毕业设计（论文）水泥厂设计

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1、摘要 在国家建材行政主管部门提出的“控制总量、调整结构、淘汰落后”的水泥发展方针的指引下，新型干法水泥生产获得了迅猛发展。本文围绕兰丰水泥生产线，介绍了该生产线的DCS系统的选型、方案设计、控制策略组态、上下位组态的集成和系统调试过程。 水泥生产过程是一个包含开关量控制和模拟量调节的混合控制过程，本文在介绍与对比我国水泥生产现状和水泥控制的几种常用手段的基础上，选择了性价比高、专为混合控制过程而设计的PlantSeape SCADAHC900系统来控制兰丰水泥生产线的生产。论文提出了兰丰水泥生产线的控制方案，详细介绍了系统的硬件组成和软件结构。 论文重点介绍了如何通过系统提供的控制策略组态软件

2、HC Designer，实现水泥生产中的数据采集处理和输出、关键参数的PID调节，并为弥补系统提供的顺控模块少的缺陷，介绍了一种利用常规功能模块实现组设备的开停车自动化的方法。 最后，介绍了上位机组态和下位机组态的集成，并完成了系统的综合调试。关键词：DCS、控制策略组态、PlantScape、HC900AbstractIn the guidance of the National Building Material AdministrativeDepartmentS policy of“Control total amountAdjust s缸1lctLlre andEliminate la

3、g，the new type dry-process cement production has developedrapidlyms paper aimed at LanFeng cement production line，introduced theselection of type，project design，control strategy configuration，theintegration of the upper computer configuration and the lower computerconfiguration，production adjustment

4、 about its DCS丑le process of cement production includes the digital contr01 and theanalog control，on the basis of introduction of the present situation ofcement production in Our country and comparison of several popular controlmethods in cement production，we adopt PlantScape SCADAHC900designed spec

5、ially for hybrid control process and with bJ【ghperformancecost ratio，to control LanFeng cement production lineThepaper brought forward the project design of this cement production line，andstressed the hardware composing and the soRware structuremS Paper emphasized how to realize血e data acquisition&p

6、r；essand output，the start-stop control of one group of devices and t卜PIDcontrol of some key parameters by using the control strategy confi，rationsoftware of HC DesignerIn order to SOlye the problem of the lack ofsequence blocks system provided，we took general fimction blocks to achivethe automation

7、of the start-stop control in one group of devicesFinally,this paper introduced the integration of upper computerconfiguration and血e lower computer configuration,and introduced theprocess ofproduction adjustmentWritten by：Lai Haijun(Mechanical&Electrical Engineerin91Directed by：ProfZhu HongtaoKey wor

8、ds：DCS，Control Stxategy Configuration，PlantScape，HC900第一章绪论l-1水泥生产现状和新型干法水泥生产技术111我国水泥工业现状 水泥工业作为我国的基础原材料工业，近二十多年来有了长足的进步和发展，水泥产量多年位居世界第一，产品的质量、档次也有了不同程度的提高，基本满足了国民经济和社会发展的需要，然而其产品结构、技术结构和规模结构仍然很不合理。整体发展水平较低、技术先进的大中型预分解回转窑水泥厂只占10，525号优质水泥只占水泥总产量的10左右“1，形成了“大而不强”的局面，全国水泥厂的平均规模年产不足lO万吨，与国际先进水平相比，有很大差距

9、。各地水泥产量的增长往往是在低水平的重复建设中发展起来的，从整体上看技术含量低、环境污染严重的立窑水泥以及能耗高的湿法旋窑水泥仍占有很大比重，而高质量的新型干法旋窑水泥却长期短缺。这种不合理的产业结构己明显制约了我国经济建设的发展和水泥工业前进的步伐。 为此，国家建材行业主管部门提出了“控制总量“1、调整结构、淘汰落后”的建材工业发展方针。明确了要淘汰大批落后的地方小水泥企业，大幅度提高优质新型干法水泥，淘汰落后的生产工艺和装备，达到调整结构，提高产品质量，实现产业升级的目的。112新型干法水泥生产技术 水泥是国民经济基本建设中不可缺少的建筑材料。水泥生产自1824年诞生以来，180年间生产技

10、术历经多次变革。作为水泥熟料的煅烧设各，开始是间歇作业的土立窑，1885年出现了回转窑。1950年联邦德国虹堡公司研制成功悬浮预热窑，1971年日本石川岛公司和轶父水泥公司研制成功预分解法。特别是20世纪60年代以来，悬浮预热窑发展很快，各种悬浮预热器相继出现。70年代，新型干法窑外分解生产工艺，以其高产、节能、高质量、高劳动效率、低环境污染等优点而迅速代替其它工艺，成为水泥生产企业的首选。 新型干法水泥生产，就是以悬浮预热和窑外分解技术为核心，把现代科学技术和工业生产成就，如原料预均化、生料气力均化、烘干粉磨、各种新型耐热耐磨材料及电子计算机、自控技术等等，广泛地应用于水泥干法生产的全过程，

11、使水泥生产具有高效、优质、低耗、符合环保要求和大型化、自动化的特征的现代水泥生产方法。新型干法生产包含了一整套现代化水泥生产新技术和与之相适应的现代化科学管理方法。与传统的湿法、干法及半干法生产相比，新型干法水泥生产具有均化、节能、环保、自动控制、长期安全运转和科学管理六大保证体系。其特点如下：料制备全过程广泛采用现代化均化技术，采用高效率多功能设备，用悬浮预热及预分解技术代替回转窑内物料的堆积态预热和分解方法，装备大型化，生产控制实现自动化，采用新型耐热、耐磨、耐火材料，重视消音除尘，满足环境保护要求，实行现代化科学管理。 新型干法水泥生产是当今世界水泥生产的主流。我国新型干法水泥起步于20

