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分散式控制系统

分散式控制系统(distributed control system)简称DCS,是工厂或是制程中使用的电脑化控制系统,一般其中会有几个控制回路,自主的控制器分散在系统中,没有中央操作员的监控。这和传统集中型控制器(可能是许多的离散控制器放在中控室中,或是有一台中央控制的电脑)的概念恰好相反。分散式控制系统可以增加系统的可靠度,将控制器放在靠近制程的位置,再在远端进行监视及控制,可以节省架设的成本。

分散式控制系统最早是出现在大型、高价、安全关键的制程产业,之后因为DCS制造商可以将区域性的控制器以及中央监控设备整合成一个方案,降低设计整合风险,因此受到欢迎。今天来看,数据采集与监控系统(SCADA)和DCS系统的功能很类似,不过DCS比较会用在大型连续性的制程,其可靠度及安全性都非常重要,而且控制室一般不会在地理距离很远的地方。

结构

生产控制流程的控制层级

分散式控制系统是由分散在系统中不同节点的处理器,所组成的控制系统,其基本特性是可靠度。分散性系统可以缓解单一处理器造成的失效。若分散式控制系统中,有一处理器失效,只会影响生产流程中的某一部分,相对而言,若中央式控制系统中的处理器失效,整个系统都会受到影响。分散式控制系统的控制器和现场的输入/输出设备较近,也可以减少网络或是中央处理上的延时,因此可以加速控制器的处理速度。

附图是电脑化控制的生产控制层级的示意图:

  • 第0层是现场设备,例如流量感测器、温度感测器、以及现场终端元件,例如控制阀英语control valve
  • 第1层是工业化的输入/输出(I/O)模组、以及对应的分散式电子处理器。
  • 第2层是监控电脑,会由系统中的处理节组收集资讯,也提供操作员控制画面。
  • 第3层是生产控制层,这一层不会直接控制流程,但会监控生产,并且监控目标。
  • 第4层是生产排程层。

第1层及第2层是传统分散式控制系统的机能层,所有的设备都是单一制造商的整合系统的一部分。

第3层及第4层是生产控制以及排程,不是传统定义上的过程控制

技术特点

连续流控制环的例子。其信号是工业标准的4–20 mA控制环,以及智能阀位置控制器可以确保控制阀英语control valve正常运作

分散式控制系统的处理器节点以及图形用户界面之间是以工业标准网络或是专属网络连接,透过不同线路的冗余配线来提高网络的可靠度。分散式的拓朴因为I/O模组和对应处理器的距离较近,也可以减少现场配线的线长。

处理器接收输入模组的资讯,处理相关资料,决定控制行动,输出信号到输出模组。现场的输入及输出模组可以是模拟信号(例如4–20 mA的电流环)或是开或关的双值信号,例如继电器的接点或是半导体开关。

分散式控制系统会连接感测器以及致动器,利用目标值来控制工厂的材料流量。典型的应用是连接到流量表的PID控制器,其最终控制元件为控制阀。分散式控制系统会将制程需要的目标值送到控制器,再由控制器送出信号到控制阀,使制程的回授值可以维持在目标值

大型的炼油厂或化工厂会有上千个I/O点,需要非常大型的分散式控制系统。分散式控制系统的制程不限制在在管道中的流体,也可以用在造纸机械及对应的品质管理、可调速驱动器电机控制器陶瓷窑英语cement kiln采矿业、提炼冶金等。

分散式控制系统中有冗余的控制器,可以有故障时不断电,直接更换控制器,因此可靠度很高。

分散式控制系统中常用的信号是4–20 mA,不过现在的DCS也支援现场总线的数位协定,例如基金会总线profibusHARTModbus等。

现代的分散式控制系统也支援人工神经网络模糊逻辑应用。最近的研究着重于利用最佳H-infinity控制及H 2控制准则,设计最佳化的的分散式控制系统

典型应用

分散式控制系统(DCS)可以用在连续生产或是批量生产的系统中。

以下是一些可以使用分散式控制系统的制程:

