仪表工操作知识，仪表工必读
一、
DCS----分布式控制系统
1、 什么是DCS？
DCS是分布式控制系统的英文缩写（Distributed Control System），在国内自控行业又称之为集散控制系统。
2、 DCS有什么特点？
DCS是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合的产物。DCS通常采用若干个控制器（过程站）对一个生产过程中的众多控制点进行控制，各控制器间通过网络连接并可进行数据交换。操作采用计算机操作站，通过网络与控制器连接，收集生产数据，传达操作指令。因此，DCS的主要特点归结为一句话就是：分散控制集中管理。
3、 DCS的结构是怎样的？
上图是一个较为全面的DCS系统结构图，从结构上划分，DCS包括过程级、操作级和管理级。过程级主要由过程控制站、I/O单元和现场仪表组成，是系统控制功能的主要实施部分。操作级包括：操作员站和工程师站，完成系统的操作和组态。管理级主要是指工厂管理信息系统（MIS系统），作为DCS更高层次的应用，目前国内纸行业应用到这一层的系统较少。
4、 DCS的控制程序是由谁执行的？
DCS的控制决策是由过程控制站完成的，所以控制程序是由过程控制站执行的。
5、 过程控制站的组成如何?
DCS的过程控制站是一个完整的计算机系统，主要由电源、CPU（中央处理器）、网络接口和I/O组成
6、什么是DCS的开放性？
DCS的开放性是指DCS能通过不同的接口方便地与第三方系统或设备连接，并获取其信息的性能。这种连接主要是通过网络实现的，采用通用的、开放的网络协议和标准的软件接口是DCS开放性的保障。
7、什么是系统冗余？
在一些对系统可靠性要求很高的应用中，DCS的设计需要考虑热备份也就是系统冗余，这是指系统中一些关键模块或网络在设计上有一个或多个备份，当现在工作的部分出现问题时，系统可以通过特殊的软件或硬件自动切换到备份上，从而保证了系统不间断工作。通常设计的冗余方式包括：CPU冗余、网络冗余、电源冗余。在极端情况下，一些系统会考虑全系统冗余，即还包括I/O冗余。
8、什么是I/O余量？
与冗余不同，I/O余量只是系统中I/O数量大于应用的要求，这种余量只是数量上的，主要目的是使系统今后有继续加入控制信号的可能
二、DCS在选型中的几个问题
工艺流程确定后，控制系统被控对象也就确定。选用哪种控制系统成为重要问题,这主要根据项目规模和投资预算来考虑。DCS与模拟仪表相比更复杂，技术性能要求更高，除控制硬件外，还涉及通信协议、监控软件及与其相连的数据存储等。新系统出现后，与互连网Web技术相结合，还涉及工业连接软件和优化控制软件，实时数据库、与工厂关系数据库的连接，传统DCS、PLC的互操作等问题。
1、 按投资预算确定控制系统
如控制回路较多，模拟量采集较大，热电阻、热电偶的采集较多时，应选用DCS。采用哪种DCS，应从以下几方面考虑:
目前，正是新老系统交接时期，DCS软、硬件正由专用走向通用。选比较新型的系统，价格比较低，备品比较好买，维护费用会大幅度下降。与其他系统互连容易，费用低。系统集成是未来十几年的趋势,是计算机技术发展的一个新阶段。
DCS制造厂家往往对某一领域比较专长。如Honeywell TDC2000、TDC3000、TPS和PKS系统，横河CS1000、CS3000系统主要用于石化部门，因为其闭环控制回路比较多，模拟量控制比较方便。模拟量和开关量控制是完全分开的，在开关量的控制方面不如其他DCS方便。
BAILEY公司N90、INFI90，西屋WDPFI、WDPFII、OVATION系统主要用于电力系统。这两个系统在模拟量和开关量结合方面较好。OVATION系统是新型软DCS系统，也是现在销售情况最好的系统之一。
Fisher-Rosmount公司和西屋被Emerson收购，老系统PROVOX 、RS3大多用于化工系统，其批量、配方等很有特色。现在已经基本迁移改造到新系统Delta V上，新系统兼容现场总线和Hart协议。