12、世纪70年代“3，已有30多年的历史，但直至20世纪末，其发展速度仍然较慢。其中，20世纪70年代主要进行实验研究、中间试验和生产实验；80年代从国外成套引进的冀东、宁国、珠江、柳州等4000td和3000td级熟料生产线及国产化的江西水泥厂2000td熟料生产线相继投产，同时引进吸收了国外单机设计、制造技术，使我国初步掌握了新型干法水泥生产技术；90年代，在建设一批引进技术或主机设备的新型干法生产线的同时，还建设了一批不同规模的全国产化(自行开发设计、自行设备制造)新型干法水泥生产线，标志着我国水泥工业已进入大型化干法水泥生产的发展轨道。进入新世纪以来，随着我国国民经济的飞速发展，我国新型干

13、法水泥生产的发展进入快车道，其速度令人瞩目。一批自行设计建设的2000td、2500td及5000td熟料生产线相继建成投产，且其达标达产周期短，建设投资和生产耗能也大大降低，这预示着我国的新型干法水泥生产技术将跨入世界先进水平。 如今，我国的水泥工业面对着不断深化改革和大力进行现代化建设这个历史赋予的极其宝贵的机遇。，必须抓住机遇，踏踏实实地做好技术能力和自身建设的各项准备工作，应该认识到与国外先进水平相比，我国的水泥工业仍有较大的差距，需要不断地开发应用各种新工艺、新技术、新设备和新材料。对传统工艺设备进行改进和完善，使整个生产系统达到最佳化生产，进一步提高水泥工业的整体效益和技术水平，随

14、着我国综合国力的进一步增强，我国水泥工业应当有计划、有准备地逐步实现以新型干法生产技术为骨干的现代化生产方法，从而实现水泥工业“由大变强”和“靠新促强”的战略目标，迎接水泥工业的新发展。12水泥生产自动化技术 当今水泥工业的发展特点是：生产速度不断加快，生产规模不断扩大，单机设各大型化，生产连续性和复杂性提高。生产规模的扩大和连续性提高，首先要求控制系统能够进行集中管理和操作，统一协调各个车间或部门的生产，确保整个生产连续稳定进行，充分发挥大规模生产的优势，同时又要求避免由于集中带来的危险。由于生产速度的加快，这就要求控制系统也能快速可靠地作出反应来适应其速度要求；生产工艺的复杂性提高，使用常

15、规的控制策略很难保证控制指标，必须使用智能化的控制系统。因此，为了提高水泥的产品质量、设备运转率和劳动生产率，降低能耗、劳动强度，必须实现水泥生产的自动化控制。 当前水泥生产线自动化的核心是计算机控制技术。3，它是计算机技术，网络技术和传统的自动化技术相结合的产物。与过去传统的控制方式相比，水泥工业的自动化发生了质的变化，其影响已涉及从管理架构、运作层次乃至企业理念等多个层面，并导致了人力资源、技术资源的重新整合。以网络技术、计算机及其支持软件为基础的生产与经营管理信息系统，将水泥工厂各个相对孤立的局部控制系统、专家系统、管理系统有机联系起来，构成一个完整计算机网络系统，对生产过程的物质流和管

16、理过程的信息流进行有效地控制及协调，以实现生产过程自动化和管理信息自动化相结合的水泥工厂自动化。在我国加入WTO之后，企业将面临更加严峻的竞争，要适应新的竞争模式下市场对生产和管理过程提出的高质量、高速度、高灵活性和低成本的要求，具有生产过程自动化和管理信息自动化相结合的工厂自动化系统将成为企业的必然选择。121水泥工业自动化技术的发展 170年代以前早期的水泥厂自动化，只是水泥生产线上的各个生产车间内部相对独立并且较为简单的生产过程控制，车间与车间之间的联系相对较少，它是由常规的一次仪表，二次仪表以及各种继电器、保护装置组成，各车间设立车间控制室及配电室，对本车间的生产设备进行操作控制并实现

17、各种联锁保护。各车间控制室通常设有仪表盘、模拟盘及操作台。 280年代初，我国分别从日本、丹麦全套引进了新型干法水泥生产线，其生产控制要求设立中央控制室，把过去分散的车间控制集中到中央控制室进行集中操作与监督，马达开停逻辑控制采用PLC进行控制，过程变量则在中控室采用了大型仪表控制盘，实现集中监控。随后，由我国自行开发设计的2000td新型干法预分解水泥生产线也采用了此种先进的控制方式，从而大大提高了水泥生产线的自动化水平。 380年代中期，基于分散控制、集中操作管理的集散型控制系统在水泥厂中逐渐得到应用。集散型控制系统(DCS)是以分散的控制设备来适应分散的过程对象，并将它们通过数据高速公路

18、与基于CRT的操作站相连接，一起实施实时工业过程的控制与监视。实现了控制系统的功能分散、负荷分散，从而危险也分散，克服了集中式计算机控制系统的负荷集中、危险集中的弱点。水泥生产线采用DCS进行控制后，取代了传统的二次模拟仪表、大型仪表控制盘及用于设备之间联锁用的大量的各种各样的继电器和电缆。中央控制室的面积与原来的相比，也缩小了几倍。由于DCS是采用大屏幕彩色CRT进行显示，通过计算机键盘及鼠标等输入各种控制命令，且有些DCS系统还有对各种指令输入有记忆的功能，所有这些不但对操作人员提出了更高的素质要求，同时也对操作人员的责任心的加强起到促进作用。此时，中央控制室己经是生产的调度指挥中心，与传