历史

在分散式控制系统之前的中控室,其控制器虽集中在一个地方,不过是彼此独立,没有整合成一个系统
分散式控制系统的控制室,工厂的资讯及控制会直接显示在电脑萤幕上。操作者坐在萤幕前面即可控制过程中的每部分,同时也可以看到工厂过程的全貌

过程控制的演进

大型工厂的过程控制经过了许多阶段的演进。一开始的控制是在过程设备的控制面板上,但这需要大量的人力来控制分散在工厂各处的控制面板,而且无法看到工厂过程的全貌。下一阶段的发展是将所有工厂的量测讯号送到一个持续有人监控的中控室中。将分散在各处的控制面板集中在一处,因此比较有效率,也降低了人力的需求,要看到工厂过程的全貌也比较简单。多半控制器是在控制面板后,再将自动或是人工的控制信号送到工厂不同位置的机器。这个作法可以将控制集中在中控器,但其配置没有灵活性,因为每一个控制环都有个别的控制器,操作人员需要持续在各控制面板之间走动,来观察过程内的不同环节。

在电子处理器以及绘图显示器出现之后,开始可以将离散式控制器更换为电脑为基础的算法,放在由许多输入输出模组组成的网络中,各模组有其控制器。控制器可以分散在工厂的各处,和中控室的绘图显示器之间互相通讯传递讯息。这就开始了分散式控制系统。

分散式控制系统让工厂可以简单的调整控制回路,例如改为级联控制环(cascaded loop)或是加入互锁(interlock),也可以和其他的生产控制系统互联。分散式控制系统可以进行复杂的警告处理、可以导入自动的事件记录,不需要像是图表记录器之类的实体记录,让控制盘之间可以用网络连接,控制盘可以放在邻近设备的位置,缩短控制盘和设备之间的配线长度,仍可以提供工厂状态以及生产层级的高层级概观资讯。

起源

从1960年代初期开始,就已经将小型计算机应用在工业程序控制上。例如IBM 1800英语IBM 1800 Data Acquisition and Control System就有输入及输出的硬件,可以收集工厂中的信号,将现场控制接点(数位接点)的信号及类比信号转换为数位的资讯。

第一个工业控制电脑系统是在1959年在德州的Texaco Port Arthur建构的,是由TRW公司的RW-300改进而成。

在1975年时,美国的霍尼韦尔公司以及日本的横河公司英语Yokogawa分别开发了分散式控制系统,型号分别是TDC 2000及CENTUM。1975年时美国公司Bristol也开始开发UCS 3000万用控制器。维美德公司在1978年开始开发DCS系统,称为Damatic(最新版本改名为Valmet DNA)。Bailey公司(目前是ABB的一部分)在1980年开始了NETWORK 90系统。Fisher Controls(现在艾默生电气公司的一部分)开始开发PROVoX系统,Fischer & Porter Company英语Fischer & Porter Company(目前已是ABB的一部分)则开发了DCI-4000(DCI代表Distributed Control Instrumentation,分散式控制仪表)。

分散式控制系统的出现主要是因为微电脑的使用日渐普及,以及在过程控制领域中越来越多微电脑控制的应用。自从直接数位控制英语direct digital control(DDC)以及设定点控制的应用开始,电脑已开始应用在过程自动化的领域中。在1970年代时,Taylor Instrument Company(目前是ABB的一环)开发了1010系统、Foxboro开发了FOX1系统、Fisher Controls开发DC2系统,Bailey Controls英语Bailey Controls则开发了1055系统。所有的系统都是用迷你电脑迪吉多PDP-11、Varian Data Machines及MODCOMP等)实现的DDC应用系统,连接到专属的输入/输出硬件。当时复杂的连续控制以及批次控制也会以此方式进行。更保守的作法是用设定点控制,是由过程电脑监控许多的类比过程控制器。有工作站透过文字以及粗略的图形来说明流程的情形。距离全功能的图形用户界面还有很长的距离。

