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集散控制系统在工业控制领域的应用

摘 要：本文通过对集散控制系统近三十年发展历程的回顾，阐明其卓越的技术特点，并介绍了其未来发展方向。

关键词：集散控制系统 数据通讯技术 基本调节器 计算机集成制造技术（CIMS）

0 前言

集散型控制系统(Total Distributed Control Systems以下称作DCS)也称为分布式计算机控制系统(Distributed Computer Control Systems)，它是以微处理机织布机为核心，采用数据通讯技术和图形显示技术的新型计算机控制系统。该系统能够完成直接数字控制、顺序控制、批量控制、数据采集与处理、多变量解耦控制以及最优控制等功能，在先进的集散型控制系统中，还包含有生鳞片石墨大概3000元1吨产的指挥、调度和管理功能。

1 集散型控制系统的产生

由常规的模拟式调节仪表构成的过程控制系统，成本低、可靠性高，容易维护和操作。但是随着生产的发展，模拟式仪表的局限性越来越明显，如模拟仪表难于实现多变量解耦控制以及其它复杂的控制规律；控制精度不高；生产规模的扩大和工艺的日益复杂，仪表控制系统越来越多，控制室的仪表屏越来越大，难于实现集中的操作和显示；各个系统之间难于实现通信联系；当生产工艺要求变更时，往往需要变更调节仪表。而计算机控制系统就可以克服模拟调节仪表的上述缺陷，计算机控制系统可实现复杂的控制规律；各分系统之间可以实现通信，能集中操作和显示，控制精度比较高。

在计算机集中控制中，一台计算机控制几十个乃至几百个回路，一旦计算机发生故障，将会影响整个系统的工作，系统的可靠性比较低。当然，为了提高系统的可靠性，可采用双机运行方式，但是成本就会提高。70年代工业的发展使生产过程更加复杂，规模更加扩大，其中石油化学工电脑电视业尤为突出。生产规模的扩大和复杂，使事故不断出现，而集中控制，出现事故时会中断生产，因此生产的发展迫切要求高可靠性的计算机控制系统。

在总结模拟调节仪表和计算机集中控制的优缺点的基础上，发展、形成了集散型控制系统。集散型控制系统以多台微机处理机分散在生产现场，进行过程的测量和控制，实现了功能和地理上的分散，避免了测量、控制高度集中带来的危险性和常规仪表控制功能单一的局限性；数据通信技术和CRT显示技术以及其他外部设备的应用，能够方便的集中操作、显示和报警，克服了常规仪表控制过于分散和人-机联系困难的特点。70年代微电子技术和计算机技术的重大突破，为集散控制系统提供了体积小、功能强、可靠性高、价格低廉的微处理机和各类半导体芯片，为发展集散型控制系统奠再加上市场需求的不断变化定了物质基础。

集散型控制系统可以看作是计算机(Computer)技术、通信(Communication)技术、图形显示技术和控制(Control)技术的结合。

2 国外集散型控制系统的发展状况

70年代初，美国、日本和欧洲等各国开始研制集散型控制系统。1975年美国、日本先后研制成TDC－2000、TOSDIC、CENTUM、UNITROLS、MICREX等系统。

按技术特征其发展可划分为三个锁包阶段：

a. 70年代末期-初创期

比较著名的有美国Honeywell公司的TDC－2000；Foxboro公司的Spectrum、Bailey公司的NetWork-90；日本YOKOGAWA公司的Centum；TOSHIBA公司的TOSDIC；德国Siemens公司的Teleperm M；Hartman&Braum公司的CONTRONIC P等。这一时期的产品，在技术上有明显的局限性，微处理器多采用8位CPU。

b. 80年代初中期-发展期

80年代随着微处理器运算能力的增强，超大规模集成电路集成度的提高和成本的不断下降，过程控制的发展出现新的面貌，使过去难以想象的功能付诸实现。集散控制系统的第二代产品在原来的基础上，可靠性进一步提高，功能进一步扩展，出现了多功能过程控制站、增强型操作站、增加了光纤通讯技术。代表产品有美国Honeywell公司的TDC－3000；Leads&Northrup公司的MAX－1；TAYLOR公司的MOD300；Westing House公司的WDPF；日本YOKOGAWA公司的Centum A、B、C等。这一代产品的特点是采用16位CPU，标准化和模块化设计，扩充灵活，功能完善，用户界面友好。