19、统的生产组织管理方式相比，发生了巨大的变化。我国水泥工业自动化又向前迈进一大步的同时，缩小了与国际水泥大公司在这方面的差距。 490年代中后期，随着企业之间的竞争加剧，对水泥工厂自动化程度提出了更高的要求，与此同时，DCS系统的价格在下降，各种小型PLC在各种单机控制装置上被广泛采用，现场总线的问世，使微机在其价格成倍下降的同时，性能成倍地提高，这些都对水泥工业的自动化产生着巨大影响。首先是DCS系统的控制范围增加了。早期系统控制的范围一般是水泥生产线的主工艺流程，如从原料配料到水泥入库的三磨一窑等主要车间，其它辅助车间如石灰石破碎及输送，水泥包装及成品发运，空压机站等还采用常规仪表进行过程变

20、量控制，采用继电器或小型PLC进行马达开停的逻辑控制。而在90年代中后期，DCS系统的控制范围基本上包括整个水泥生产线上的所有车间。其次是DCS系统采集的信息量增加了。早期为了降I氐DCS的造价，尽量减少DCS系统的输入输出点数，因此DCS系统采集的信号当中，有许多是综合信息。当某一综合性质的事件发生时，还需经过有经验的操作人员进行分析，甚至到现场检查才能作出正确的判断。而现在DCS系统不但采用点对点方式而且采用廉价的通讯方式与部分单机控制装置的小型PLC或某些专用的控制系统，例如：生料质量控制系统的计算机进行大批量的数据交换。另一方面，随着信息时代的到来，市场竞争的进一步加剧，现代企业管理者

21、已不能满足传统的DCS对水泥生产线的控制，为了加强企业自身的竞争力，在改造传统管理方式的同时，寻求着一种更高效，更精确的管理方式。生产与经营管理信息系统的问世，满足了他们的这一要求。管理信息系统将工厂的生产过程控制系统与工厂的各个部门的管理系统联接在一起，将过程控制系统采集到的全厂的实时生产数据及质量数据送入管理网进行分析、统计和存档，同时也将工厂各个部门的管理子系统如备品备件库、原材料库、人事、劳动等各种数据进行分析、统计和存档，以帮助企业管理者思维、判断和决策，实现精细管理。122新型干法水泥生产线上的常用控制手段目前，在新型干法水泥生产线中常用的控制手段有：可编程逻辑控制器(PLC)、集

22、散控制系统(DCS)和现场总线控制系统(FCS)。1可编程控制器PLC可编程控制器PLC是计算机家族中的一员”1，是为工业控制应用而设计的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(programmable logic controller)，简称PLC，用它来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，可编程控制器的功能已大大超过了逻辑控制的范围，所以目前人们都把这种装置称作可编程控制器，简称PC。为了避免与目前应用十分广泛的个人计算机(personal computer)的简称Pc相混淆，所以仍将可编程控制器简称PLC。PLC具有以下特点：(1)PLC最初就是为进行逻辑控制而设计。1，在逻辑控制

23、方面拥有计算机无法比拟的优势。(2)PLC在控制装置级实现三电一体化，配置灵活，结构紧凑。(3)PLC在硬件上采取了一系列抗干扰措施，在软件上采用了故障诊断技术及在系统一级的冗余配置，工作方式采用周期循环扫描，对输入输出集中进行，因而具有很高可靠性。1。(4)PLC仅在关键部位选用冗余结构，在价格上大大低于DCS系统，性能价格比高。但是由于PLC功能及其相关技术的限制，其控制的对象都较为简单，一般只用一个PLC站进行控制，很少有通过联网或其它途径对相关的设备进行控制。综上所述，PLC控制的优势主要是适合于现场局部控制，弱点主要表现在网络和复杂控制方面，因而仅使用PLC不适宜控制新型干法水泥生产

24、。2集散控制系统DCS 集散控制系统又名分布式计算机控制系统，其实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。它是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术和人机接口技术相互渗透发展而产生的，既不同于分散的仪表控制系统，又不同于集中式计算机控制系统，它是吸收了两者的优点，在它们的基础上发展起来的一门系统工程技术，具有很强的生命力和显著的优越性。其主要特征是：集中管理，分散控制。 DCS是采用标准化、模块化和系列化的设计，由过程控制级、控制管理级和生产管理级组成的一个以通讯网络为纽带豹集中显示而操作管理、控制相对分散、配置灵活、组态方便、具有高可

25、靠性的实用系统，拥有自主性、协调性、在线性与实时性、高可靠性、适应性、灵活性、可扩充性和友好性等优越性。但集散控制系统大多采用封闭式的网络通信体系结构，采用本公司专用的标准和协议，加之受到现场仪表在数字化、智能化方面的限制，它没能将控制功能“彻底地”分散到现场。3现场总线控制系统FCS现场总线控制系统(FCS)是基于现场总线技术的计算机控制系统,它是集计算机技术、网络技术和控制技术为一体的先进的计算机控制系统，是一种全分散、全数字、全开放的控制系统。它适用于工业过程控制、制造业及楼宇自动化等领域，将逐渐成为计算机控制系统的主流形式。概括地说，FCS具有以下技术特点：(1)FCS采用的现场总线是

26、一个全数字化的现场通信网络。(2)FCS的现场总线网络是开放式互连网络。(3)FCS的所有现场设备直接通过一对传输线(现场总线)互连。(4)FCS普遍采用智能仪表，增强了系统的自治性，系统控制功能更加分散。在技术上，FCS与DCS相比，具有以下几点优势：(1)FCS的信号传输实现了全数字化，从最底层的传感器和执行器就采用现场总线网络，逐层向上直至最高层均为通信网络互连。(2)FCS的现场设备具有操作性，不同厂商的现场设备即可互连也可互换，并可以统一组态，彻底改变传统DCS控制层的封闭性和专用性。(3)FCS的系统结构是全分散式，FCS废除了DCS的输入输出单元和控制站，由现场设备或现场仪表取而