不同工艺过程会有一些特殊要求，如电厂要有电调设备(DEH)和事件顺序记录（SOE）。水泥行业、冶金行业等开关量与模拟量之比大约是6：1，而且纯滞后环节较多，有时需控制补偿等，选型时要考虑这些因素。有的DCS系统开关量逻辑控制组态不太方便，这时要考虑采用DCS和PLC混合使用。如电厂锅炉控制采用DCS，输煤程控和水处理、除灰等逻辑控制采用PLC。
经济性该从DCS价格和预计效益角度考虑。同档次中，进口DCS控制功能强一些。进口产品有一些先进控制算法，如Smith预估、三维矩阵运算等，因销售时间较长，软件保证体系更完善。国产DCS价格低很多，也能满足基本技术要求,因开发较晚，某些技术比国外的还先进一些，如以太网的应用、导轨式的嵌入式PC为基础的控制器和已经有现场总线接口等。从结构上看，我国DCS比某些进口DCS还合理。
国外传统DCS厂家的控制器差别不大，但操作站区别较大。分以PC机和小型机为基础两类。小型机价格比PC机高很多,且许多机型已停产。PC机操作系统用NT，稳定性虽没UNIX好，但作为操作站使用足够。小型机接口用SCSI，传输速率理论上是串行20倍之多。以NT操作系统作为操作站，如采用串行连接，点数（标签数）能少一些，这与硬件配置有关。有时由于硬件与软件配合不好，会频繁死机。国产PC机更便宜，采用PC机操作站，可以采用最新机型和监控软件，与计算机技术的发展基本同步。现场技术人员对软件的安装、调试、联网和开发也更熟悉。监控软件分专用和通用，通用监控软件开放性能好，能在以太网中用DDE、或OPC方式交换数据。专用监控软件脚本不丰富，不能与第三方设备连接，所以目前快要退出市场，但病毒、黑客难以侵入;致命的缺点是开放性能差。
传统DCS即将退出市场，新型系统可以是集成的，也可以由DCS厂家作为系统供应的。对于集成系统可以是操作站采用通用的，控制器有许多接口，与PLC，Web连用。用户可以通过工程公司集成，应按照项目的规模大小和预算资金来选择使用。由于有通用的监控软件，符合IEC61131-3标准的编程软件、可以选用嵌入式系统或软DCS系统，集成的控制系统有可能达到最高的性价比。
系统规模主要由系统的输入输出点数确定。其中包括连锁、特殊控制要求所需的输入输出点数。选择DCS的型号要看资金确定和维护的工作量，有的DCS除操作站需要维护以外，控制部分基本不需维护。
在选型时，要考虑是否需要冗余。新型DCS的通讯网络是冗余的，结点之间距离和DCS网络总长度以及各结点地理配置有关。通用以太网，网卡等价格很低，而专用网络接口很贵。经济性涉及很多因素，最好联系国内类似单位，进行技术培训，或请教有经验的专家解决有关困难。
工程承包方的技术力量。要选择技术力量较强单位作总体方案，而具体编程或组态可分别完成。 国外DCS厂商技术人员不可能大批来我国服务，不熟悉我们应用情况，更不可能什么系统都很清楚，所以具体实施还是国内技术人员较好。
如采用进口DCS，可得到国外一些开发工业连接软件公司的技术支持，能把系统做好一些。我国技术人员也得到提高。虽然我国技术与国外相比有一定距离，但国内技术人员对国内情况比较了解，在国外大公司支持下，做的工程会达到更好性能。
售后服务。国外厂商通常配品、备件供应价格高，且不能及时提供。用户应选择厂商实力雄厚，技术力量强、境内技术支持好的厂家。厂家会不断更新产品，新旧产品兼容性要好。国内DCS厂家配品、备件供应较及时，售后服务做的比较好，许多第三方厂家也开发了许多价廉物美的产品，用户都可选用。
技术的先进性。计算机技术发展很快，而DCS发展相对稳定，这涉及新技术的应用。要注意：有些国外厂家为抢占市场，经常把不太成熟的产品推到第三世界。国产DCS销售时间还不够长，对一些软件的测试条件不够完善，在一些极特殊情况下，是否会产生问题没有足够证据，所以有时发生故障会有解释不清的情况。
系统集成已成熟，为节约资金，可采用。应该向ABB公司学习，它的工业IT，就是集成了许多家的产品。用类似的办法，不仅能集成出好的系统，还能培养技术队伍。
综上，选型不但要考虑项目规模和投资预算，还要考虑一系列其它因素。系统集成是以后的方向，不仅满足控制要求，而且性能好、资金省。
2、 按输入/输出点数确定操作站控制器的型号和台数
控制器和处理I/O点数的能力