c. 80年代末期－成熟期

集散控制系统第三代产品，把过程控制、监督控制、管理调度有机地结合起来，加强了断续控制功能，采用专家系统、MAP通信标准。其代表产品有美国Honeywell公司的TDC-3000/LCN；Foxboro公司的I/A Series；Bailey公司的INFI-90；WestingHouse公司的WDPF－Ⅱ\Ⅲ；日本YOKOGAWA公司的Centum－XL等。这一代产品的特点是采用32位CPU和专用集成电路，使控制功能更强、体积更小、可靠性更高，其通信系统实现了开放式通信。

3 集散型控制系统在中国的应用

集散型控制系统（DCS）作为新一代的工业自动化过程控制和管理设备，至今虽然只有二十多年的历史，但已在石化、冶金、电力等工业领域得到了广泛的应用。我国在八十年代初期开始引进集散控制设备，从此开始了集散型控制系统在我国工业控制领域的应用。

石油化工行业新建的大中型石化设备均采用集散控制系统（DCS），石化企业的第一套DCS是1982年上海高桥石化公司炼油厂引进的美国Foxboro公司的Spectrum系统，用于常减压装置生产控制。

在冶金行业，集散控制系统（DCS）的应用集中在宝钢这样的新建企业和首钢、鞍钢、武钢、重钢、马钢等扩建的分厂。冶金系统的第一大量新材料的出现套集散控制系统是首钢公司购进的美国Bailey公司的Network-90系统，用于其烧结厂自动控制系统。

电力系统的第一套集散控制系统（DCS）是1985年辽宁朝阳电厂采用的瑞士BBC公司的Procontrol－P系统，用于改造200MW机组的顺序控制系统和燃烧器管理系统。目前集散系统（DCS）在火电厂的应用泛围主要包括：模拟量控制、数据采集和处理、锅炉炉膛安全监控、顺序控制、汽轮机数字电液控制等五方面。

与此同时，在八十年代末期至九十年代初期，国家组织了精悍的科研力量联合攻关，相继研制出我国自己的集散型控制系统。这一时期涌现出的代表产品有DJK－7500（重庆自动化所），HS-DCS-1000（电子部六所）、STAR－2000（阿继电器股份有限公司）、DCS-100（清华大学自动化系）、DJK－2000（上海自动化所）、友力－2000（石化总公司、航天部二院）等。阿继电器股份有限公司研制的STAR-2000集散控制系统，1989年自第一套应用系统（电站锅炉灭火保护MHB－Ⅲ/B）在河南新乡电厂投运以来，相继在哈尔滨第三发电厂200MW机组的模拟调节系统、石家庄阳逻300MW机组的灭火保护系统等数十个电厂的生产过程控制中得到应用。在此基础上，其第二代产品Star－3000近年来在工业领域得到了更广泛的应用，在技术上更是得到了长岩棉制品足发展。

4 集散型控制系统今后的发展方向

集散型控制系统的发展方向是基本调节器向少回路或单回路方向发展；基本调节器除了PID和其他算法外，还将逐步采用更为有效的新的算法，使之具有新的功能（如增益自适应功能）；采用光导纤维代替高速数据通道，并统一通讯规程；力求灵活地运用现代控制理论，以得到更为通用的控制算法。

5 结语

集散型控制系统(DCS)的实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和现场前端分散控制相统一的新型控制技术。它的出现是工业控制的一个里程碑。工业过程控制的发展逐步从单机监控、直接数字控制发展到集散控制，也必将由集散控制进展到拥有更广阔应用前景的计算机集成制展出的解决方案包括低烟无卤阻燃材料和高温耐油耐热材料造，近几年的计算机集成制造(CIMS)技术的成就足以证明这一点。

【参考资料】

[1] 张新薇等.集散系统手册.机械工业出版社，1991年

[2] 谢柏曾.发电厂自动控制系统的发展和选型.华北电力技术.1992年10月

[3] 王常力 罗安.集散型控制系统选型与应用.北京清华大学出版社.1996年

[4] 任德祥.过程自动化技术的新发展.电气时代.2003年3月(end)

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