27、代之，即把DCS控制站的功能化整为零，分散地分配给现场仪表，实现彻底的分散。(4)FCS的通信网络为开放式互连网络，既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连，用户可及其方便地共享网络数据库。(5)FCS的技术和标准实现了全开放、专利许可要求，可供任何人使用，从总线标准、产品检验到信息发布全是公开的，面向世界任何一个制造商和用户。另一方面，由于FCS是一种新技术，目前真正意义上的现场总线的统一国际标准尚不具备，因此FCS与成熟的DCS相比，还存在下列的一些不足。(1)由于现场总线标准本身尚在发展中，从而给产品的开发和测试带来难度。这在一定程度上造成产品开发商多、生产商少，产品品种单一而且价格昂贵

28、。(2)现阶段，在某些场合中FCS还无法提供DCS已有的控制功能。由于软硬件水平的限制，其功能块的功能还不是很强，品种也不够齐全；用现场仪表还只能组成一般的控制回路如单回路、串级、比例控制等。对于复杂的、先进的控制算法还无法在仪表中实现，对于单回路内有多输入、多输出的情况缺乏较好的解决方案。(3)目前FCS成功应用于各行业的实例不多，难以评估实际应用效果。而DCS已经长期稳定可靠地运行于许多工业现场，其市场优势是FCS无法比拟的。从总的来看，FCS终将代替DCS。但是现场总线发展到今天，标准不够统一，价格昂贵，而广大用户对于DCSLL较熟悉，加上DCS尚有潜力可挖，其本身也在不断的发展之中，其

29、性能也在不断地完善，DCS也在朝开放系统的方向发展，并实现了与现场总线的结合。DCS是结合了各类控制功能的完整系统，是目前应用最广泛、结构最先进、性能最高、功能最完整的系统，因此在目前的水泥自动化生产控制中，集散控制系统成为了人们的首选。1.3课题的来源、主要研究内容及课题的意义1.3.1课题的来源 兰丰水泥集团创建于2000年8月，是一家以水泥生产经营为主的企业集团。初期，通过收购的国有水泥生产线进行水泥生产。原有的水泥生产线采用湿法立窑或湿法旋窑水泥生产方法，不仅技术含量低、能耗高、严重污染环境，而且产量小，质量也无法提高，不利于集团的发展。在这种情况下，集团提出了在江西丰城新建一条250

30、0td新型干法水泥生产线，并且采用DCS系统对整个生产过程进行监控，以最大提高效率。整个DCS系统的工作包括：DCS系统的选型(方案设计)、DCS系统的集成、DCS系统的现场安装、DCS系统的组态、DCS系统的通电及测试、DCS系统的联调试运、协助DCS系统的投运、DCS系统的技术资料的整理和交付、DCS系统的验收以及系统投运后的技术支持。整个DCS系统工作由江西中南科技有限公司，南昌大学机电研究所测试控制与机电一体化实验室，江西万年青水泥有限公司三方合作完成。132课题完成的主要工作在兰丰水泥生产线的自动化控制系统建设过程中，我校所承担的任务和完成的主要工作是：1进行DCS系统的选型工作，并

31、进行了系统方案的设计。2DCS的组态，该工作分成上位机组态和下位机组态两部分。上位机组态工作有数据库组态、流程图画面组态和工作站监视组态：下位机组态是进行控制策略组态工作。3系统的集成与调试。将上位机组态与下位机组态相结合，在现场工程施工方及相关电气人员的配合下实现系统的打点测试、单机测试及联动测试，并完成DCS系统的技术资料的整理和交付、DCS系统的验收以及系统投运后的技术支持。由于该项目的工作量比较大，要保证在规定的时间内完成DCS系统的组态任务必须进行适当的分工。主要是将DCS的组态工作分成上位组态和下位控制策略组态两部分。我的同学吴斯文完成的是上位机的组态工作，而我完成的是下位控制策略

32、组态工作。下位控制策略组态工作取得的工作有：通过专用的组态软件，完成了现场控制站的数据采集、处理和输出。采用常规功能模块设计了个组开停车控制的模板，通过该模板，实现了水泥厂设备的开停车自动化。并完成了重要工艺参数的PID调节等工作。133课题的意义 从学术角度来看，本课题涉及到计算机技术、网络通信技术、数据库技术、测控技术、人机接口技术及水泥生产等多个学科。通过本课题的研究，不仅可以促进各个学科的深入发展，同时还能进一步促进各学科技术的交叉与融合。从工程的角度来看，该课题按时保质保量完成，是该水泥生产线顺利投产的保障。DCS系统能够长期稳定地在该生产线上运行，才能为客户创造最大的经济效益。 从

33、社会经济效益来看，对本套系统的研究，能够更好地促进DCS在我国的应用，特别是在水泥行业的应用；同时，通过对该系统的研究，可以更好地找出国产DCS与国外DCS的差距，更好地为国产DCS技术的发展做贡献。第二章集散控制系统21集散控制系统概述21I集散控制系统的概念集散控制系统又名分布式计算机控制系统(Distributed Control System)，简称DCS。其实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。它是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术和人机接口技术相互渗透发展而产生的，既不同于分散的仪表控制系统，又不周于集中式计算机控制

