火電廠安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及提高管理水平帶來實(shí)實(shí)在在的效益。

現(xiàn)場總線是利用總線驅(qū)動(dòng)的I/O卡件、高速的現(xiàn)場通訊網(wǎng)絡(luò)、智能的現(xiàn)場設(shè)備，大大簡化控制系統(tǒng)的安裝調(diào)試，是實(shí)現(xiàn)電廠數(shù)字化、智能化、信息化的基礎(chǔ)。現(xiàn)場總線獲取的現(xiàn)場設(shè)備的基礎(chǔ)資料，是提高發(fā)電廠管理水平的必備的基礎(chǔ)資料。

現(xiàn)場總線在中國電站的應(yīng)用研究，伴隨火力發(fā)電廠新建600MW機(jī)組控制系統(tǒng)的配置、自動(dòng)化裝置的選型水平、發(fā)電廠的總體布置及安裝要求的提高而快速發(fā)展。

過程控制站的組成

DCS的過程控制站是一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，主要由電源、CPU（中央處理器）、網(wǎng)絡(luò)接口和I/O組成 I/O：控制系統(tǒng)需要建立信號(hào)的輸入和輸出通道，這就是I/O。DCS中的I/O一般是模塊化的，一個(gè)I/O模塊上有一個(gè)或多個(gè)I/O通道，用來連接傳感器和執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）。 I/O單元：通常，一個(gè)過程控制站是有幾個(gè)機(jī)架組成，每個(gè)機(jī)架可以擺放一定數(shù)量的模塊。CPU所在的機(jī)架被稱為CPU單元，同一個(gè)過程站中只能有一個(gè)CPU單元，其他只用來擺放I/O模塊的機(jī)架就是I/O單元。

在網(wǎng)絡(luò)方面

DCS網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，它是安全可靠雙冗余的高速通訊網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)的拓展性與開放性更好。而PLC因?yàn)榛旧隙紴閭€(gè)體工作，其在與別的PLC或上位機(jī)進(jìn)行通訊時(shí)，所采用的網(wǎng)絡(luò)形式基本都是單網(wǎng)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也經(jīng)常與國際標(biāo)準(zhǔn)不符。在網(wǎng)絡(luò)安全上，PLC沒有很好的保護(hù)措施，我們采用電源、CPU、網(wǎng)絡(luò)雙冗余。

在硬件方面

DCS系統(tǒng)所有I/O模塊都帶有CPU，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采集及輸出信號(hào)品質(zhì)判斷與標(biāo)量變換，故障帶電插拔，隨機(jī)更換。而PLC模塊只是簡單電氣轉(zhuǎn)換單元，沒有智能芯片，故障后相應(yīng)單元全部癱瘓。

國產(chǎn)DCS系統(tǒng)

80年代中期，許多單位和個(gè)體技術(shù)人員都想涉及DCS的開發(fā)和生產(chǎn)。由于資金投入太多，軟件的工程量太大，需要軟件開發(fā)人員、硬件人員和工程人員協(xié)調(diào)工作，另外DCS的開發(fā)畢竟太復(fù)雜了，它涉及到計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、控制技術(shù)和顯示技術(shù)。幾個(gè)技術(shù)人員不可能掌握那樣多的技術(shù)，同時(shí)也沒有那樣多的資金投入，并且不可能在短時(shí)間內(nèi)就有產(chǎn)出。幾個(gè)技術(shù)人員是沒有力量來支撐的。許多技術(shù)人員只能望DCS興嘆。許多單位如幾個(gè)大鋼鐵公司的自動(dòng)化部也由于資金不足退出DCS的開發(fā)。如阿城繼電器廠從1984年就開始DCS的開發(fā)，并取得很好的成績。由于資金不足和管理混亂，也無奈的基本退出DCS的角逐。STD總線的產(chǎn)品是控制系統(tǒng)的中間產(chǎn)品，90年代初期生產(chǎn)廠家很多，每年在國內(nèi)達(dá)到幾億的銷售量（與現(xiàn)在國產(chǎn)的DCS銷量相當(dāng)）。由于最終用戶的工作量很大，也正在退出市場。

90年代中期，DCS的部件除功能塊以外，在市場上都能買到。如控制器可以用PC機(jī)主板，DCS網(wǎng)絡(luò)也可以用以太網(wǎng)。人機(jī)界面可用通用監(jiān)控軟件，如組態(tài)王等。市場形勢比80年代有很大改變。又一次浪潮涉及開發(fā)DCS，各種牌號(hào)的DCS紛紛出籠，大約有上百種系統(tǒng)推向市場。仔細(xì)分析，都在較低層次上重復(fù)，功能單一，形不成規(guī)模。