系统首先要决定采用多少控制器和人机界面。回路控制器组成的系统是比较单一，提供的IO点数确定，用满它的I/O点和回路数目是可以的（有现场总线连在控制器上除外）。购买的产品品牌确定后，就要确定PLC或DCS的型号，要购买多少台控制器、一个控制器需要配多少I/O卡件。这个问题对于最终用户来说是很重要的。
硬件组态。DCS、PLC的型号确定以后，计算各种类型的I/O的卡件数。这称为硬件（或称为硬件配置）组态。硬件组态有三方面考虑：首先是与控制器位置有关的I/O设备位置的确定。考虑到安装布线费用，远程I/O体系有优势。本地I/O或远程I/O选定以后，就要选模块型号。通常不会只要一种型号I/O模块。型号选定后，计算每种型号I/O模块数。根据所用的现场传感器、控制设备工作原理和电压幅值来划分统计。根据（输入/输出）功能、电压、工作原理，统计接口模块数。
软件组态。上述工作完成后，才开始软件组态，即DCS采用功能块组态，PLC编制梯形图。现场安装和调试，最后使系统很好的运转。除了I/O模块数，还要考虑控制器逻辑程序所用处理机内存容量，最后还要考虑处理机指令系统。
关于DCS，控制器I/O点数配置比PLC要复杂一些。因DCS主要考虑模拟量处理，它占的处理机内存容量更多。所以选型后，还必须确定点数裕量。根据经验，假设实际有100个I/O点，应选用能识别300-400点I/O的控制器。
假设一台DCS控制器能连接64块I/O卡，在实际连接时，连接20多块I/O卡才合适。每块卡分别是8路或16路。如果都是开关量，块数可适当多一些;模拟量块数要少一些。
如果一台DCS控制器能完成120个PID控制回路任务，在做组态时最好作40多个回路，再加上部分开关量和模拟量采集，控制器才能正常运转。一定不要作太满，否则不仅影响控制器运行，还影响DCS通讯网络工作。
一个系统要用好几台控制器，各控制器作硬件组态时，相互间负荷要平衡，各控制器输入/输出点数要相当。各控制器要组态多少PID回路关系不大，只要I/O的点数大约是最大能力的30-40%左右。如两台控制器输入/输出点数都没超出，但数量差太远，比如一台是1000多点，而另一台只有100多点，这时通讯网络的工作不太正常。
控制器识别I/O点数的能力和推荐的I/O点数。说明书中控制器宣传的读取I/O能力越大，留的余量就应越大。如宣布一台控制器有12000点的I/O能力，或有5000点的I/O能力，实际I/O点不能超过1/3，甚至还要少。使用每块卡件，如8通道输入卡，还要留出1-2个通道，16路输入卡，要留出2-3个通道，以便调试时更换通道用。尤其是热电阻或热电偶卡，一定要留富余通道，小信号的模拟量通道更易损坏，调试时更要小心。厂家会给出一台控制器推荐的I/O点数，根据这个点数留余量，而不是一台控制器能识别I/O的能力。
操作站和标签量。传统DCS的操作站读取I/O点数是有严格规定的，能显示标签量的多少与下列几个因素有关：作站主机CPU的运算速度；操作站主机存储器的大小；主机与DCS网络接口的连接方式（有串行和SCSI之分）；监控软件所接收I/O点数。按说明书作操作站组态。
根据操作站显示标签数量，决定操作站台数。新型系统由于主机CPU的运算速度和存储容量都能满足要求，标签量可以作的很大，几万个标签都可以作到。
3、关于控制系统的网络层次
80年代传统DCS网络只有一级或两级，分别是连接控制器和人机界面的通信网络。有的系统分成完成闭环控制任务的控制器、完成数据采集的控制器和完成逻辑控制任务的控制器，控制器之间用通信网络连接起来。这样就有两级网络。
90年代为把生产过程现场数据送到以太网，与MIS系统连接起来，又增加了网关，从而增加了网络层次。网络层次增加了，又增加专用的通信接口，有一层网络只读取数据，对控制没有贡献，由于使用接口产生瓶颈，使通信效率降低。
新型系统的控制器能直接上以太网，网络层次比较少，系统价格比较低。在作系统集成时，选用接口比较多的控制器，如以太网口、Modbus协议、RS232C或RS485等，使得控制器能与现场总线相连，或能与PLC相连。集成的系统功能强、能与商业活动结合在一起，并且能把控制系统当成一个核心似的，第三方能作二次开发。
三、RS485简介
RS485简介