34、系统，它是吸收了两者的优点，在它们的基础上发展起来的一门系统工程技术，具有很强的生命力和显著的优越性。其主要特征是：集中管理，分散控制。212 DCS的特点集散型控制系统是采用标准化、模块化和系列化设计，由过程控制级、控制管理级、生产管理级和经营管理级所组成，以通信网络为纽带，具有集中显示操作管理、控制相对分散特点的多级计算机网络系统结构。集散型控制系统具有以下主要特点：l.自主性系统上各工作站是通过网络接口连接起来的，各工作站独立自主地完成自己的任务，且各站的容量可扩充，配套软件随时可组态下载，是一个能独立运行的高可靠性子系统。2协调性实时高可靠的工业控制局部网络使整个系统信号共享，各站之间

35、从总体功能及优化处理方面具有充分的协调性。3友好性DCS软件面向工业控制技术人员、工艺技术人员和生产操作人员，采用实用而简捷的人机会话系统，CRT高分辨率交互图形显示，复合密口技术，画面丰富，纵观控制、调整、趋势、流程图、回路于一览，批量控制、计量报表、操作指导画面、菜单功能等均具有实时洼。平面密封式薄膜操作键盘、触摸式屏幕、鼠标器、跟踪球等操作器更便于操作。4适应性、灵活性和可扩充性硬件和软件采用开放式，标准化设计，系统积木式结构，具有灵活的配置可适应不同用户的需要。工厂改变生产工艺、生产流程时只需改变系统配置和控制方案，相应使用组态软件填一些表格即可实现。5在线性与实时性通过人机接口和IO

36、接口，对过程对象的数据进行实时采集、分析、记录、监视、操作控制，可进行系统结构、组态回路的在线修改、局部故障的在线维修。6高可靠性高可靠性是DCS的生命力所在，从结构上采用容错设计，使得在任一个单元失效的情况下，仍然保持系统的完整性，即使全局性通信或管理失效，局部站仍能维持工作。从硬件上包括操作站、控制站、通讯链路都采用双重化配置。从软件上采用分段与模块化设计，积木式结构，采用程序卷回或指令复执的容错设计。213 DCS的过去、现在与未来世界上第一套计算机控制系统是1959年3月在美国德克萨斯州Texaco炼油厂投入运行的。由于当时受计算机技术的局限，是用一台计算机对整个生产流程，生产线进行监

37、测与控制，即所谓的集中式控制系统。集中式控制系统的优点是结构简单、清晰、数据库容易管理且保证数据的一致性。但缺点是非常明显的，软件复杂而庞大可靠性下降，系统可扩展性差，当计算机出现故障时会危及全部生产的正常进行。针对集中式控制系统存在的问题，人们提出了几点具有建设性的思路，后来成为设计DCS的基本原则：用多台计算机代替一台计算机对生产线进行控制，从而将危险分散，提高系统的可靠性和实用性。用不同的计算机去实现不同的功能，使每一台计算机功能尽量单一化，单一化的处理软件在结构上容易做的简单，可提高软件的可靠性。用计算机网络解决系统的扩充和升级问题。事实上被控过程本身具有层次性和可分割性，上述设想符合

38、被控过程自身的内在规律，因此在1975年由美国honeywell公司率先推出基于上述设想的DCS后，很快得到了广泛的承认和普遍的应用。自DCS诞生以来，DCS已经发展到了第四阶段。1初始阶段：1975年美国霍尼韦尔公司第l套TDC一2000集散控制系统问世不久世界各国仪表制造商就相继推出了自己的集散控制系统，即第1代集散控制系统，它已经拥有集散控制系统的基本结构；分散过程控制装置，操作管理装置和通讯系统。并已具备了集散控制系统的基本特点：集中管理，分散控制。2发展阶段：随着控制技术、计算机技术、半导体技术、网络技术和软件技术等的飞速发展，集散控制系统进入第2代。第2代集散控制系统的主要特点是系

39、统功能的扩大和增强以及通信范围和数据传送速率的大幅提高。它采用模块化、标准化设计，数据通信向标准化靠拢，控制功能更加完善，具有很强的适应性和扩充性。3成熟阶段：1987年美国FOXBORO公司推出的IAS系统标志着集散控制系统进入了第3代。第3代集散控制系统的主要改变是在局域网络方面。它通过采用MAP等协议，使各不同制造商的产品可以相互连接、相互通信和进行数据交换，同时，第3方应用软件可方便应用，也为用户提供了更广阔的应用空间。4.新一代DES系统：受信息技术(网络通信技术、计算机硬件技术、嵌入式系统技术、现场总线技术、各种组态软件技术、数据库技术等)发展的影响，以及用户对先进的控制功能与管理

40、功能需求的增加，各DCS厂商纷纷提升DCS系统的技术水平，并不断地丰富其内容。以honeywell公司最新推出的Experion PKS(过程知识系统)、Emerson公司的PlantWeb(Emerson Process Management)、Foxboro公司的A2、横河公司的R3(PRM一工厂资源管理系统)和ABB公司的Industrial IT系统为标志的新一代DCS已经形成。第四代DCS的最主要标志是：Information(信息)和Integration(集成)。信息化体现在各DC8系统已经不是一个以控制功能为主的控制系统，而是一个充分发挥信息管理功能的综合平台系统。Des的集成

41、性则体现在两个方面：功能的集成和产品的集成。过去的DC8厂商基本上是以自主开发为主，提供的系统也是自己的系统。当今的DCS厂商更强调的系统集成性和方案能力，DCS中除保留传统DCS所实现的过程控制功能之外，还集成了PLC(可编程逻辑控制器)、RTU(采集发送器)、FCS、各种多回路调节器、各种智能采集或控制单元等。此外，各DCS厂商不再把开发组态软件或制造各种硬件单元视为核心技术，而是纷纷把DCS的各个组成部分采用第三方集成方式或OEM方式。DCS的发展呈现以下趋势：l、开放性DCS中所使用的设备将趋于通用的产品，专用的产品将越来越少，特别是计算机和网络。高性能的工业微机、工作站将被大量采用，