由于政府有關(guān)部門的界入，開始有新的單位進(jìn)入DCS的開發(fā)。政府的有關(guān)部門無論從資金還是項(xiàng)目都大力支持，所以得到蓬勃發(fā)展。如北京和利時(shí)、上海新華和浙大中控。他們都有幾百套的銷量，基本形成規(guī)模生產(chǎn)。他們雖然一時(shí)還達(dá)不到進(jìn)口的水平，但控制的基本要求還能滿足。從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和I/O板的生產(chǎn)來看，已經(jīng)有相當(dāng)高的水平，和國際上的水平已相差不遠(yuǎn)。如無錫生產(chǎn)的I/O板就很美觀。人機(jī)界面的軟件國內(nèi)已有開發(fā)，如組態(tài)王，每年有2000套的銷售量，經(jīng)使用情況也是良好的。

開發(fā)DCS最難的是控制器的開發(fā)問題，一是硬件，用的是PC機(jī)卡，操作系統(tǒng)也是通用型的，如微軟的NT、加拿大開發(fā)的QNX等，價(jià)格高，使得利潤減低。二是功能塊的開發(fā)。這是最難的。功能塊的數(shù)量幾乎是無限的。它的工作量很大，不僅要有軟件人員，還要有工程人員的配合，才能編出好用的功能塊。由于我國以前實(shí)行計(jì)劃經(jīng)濟(jì)，對(duì)技術(shù)人才一是不重視，二是各單位私有。一個(gè)單位很難集中有如此多的優(yōu)秀的技術(shù)人員。我國軟件開發(fā)人員不僅數(shù)量少，而且習(xí)慣于自己獨(dú)立編程，不能很好的與現(xiàn)場技術(shù)人員交流，所以開發(fā)的功能塊就會(huì)出現(xiàn)不如人意的地方。國產(chǎn)DCS不僅功能塊的數(shù)量少，而且據(jù)用戶反映，如順序控制器功能塊，其真值表不象國外的那樣好用。又如自調(diào)整功能塊，現(xiàn)場一般都不用，即使用也不好用。

總之，由于銷售量還是比較小，跟蹤用戶的反應(yīng)還不夠，所以我國還缺少一套千錘百煉有自主產(chǎn)權(quán)的功能碼。這套軟件是沒有賣的。一定要自己開發(fā)，在不同的操作系統(tǒng)下，編的程序就不一樣。這與要不要控制器這個(gè)硬件沒有關(guān)系。使用現(xiàn)場總線系統(tǒng)也需要算法，用PC作為既控制又顯示同樣需要算法。

用于控制策略的組態(tài)軟件目前還沒有發(fā)現(xiàn)問題。另外一個(gè)問題是控制器的電源系統(tǒng)，我國基本都采用整體式電源。由于我國的DCS系統(tǒng)價(jià)格很低，利潤也很低，DCS制造廠家沒有資金投入來開發(fā)電源系統(tǒng)。國外DCS系統(tǒng)的電源冗余見下圖。在即將把兩臺(tái)電源安裝到柜子上時(shí)，需分別帶負(fù)載調(diào)整。調(diào)整時(shí)，兩臺(tái)電源的負(fù)載一定是相同的，要調(diào)整到相同的輸出，然后安裝到機(jī)柜上。電源系統(tǒng)中有一塊電源檢測板，能顯示兩臺(tái)電源的輸出情況。兩臺(tái)能同時(shí)給負(fù)載供電。最好工作在平衡電壓的狀態(tài)。經(jīng)20年的運(yùn)行證明電源系統(tǒng)是良好的。

國產(chǎn)DCS兩臺(tái)電源冗余運(yùn)行，一用一備。其中一臺(tái)的交流輸入電源階躍下降，能切換到備用電源。如果斜坡下降，就不能切換到備用電源。這是電源系統(tǒng)的缺點(diǎn)之一。

N+1的電源方案沒有進(jìn)入到我國的DCS系統(tǒng)。進(jìn)口DCS采用N+1電源，問題也很多。N+1電源的意思是只要知道每一個(gè)所插模件的功率，把所有模件所需功率求和，而每個(gè)模件電源的功率是一定的，所需總功率除以模件電源的功率，就得到電源數(shù)。有小數(shù)位，都要進(jìn)一位成為整數(shù)，這個(gè)整數(shù)為N，然后再加一，稱為N+1。

第三個(gè)問題是由于銷量小。很少有第三方幫助完善系統(tǒng)，比如專家系統(tǒng)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，與數(shù)字儀表及PLC的接口等。