智能仪表是随着80年代初单片机技术的成熟而发展起来的，现在世界仪表市场基本被智能仪表所垄断。究其原因就是企业信息化的需要，企业在仪表选型时其中的一个必要条件就是要具有联网通信接口。最初是数据模拟信号输出简单过程量，后来仪表接口是RS232接口，这种接口可以实现点对点的通信方式，但这种方式不能实现联网功能。随后出现的RS485解决了这个问题。下面我们就简单介绍一下RS485。
RS485接口
RS485采用差分信号负逻辑，＋2V～＋6V表示“0”，- 6V～- 2V表示“1”。RS485有两线制和四线制两种接线，四线制只能实现点对点的通信方式，现很少采用，现在多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为总线式拓朴结构在同一总线上最多可以挂接32个结点。在RS485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。很多情况下，连接RS-485通信链路时只是简单地用一对双绞线将各个接口的“A”、“B”端连接起来。而忽略了信号地的连接，这种连接方法在许多场合是能正常工作的，但却埋下了很大的隐患，这有二个原因：(1)共模干扰问题： RS-485接口采用差分方式传输信号方式，并不需要相对于某个参照点来检测信号，系统只需检测两线之间的电位差就可以了。但人们往往忽视了收发器有一定的共模电压范围，RS-485收发器共模电压范围为-7～+12V，只有满足上述条件，整个网络才能正常工作。当网络线路中共模电压超出此范围时就会影响通信的稳定可靠，甚至损坏接口。(2)EMI问题：发送驱动器输出信号中的共模部分需要一个返回通路，如没有一个低阻的返回通道（信号地），就会以辐射的形式返回源端，整个总线就会像一个巨大的天线向外辐射电磁波。
由于PC机默认的只带有RS232接口，有两种方法可以得到PC上位机的RS485电路：（1）通过RS232/RS485转换电路将PC机串口RS232信号转换成RS485信号，对于情况比较复杂的工业环境最好是选用防浪涌带隔离珊的产品。（2）通过PCI多串口卡，可以直接选用输出信号为RS485类型的扩展卡。
RS485电缆
在一般场合采用普通的双绞线就可以，在要求比较高的环境下可以采用带屏蔽层的同轴电缆。在使用RS485接口时，对于特定的传输线路，从RS485接口到负载其数据信号传输所允许的最大电缆长度与信号传输的波特率成反比，这个长度数据主要是受信号失真及噪声等影响所影响。理论上RS485的最长传输距离能达到1200米，但在实际应用中传输的距离要比1200米短，具体能传输多远视周围环境而定。在传输过程中可以采用增加中继的方法对信号进行放大，最多可以加八个中继，也就是说理论上RS485的最大传输距离可以达到9.6公理。如果真需要长距离传输，可以采用光纤为传播介质，收发两端各加一个光电转换器，多模光纤的传输距离是5~10公里，而采用单模光纤可达50公里的传播距离。
RS485布网
网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星形网络。在构建网络时，应注意如下几点：
（1）采用一条双绞线电缆作总线，将各个节点串接起来，从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。有些网络连接尽管不正确，在短距离、低速率仍可能正常工作，但随着通信距离的延长或通信速率的提高，其不良影响会越来越严重，主要原因是信号在各支路末端反射后与原信号叠加，会造成信号质量下降。
（2）应注意总线特性阻抗的连续性，在阻抗不连续点就会发生信号的反射。下列几种情况易产生这种不连续性：总线的不同区段采用了不同电缆，或某一段总线上有过多收发器紧靠在一起安装，再者是过长的分支线引出到总线。
总之，应该提供一条单一、连续的信号通道作为总线。
在RS485组网过程中另一个需要主意的问题是终端负载电阻问题，在设备少距离短的情况下不加终端负载电阻整个网络能很好的工作但随着距离的增加性能将降低。理论上，在每个接收数据信号的中点进行采样时，只要反射信号在开始采样时衰减到足够低就可以不考虑匹配。但这在实际上难以掌握，美国MAXIM公司有篇文章提到一条经验性的原则可以用来判断在什么样的数据速率和电缆长度时需要进行匹配：当信号的转换时间（上升或下降时间）超过电信号沿总线单向传输所需时间的3倍以上时就可以不加匹配。