42、通用网络产品也将逐步淘汰专用网络。网络通信规约逐步向得到普遍承认的标准靠拢，以系统集成的方式构成应用系统方法已得到越来越多的应用。2、分散化和智能化智能仪表、智能电子设备及现场总线技术将被大量采用。DCS的体系结构进一步走向分散化，直接数字控制将深入到每一个控制回路、现场设备和工位，因此现场总线网络的发展成为各厂家注目的焦点。3、系统构成的多样化现在几乎己看不到传统意义上的DCS了，目前所说的DCS是一种广义的概念，其中包括了传统DCS厂家推出的新一代系统，也包括由PLC、高速总线网和专业厂家的组态软件所构成的系统。在不同的应用领域，DCS的构成也各有不同。4、综合自动化系统的发展逐步走向综合

43、自动化，将来的任何系统都不是孤立的，无法与其他系统互相通信并实现集成的DCS已不再有生命力。FCS是由DCS与PLC发展而来，FCS不仅具备DCS与PLC的特点，而且跨出了革命性的一步。从发展来看，DCS终将被FCS替代，但不会马上被替代，需要一个过程，这是因为：首先，用户对于原有的广为使用的DCS系统比较熟悉，且DCS具有较好的运行稳定性；再者，现场总线控制系统是以现场智能仪表为基础，智能仪表较之常规仪表价格要高，致使初始投资费用可能要高于DCS的投资费用，而原来己配备DCS系统的厂家已投入大量资金，就更不可能在短期内换成现场总线控制系统； 最后，DCS系统尚有潜力可挖，而且DCS也在不断地

44、发展之中，其性能在不断地完善，DCS也在朝向开放系统的方向发展，并实现了与现场总线的相结合。2.1.4 DCS的体系结构目前，层次化已成为DCS的体系特点，使其体现集中操作管理、分散控制的思想。可以将DCS的层次分为以下四级(见图21)。1现场装置管理层次的直接控制级(过程控制级)在这一级上，过程控制计算机直接与现场各类装置(如变送器、执行器、记录仪表等)相连，对所连接的装置实施监测、控制，同时它还向上与第二级的计算机相连，接收上层的管理信息，并向上传递装置的特征数据和采集到的实时数据。2：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

45、中显示操作，控制回路组态和参数修改，优化过程处理等。3生产管理级(产品管理级)在这一级上，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，是产品的总体协调和控制者。在中小企业中，这一级可能充当最高一级管理层。具有比系统和控制工程更宽的操作和逻辑分析功能，以及产品重新组织和柔性制造的功能。4工厂总体管理级(经营管理级)这一级居于中央计算机上，并与公司(或工厂)的经理部、市场部、计划部以及人事部等办公室自动化连接起来，担负起包括工程技术方面、经济方面、商务方面和人事方面等的总体协调和管理，实现整个制造系统的最优化。215 I)CS系统的硬件结构在系统功能方面，DCS和集中式控制系统的区别不

46、大，但在系统功能的实现方法上却完全不同。集中式控制系统只需要一台计算机以及有关的IO设备和CRT、键盘、打印机等外部设备即可完成系统功能，而DCS则一般要由四个基本部分组成，即系统网络、现场IO控制站、操作员站和工程师站。在DCS中，现场IO控制站、操作员站和工程师站都是有独立的计算机构成的，它们分别完成数据采集、控制；监视、报警、记录；系统组态、系统管理等功能。这些完成特定功能的计算机都被称为“节点”，而所有这些节点又通过系统网络连接在一起，成为一个完整统一的系统，以此来实现分散控制和集中监视、集中操作的目标。下面，简要介绍一下各个部分的功能和构成。首先，是DCS的骨架系统网络，它是DCS的

47、基础和核心。由于网络对于DCS整个系统的实时性、可靠性和扩充性起着决定性的作用，因此各厂家都在这方面进行了精心设计。对于DCS的系统网络来说，它必须满足实时性的要求，即在确定的时间限度内完成信息的传送。这里说的“确定”的时间限度，是指无论在何种情况下，信息传送都能在这个时间限度内完成，而这个时间限度则是根据被控制过程的实时性要求确定的。因此，衡量系统网络性能的指标并不是网络的速率，即通常所说的比特数(bps)，而是系统网络的实时性，即能在多长的时间内确保所需信息的传输完成。系统网络还必须非常可靠，无论在任何情况下，网络通信都不能中断，因此多数厂家的DCS均采用双总线、环形或双重星形的网络拓扑结

48、构。为了满足系统扩充性的要求，系统网络上可接入的最大节点数量应比实际使用的节点数量大若干倍。这样，一方面可以随时增加新的节点，另一方面也可以使系统网络运行于较轻的通信负荷状态，以确保系统的实时性和可靠性。在系统实际运行过程中，各个节点的上网和下网是随时可能发生的，特别是操作员站，这样，网络的重构会经常进行，而这种操作绝对不能影响系统的正常运行，因此，系统网络应该具有很强的在线网络重构功能。第二，是DCS的现场IO控制站。这是一个完成对过程现场IO处理并实现直接数字控制(DDC)功能的网络节点。其主要功能有三个：(1)将各种现场发生的过程量(流量、压力、液位、温度、电流、电压、功率以及各种状态等