发展

分散式系统系统模型的核心是将控制机能模块包含在内。机能模块(function block)是来自早期,更原始的DDC概念的“表格驱动”软件。机能模块是最早期面向对象的实例之一,是独立的程式码模块,模拟在过程控制中必需的类比硬件控制元件机能以及相关的程序(例如PID控制算法)。分散式系统系统中,仍使用机能模块作为其控制的主要方式,也有一些相关支援的技术,例如基金会总线(Foundation Fieldbus)机能。

澳洲雪梨的Midac系统公司在1982年开发了面向对象的分散式直接数位控制系统。其中心系统包括有11台微电脑,共享任务、内存,连接到分散式控制器的串列通讯网络中,运作在Z80的电脑上。系统是安装在墨尔本大学[来源请求]

分散式控制器、工作站及其他计算元件(对等存取)之间的数位通讯是分散式控制系统的主要优点之一。关注的部分是在其网络部分,提供通讯相关的重要机能,在过程应用中,可以整合像是确定性以及冗余的相关机能。因此,许多供应商以IEEE 802.4的网络标准为主。当IT产业开始使用过程自动化以及IEEE 802.3,而不是control LAN的IEEE 802.4时,此一决定也带来后续的技术转换。.

以网络为中心的1980年代

1980年代的使用者,对分散式控制系统的看法已不止是单纯的过程控制。1981年至1992年由澳洲Midac建立了直接数位控制英语Direct Digital Control分散式控制系统,运行在R-Tec澳洲建立的硬件上,就是早期的例子。系统架设在墨尔本大学,使用串列通讯网络,连接到校园建筑物中,中控室的“前端”(front end)。每一个远端单元都运行在二个Zilog Z80微处理器上,前端有11个Z80微处理器,透过共享的分页内存分享任务来进行平行处理的配置,最多可以同时执行二万个控制物件。

人们认为若可以达到开放性,在企业内分享更多的资讯,可以完成更大的成果。第一个设法提升DCS的行动产生了现今主要的操作系统UNIX。UNIX以及TCP-IP的网络技术是由美国国防部为了开放性所发展,这也正是过程产业设法要解决的问题。

因此,供应商也开始导入Ethernet基础的网络,配合各自厂商专属的协定层。当时没有实现完整的TCP/IP标准,不过Ethernet的使用也可以实现要进行物件管理及全域资料采集的技术。1980年代也有第一个可编程逻辑控制器(PLC)整合到DCS基础架构中。工厂范围的历史资讯记录需求也开始出现,扩展了自动化系统的应用范围。第一个整合UNIX及以太网网络技术的DCS设备商是Foxboro,在1987年开发了I/A系列系统。

以应用程序为中心的1990年代

随着商业现货(COTS)元件以及IT标准的渐渐普及,1980年代开放性的诉求在1990年代持续的作用。这段时间最大的变化可能是从UNIX操作系统转向Windows环境。当时用在控制系统上的实时操作系统(RTOS)仍然是以UNIX的扩展版本或是厂商自订的操作系统为主,但在实体操作系统以上的已慢慢转换为Windows系统。

微软系统导入桌机以及服务器,因而开始了开放平台通信(OLE)的发展,现在已是工业互连上的业界标准。以太网技术也开始应用在自动化等领域,DCS HMI也开始具备以太网的互联能力。1990年代也是“现场总线战争”(Fieldbus Wars)的时期,许多国际组织互相竞争,要定义可以在现场使用,取代4-20mA电流类比通讯的IEC现场总线数位通讯标准。第一个架设的现线总线就出现在1990年代。在1990年代末,现线总线的技术开始大幅推展,过程自动化的应用以Ethernet I/P、Foundation Fieldbus及Profibus PA为主。有些供应商从底层建立新的系统,充份发挥现线总线的机能,例如洛克威尔自动化公司的PlantPAx系统、霍尼韦尔的Experion & Plantscape 数据采集与监控系统ABB的System 800xA、Emerson过程管理的DeltaV英语DeltaV控制系统、西门子公司的 SPPA-T3000或Simatic PCS 7英语Simatic PCS 7、Forbes Marshall的Microcon+ 控制系统以及Azbil Corporation的Harmonas-DEO系统。用一台DCS以及Valmet的DNA系统,现线总线技术已用在机器、驱动器、品质以及状态监测的整合应用上。