一般终端匹配采用终端电阻方法， RS-485应在总线电缆的开始和末端都并接终端电阻。终接电阻在RS-485网络中取120Ω。相当于电缆特性阻抗的电阻，因为大多数双绞线电缆特性阻抗大约在100～120Ω。这种匹配方法简单有效，但有一个缺点，匹配电阻要消耗较大功率，对于功耗限制比较严格的系统不太适合。另外一种比较省电的匹配方式是RC匹配。利用一只电容C隔断直流成分可以节省大部分功率。但电容C的取值是个难点，需要在功耗和匹配质量间进行折衷。 还有一种采用二极管的匹配方法，这种方案虽未实现真正的“匹配”，但它利用二极管的钳位作用能迅速削弱反射信号，达到改善信号质量的目的，节能效果显著。
最近两年一些公司基于部分企业信息化的实施已完成，工厂中已经铺设了延伸到车间每个办公室、控制室的局域网的现状，推出了串口服务器来取代多串口卡，这主要是利用企业已有的局域网资源减少线路投资，节约成本，相当于通过tcp/ip把多串口卡放在了现场。
RS485和其它总线网络的区别：
我们把工业网络归结为三类：RS485网络、HART网络和现场总线网络。
HART网络：HART是由现在的艾默生提出一个过度性总线标准，他主要是在4~20毫安电流信号上面叠加数字信号，物理层采用BELL202频移键控技术，以实现部分智能仪表的功能，但此协议不是一个真正意义上开放的标准，要加入他的基金会才能拿到协议，加入基金会要一部分的费用。技术主要被国外几家大公司垄断，近两年国内也有公司再做，但还没有达到国外公司的水平。现在有很大一部分的智能仪表都带有HART圆卡，都具备HART通讯功能。但从国内来看还没有真正利用其这部分功能，最多只是利用手操器对其进行参数设定，没有发挥出HART智能仪表应有的功能，没有联网进行设备监控。从长远来看由于HART通信速率低组网困难等原因，HART仪表的采购量会程下滑趋势，但由于HART仪表已经有十多年的历史现在在装数量非常的大，对于一些系统集成商来说还有很大的可利用空间。
现场总线网络：现场总线技术是当今自动化领域技术发展热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网，它的出现标志着自动化控制技术又一个新时代的开始。现场总线是连接设置在控制现场的仪表与设置在控制室内的控制设备的数字化、串行、多站通信的网络。其关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通信。现场总线技术近年来成为国际上自动化和仪器仪表发展的热点，它的出现是传统的控制系统结构产生了革命性的变化，是自控系统朝着智能化、数字化、信息化、网络化、分散化的方向迈进，形成新型的网络集成式全分布式控制系统---现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）。但是现在的现场总线的各种标准并行存在并且都有自己的生存领域，还没有形成真正统一的标准，关键是看不到什么时候能形成统一的标准，技术也不够成熟。另外现场总线的仪表种类还比较少可供选择的余地小，价格也偏高，从最终用户的角度看大多还处于观望状态，都想等到技术成熟之后在考虑，现在实施的少。
RS485网络：RS485/MODBUS是现在流行的一种布网方式，其特点是实施简单方便 ，而且现在支持RS485的仪表又特多，特别是在油品行业RS485/MODBUS简直是一统天下，现在的仪表商也纷纷转而支持RS485/MODBUS，原因很简单，象原来的 HART仪表想买一个转换口非常困难 而且价格昂贵，RS485的转换接口就便宜的多而且种类繁多。至少在低端市场RS485/MODBUS还将是最主要的组网方式，近两三年内不会改变 *博客内容为网友个人发布，仅代表博主个人观点，如有侵权请联系工作人员删除。
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