49、)进行数字化，并将这些数字化后的过程量存在存储器中，形成一个与现场过程量一致的、能一一对应的、并按实际运行情况实时地改变和更新的现场过程控制量的实时映象。(2)将本站采集到的实时数据通过网络送到操作员站、工程师站及其他现场io控制站，以便实现全系统范围内的监督和控制，同时现场IO控制站还可接收有操作员站、工程师站下发的信息，以实现对现场的人工控制或对本站的参数设定。(3)在本站实现局部控制、回路的计算及闭环控制、顺序控制等，这些算法一般是一些经典的算法，也可通过工程师站下装非标准算法和复杂算法。一般一套DCS中要设置多个现场IO控制站，用以分担整个系统的IO和控制功能。这样既可以避免由于一个站

50、点失效造成整个系统的失效，提高系统的可靠性，也可以使各站点分担数据采集和控制功能，有利于提高整个系统的性能。第三，是DCS的操作员站，它是处理一切与运行操作有关的人机界面(HMI-Human Machine Interface或OIoperator Interface)功能的网络节点。其主要功能就是为系统的运行操作人员提供人机界面，使操作员可以通过操作员站及时全面地了解现场运行状态、各种运行参数的当前值、是否有异常情况发生等。并可通过操作员站的输入设备对工艺过程进行控制和调节，以保证生产过程的安全、可靠、高效、高质。操作员除了可以监视生产过程的运行状态，还可以监视控制系统本身各个设备的运行状态

51、，如测量和控制设备是否正常和完好，因此操作员站又可以提供系统管理的功能。第四，是DCS的工程师站，它对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络节点。其主要功能是提供DCS进行组态、配置工作的工具软件(即组态软件)，并在DCS在线运行时实时地监视DCS网络上各个节点的运行情况，使系统工程师可以通过工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定，使DCS随时处在最佳的工作状态之下。与集中式控制系统不同，所有的DCS都要求有系统组态功能，可以说，没有系统组态功能的系统就不能称其为DCS。 近年来，还有一些DCS厂家提供了在线组态功能，但由于在线组态对于系统运行有一定的危险性，依

52、次在实际运行中很少采用。图22为典型的DCS体系结构图。分布式控制系统DCS在系统的处理能力和系统安全性方面明显优于集中系统，这是由于DCS使用了多台计算机分担了控制和范围，使处理能力大大提高，并将危险分散，单台计算机的故障只会影响部分功能的实现。在系统扩充性方面，DC比集中式控制系统更具有无可比拟的优越性。系统规模的扩充被简化为网络节点的增加，只要根据需要增加所需的节点，并修改相应的组态，即可实现系统的扩充。DCS由于以上优点，现在己成为计算机控制系统的主流体系结构。21-6 DCS系统的组态软件组态就是用专用的软件定义系统的过程，就是针对具体应用的要求进行各种与实际应用有关的系统配置、数据

53、库、历史数据库、控制算法、图形、报表等定义，使系统满足应用设计要求的过程。 组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式(而不是编程方式)提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和IO设备，与高性能的工控计算机和网络系统结合，向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，进行系统集成。DCS组态工作的内容主要包括：系统组态、数据库组态、控制策略组态、流程图组态、报表组态等l、系统组态的设计系统组态是针对整个控制系统的硬件结构进行组态

54、，它是整个工程项目组态的第一步。各现场控制站和操作员站的基本配置信息即通过系统组态来设定，选择投入运行的现场控制站的类型、个数及各自的站号及是否有冗余，确定操作员站的站号，确定网络结构等等。2、数据库组态的设计数据库是分布式控制系统的信息来源。一个工程项目中所有需要监测和控制的点都在数据库组态中完成。根据点数据类型的不同，数据库组态分为模拟量输入、模拟量输出、开关量输入、开关量输出、累加量等。3、DCS的控制策略组态控制策略组态软件的设计主要包括以下几个方面：输入、输出、运算和控制功能块的设计；仿真对象的典型对象块的设计；按控制要求用功能块构成控制回路，实现控制策略组态。4、DCS的画面组态D

55、CS的画面组态主要包括过程流程图，过程控制图画面的设计、绘制、动态数据更新及动态调用， 画面组态设计应尽量便于操作，即设计时应充分考虑操作的方便，减少失误，使用户在经过尽可能少的培训后，就能掌握图形绘制的方法，特别是在采用了窗口技术的DCS系统中。由此可知，画面设计的重点是画面的构思、颜色的选择、数据显示方法等的设计。DCS画面组态的好坏直接影响工作人员的操作质量，过程流程图画面的设计与工艺流程有关，因为工艺流程图一般较大，所以过程流程图的设计是根据工艺流程图进行分散的，用若干个画面来代替整个工艺流程图，这一点对用户来说，较容易根据操作流程、分工等完成分割制作。5、报表组态报表大致分为周期性报

56、表和触发性报表两种。周期性报表一般用来打印生产过程的操作记录和统计(求和等)，它取代了操作工的抄表工作。这类报表一般采用定时驱动，通常是时报、班报、日报、月报等。而触发性报表则用来记录在特定事件发生前后的某些点的值，往往用来进行事故或故障分析。217我国DCS的发展现状DCS已是国际上公认的“工业自动化必由之路”，我国目前正处在经济高速发展时期，许多企业倍受“产品质量不稳定、能耗高、效益低”的困扰，要解决这些问题，大力提高各行业的自动化水平是必不可少的一环。要提高自动化水平，在过程工业领域使用DCS是必由之路。我国目前使用的DCS绝大多数是从国外引进，花费了巨额的外汇。许多中小型企业由于缺乏大