不过商业现货的影响在硬件层面格外的明显。DCS供应商以往的主要业务是在供应大量的硬件,特别是I/O模组以及控制器。DCS刚开始的兴起,带来大量的零件安装需求,大部分都是DCS供应商制造的。但是像是Intel及Motorola等电脑零组件供应商的加入,其成本的低廉,让DCS供应商失去了生产元件、工作站以及网络硬件价格竞争力。

在供应商渐渐转向商业现货元件的同时,其硬件的市场也在快速的减小。商业现货不但使得供应商的生产成本降低,也让终端客户因为硬件高单价下所应有的产品性能有越来越多的意见,最后使得售价持续的下降。有些供应商以往就在可编程逻辑控制器(PLC)领域较强(像是Rockwell及西门子),因为有生产控制硬件的专业知道,可以用生产有价格竞争力的控制硬件进入DCS市场,这些新兴产品的稳定性/可扩充性/可靠度及机能也持续的扩充。传统的DCS供应商以最新的通讯协定以及IEC标准为基础,开发了新一代的DCS系统,形成一个将传统PLC及DCS概念及机能整合的解决方案,称为过程自动化系统英语Process Automation System(Process Automation System、PAS)。不同系统之间的差异包括有数据库的完整性、预工程的情形、系统成熟度、通讯透明性及可靠度。一般会预期性价比大致维持不变(系统功能越好,其价格就越高),但自动化市场上的性价比仍然会随个案而不同,会有一些策略性的调整。目前看到的下一波驱势是协同过程自动化系统(Collaborative Process Automation Systems)。

除了上述的问题之外,供应商也意识到硬件市场已经饱和的事实。像I/O及配线等硬件元件的生命周期约在15年到20年之间。许多在1970年代或1980年代架设,较早期的系统目前仍在使用,在市场上有相当比例的系统已接近其使用寿命。像北美、欧洲及日本等已开发的工业化国家已装设了上千个分散式控制系统,就算有新建工厂要导入新系统,数量也不多。因此新硬件的市场快速的转向市场较小,但成长快速的亚洲、拉丁美洲及东欧国家。

因为硬件市场的快速萎缩,因此供应商开始将硬件为主的商务模型转换为以软件及加值服务为主的模型。此一转变目前乃在持续进行。自1990年代起,供应商提供的软件应用组合有很大的扩展,包括生产管理、模型为基础的控制、实体最佳化、工厂资产管理(plant asset management、PAM)、实时性能管理等。不过为了让客户可以真正得到这些应用软件的价值,供应商也需要提仈相当大量的服务。

现今的系统(2010年代起)

分散式控制系统的最新进展包括以下几项技术:

  1. 无线通讯系统及通讯协定。
  2. 远端传输英语Remote data transmission、日志及资料的历史记录。
  3. 行动界面及控制。
  4. 嵌入式网页服务器英语Embedded HTTP server

依目前分散式控制系统的驱势,越来越多工厂层的DCS因为有登入到远端设备的能力,反而已开始中心化。由于无线通讯以及远端存取技术带来的互连性,设备之间实体距离的重要性反而下降了,这让操作员可以同时控制企业层级(巨观)及设备层级(微观),可能在工厂内部或是在工厂以外。

越来越多的无线通讯因为需求而开发及定义,也有越来越多的无线通讯包含在分散式控制系统中。现今的DCS控制器会有嵌入式网页服务器,也有移动式的网页存取。有关DCS是否会带领工业物联网(IIOT),或是会由其中借用重要元素,此问题仍无定论。

许多供应商提供了行动式HMI的配备品,可以使用在AndroidIOS上。透过这些界面,有可能有安全隐患的威胁,可能让工厂和过程受到损害,现在都是可能出现的实际问题。

相关条目

参考资料

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