57、额资金，只能对DCS望洋兴叹。为了尽快提高我国工业自动化水平，普及DCS的应用，必须大力促进国产DCS的发展。DCS系统在70年代末期进入我国后，其应用逐步普及，当时我国的DCS系统产业还处于起步阶段，故国外的DCS产品占据了我国的绝大部分市场，其代表厂家为美国Honeywell公司和日本横河公司。进入90年代后，情况发生了很大的变化，随着我国DCS厂家的堀起，国产DCS系统的市场占有率不断上升。经过多年来的努力，国产DCS系统取得了长足的进步，在性能、可靠性和价格方面，某些国产DCS已达到甚至部分超过国外同类产品水平。而且有的系统在激烈的竟标中，击败了多家国外著名DCS厂商，进入了对安全性和

58、可靠性要求极高的核电行业。同国外DCS系统相比，国产DCS系统具有以下优点：1价格低，通常相当于国外同类产品价格的一半；2培训操作方便，由于使用中文资料、中文操作界面和组态软件，故操作人员和技术人员只需经过短期培训便能熟练操作；3售后服务及时，备品备件充足，技术支持有力。当然蕃国DCS系统与外国的DCS系统比较起来还存在一定的缺陷：系统的可靠性不如国外厂家，组态软件编程复杂，编程界面不够友好，组态周期长，应用水平大多不高，很少在大型的工程项目中得到应用。目前，由于我国采取积极的财政政策，拉动内需，将有一大批的项目将要投建；一些国有企业要采用先进的DCS来改造传统产业；以及我国在80年代末、90

59、年代初大量引进的国#FDCS相当一部分己经投入运行十余年，到了系统的生命周期。这些因素都给我国的DCS厂家提供了巨大的商机，为我国DCS技术的发展与应用提供了良好的机遇。DCS当前面临着现场总线控制系统(FCS)技术的挑战，尽管现场总线的国际标准不理想，但作为种技术趋势已经是不可阻挡了。因此，我们在发展DCS的同时，必须重视FCS的发展。当前我国的现场总线技术虽然落后于国际，但差距不是很大。因此，我们应该在市场体制下，从市场的整体利益出发，各企业之间既竞争又合作，争取在DCS的技术过渡期形成有我国特色的FCS，缩小与国外技术上的差距。2.1.8 DCS的选型近年来，随着DCS系统技术的不断发展

60、、成熟和普及，特别是随着DCS系统的价格大幅度下降，各行业越来越多地采用DCS来进行控制和管理。目前，面对国外十来家著名的DCS和国内近几年发展起来的DCS，用户经常遇到DCS的选型问题。应该说，这不是一个简单的问题，因为，DCS本身是一个涉及计算机、控制系统、通信等技术的复杂系统，且DCS控制的生产过程又通常为较大型的工业过程，如果DCS选择不好，不仅影响了正常开工而造成较大的经济损失，而且在生产过程中，系统如发生故障可能会造成很大的经济损失，重则会导致设备损坏甚至人身伤亡。此外，DCS应用时问都较长，一般八年甚至十年以上，系统的维修费用和后续备品备件费用(特别是对国外引进的系统)都要考虑，

61、就更加大了选择的难度。 根据前人积累的经验，在进行DCS选型时主要考虑以下几个要点：(1)可靠性：即系统能否长期稳定地运行。(2)实用性：控制系统的各方面技术指标能否全面满足生产控制的要求，系统软件包括组态软件及监控软件是否齐全、完善、可靠和方便使用，用户是否自己完成组态、现场调试及投运后是否便于维护。(3)价格：系统的价格是否在用户可接受的范围内，且是否合理。(4)可操作性：控制系统的人机界面是否便于操作人员的操作，画面是否直观。针对中国国情，系统是否是中文系统，有无中文报表等等。(5)维修性：故障诊断功能是否完善，故障指示是否明确硬件是否维修方便，用户可否自己更换模板即可达到维修目的，模板

62、是否可直接带电拔插而不影响系统的正常运行。(6)专业性：从理论上来讲，DCS可以用于不同的工艺过程，它是通用的控制设备。但是，DCS的制造厂家可能专长于某一领域。如：HoneyweIl公司的TDC- 2000、TDC- 3000，主要用于石化部门。BAILEY公司的N90、INFI一90主要用于电力系统，ROSEMOUNT公司的RS3、AV大多用于化工系统。因为不同工艺过程会有一些特殊要求，如：电厂一定要有电调设备和SOE，石化部门一定要有选择性控制，水泥行业一定要有大纯滞后控制补偿等，选型时要考虑这些特殊因素。(7)其他。如：备品备件是否供应方便、及时、价格是否合理；用户自行维护有困难时能否

63、得到厂家技术人员的及时帮助。用户培训的力度和方便程度如何，费用高低，能否实际上机操作等。总之，用户在选择一套DCS时，应尽可能客观、公正地分析一下自己的要求，然后，对照自己的要求，逐项考察，最后综合各种因素选一套好的系统。22 Honeyvell Plantscape SCADAHC900系统控制系统是根据不同控制对象的特点实施控制的，对于连续过程，一般使用模拟调节仪表和DCS实施控制的；对于离散过程，一般使用继电器和PLC实施控制。而在实际的生产过程中，更多遇到的是连续控制和非连续控制的混合型控制，在这种情况下，用户一般会采用DCS或PLC+HMI(Human-Machine Interfaces)来解决问题。DCS具有非常高的可靠性和实用性，能将删I、数据库和应用软件完全地集成在一起，在连续控制领域具有优势，但在功能提高的同时带来了很多不便，而且若应用在混合控制场合需要的费用比较高。PLC价格低廉，采用模块化设计，在高速逻辑应用场合具有优势，但它不能将控制器、HMI和应用软件很好地集成在一起，而且没有复合式数据点。由于采用DCS或PLC+HMI来解决混合控制问题不尽如人意，因此，有人提出采用一种折衷方案，即把DCS和PLC集成在一起，组成一个控制系统。虽然这种方案能够实现基本的模拟量调节和开关量控