DCS控制系統(tǒng)入門講解
集散控制系統(tǒng)（Distributed Control system DCS）是以微處理器為基礎(chǔ)的集中分散型控制系統(tǒng)。自70年代中期第一套集散控制系統(tǒng)問世以來，集散控制系統(tǒng)已經(jīng)在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
集散控制系統(tǒng)的主要特性是它的集中管理和分散控制。而且，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)使集散控制系統(tǒng)不僅主要用于分散控制，而且向著集成管理的方向發(fā)展。系統(tǒng)的開放不僅使不同制造廠商的集散控制系統(tǒng)產(chǎn)品可以互相連接，而且使得它們可以方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，系統(tǒng)的開放也使第三方的軟件可以方便地在現(xiàn)有的集散控制系統(tǒng)上應(yīng)用。在我國石化行業(yè)已運行著許多套不同型號的集散和控制系統(tǒng)，它們在過程控制中發(fā)揮著非常重要的作用。
1、 發(fā)展歷史
集散控制系統(tǒng)是1975年首先由美國霍尼威爾(Honeywell)公司推出的。由于當(dāng)時過程工業(yè)控制應(yīng)用中采用模擬電動儀表控制系統(tǒng)難以解決有關(guān)的控制問題，采用計算機的直接數(shù)字控制也難以克服，它們是：
（1） 生產(chǎn)過程規(guī)模的不斷擴大，使得中央控制室的儀表數(shù)量越來越多，操作人員對過程的監(jiān)視和操作的要求也越來越高，原有的模擬儀表難以勝任。
（2） 儀表技術(shù)和其他高新技術(shù)一樣，發(fā)展的速度很快，更新?lián)Q代的周期越來越短，工業(yè)技術(shù)的發(fā)展要求儀表控制系統(tǒng)能適應(yīng)它們發(fā)展的需要。
（3） 當(dāng)時計算機已經(jīng)在工業(yè)控制領(lǐng)域開始應(yīng)用，它具有的數(shù)字化控制算法使控制系統(tǒng)的實施變得方便 ，更改也十分容易。但是，由于它的價格很貴，采用的是直接數(shù)字控制或監(jiān)督計算機控制，因此把因計算機的故障造成的危害減小，使危險分散，成為應(yīng)用計算機控制系統(tǒng)首要解決的問題。
（4） 集中和綜合的操作和監(jiān)督要求對全廠、各車間和工段級的控制和操作有相應(yīng)的數(shù)據(jù)通信聯(lián)系，它不僅要求有大量的數(shù)據(jù)傳遞，也要求有高速的數(shù)據(jù)傳輸速率。
Honeywell公司的TDC-2000正是在這種情況下推出的。當(dāng)時DCS還在初創(chuàng)階段，產(chǎn)品還是集散控制系統(tǒng)的雛形。但是系統(tǒng)已經(jīng)包括了DCS的三大組成部分，即分散過程控制裝置、操作管理裝置和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。它也具有了DCS的基本特點，即集中管理，分散控制。
隨著半導(dǎo)體技術(shù)、顯示技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和軟件技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展，集散控制系統(tǒng)也得到了飛速的發(fā)展。第二代集散控制系統(tǒng)的主要特點是系統(tǒng)的功能擴大或者增強。例如，控制算法的擴充；常規(guī)控制與邏輯控制、批量控制相結(jié)合；過程操作管理范圍的擴大，功能的增添等。而一個明顯的變化是數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)的發(fā)展，從主從式的量形網(wǎng)絡(luò)通信轉(zhuǎn)變?yōu)閷Φ仁降目偩€網(wǎng)絡(luò)通信或環(huán)網(wǎng)通信。但是，各制造廠的通信系統(tǒng)各自為政，在不同制造廠集散控制系統(tǒng)間通信存在一定的困難。在第二代集散控制系統(tǒng)中，通信系統(tǒng)已采用局域網(wǎng)絡(luò)，因此，系統(tǒng)的通信范圍擴大，同時數(shù)據(jù)的傳送速率也大大提高。
美國Foxboro公司在1987年推出的I/AS系統(tǒng)標(biāo)志著集散控制系統(tǒng)進(jìn)入了第三代。它的主要改變是在局域網(wǎng)絡(luò)方面，I/AS系統(tǒng)采用了10兆位/秒的寬帶網(wǎng)與5兆位/移的載帶網(wǎng)，符合國際標(biāo)準(zhǔn)組織ISO的OSI開放系統(tǒng)互聯(lián)的參考模型。因此，在符合開放系統(tǒng)的各制造廠產(chǎn)品間可以相互連接、相互通信和進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，第三方的應(yīng)用軟件也能在系統(tǒng)中應(yīng)用，從而使集散控制系統(tǒng)進(jìn)入了更高的階段，同時第三代集散控制系統(tǒng)所提供的控制功能也有了增強。通常，系統(tǒng)已不再是常規(guī)控制，邏輯控制與批量控制的綜合，而是增加了各種自適應(yīng)或自整定控制算法，用戶可在對被控對象的特性了解較少的情況下應(yīng)用所提供的控制算法，由系統(tǒng)自動搜索或通過一定的運算獲得較好的控制器參數(shù)，因此第三代集散控制系統(tǒng)為用戶提供了更廣闊的應(yīng)用場所。
2、 基本結(jié)構(gòu)
集散控制系統(tǒng)主要由以下三大部分組成：
（1） 分散過程控制裝置
分散過程控制裝置是集散控制系統(tǒng)與生產(chǎn)過程間的界面，生產(chǎn)過程的各種過程變量通過分散過程控制裝置轉(zhuǎn)化為操作監(jiān)視的數(shù)據(jù)，而操作的各種信息也通過分散過程控制裝置送到執(zhí)行機構(gòu)。在分散過程控制裝置內(nèi)，進(jìn)行模擬量與數(shù)字量的相互轉(zhuǎn)換，完成控制算法的各種運算，對輸入與輸出量進(jìn)行有關(guān)的軟件濾波及其它的一些運算。
（2） 操作管理裝置
操作管理裝置是操作人員與集散控制系統(tǒng)間的界面，操作人員通過操作管理裝置了解生產(chǎn)過程的運行狀況，并通過它發(fā)出操作指令給生產(chǎn)過程。生產(chǎn)過程的各種參數(shù)在操作管理裝置上顯示，以便于操作人員監(jiān)視和操作。
（3） 通信系統(tǒng)
分散過程控制裝置與操作管理裝置之間需要有一個橋梁來完成數(shù)據(jù)之間的傳遞和交換，這就是通信系統(tǒng)。
有些集散控制系統(tǒng)產(chǎn)品在分散過程控制裝置內(nèi)又增加了現(xiàn)場裝置級的控制裝置和現(xiàn)場總線的通信系統(tǒng)，有些集散控制系統(tǒng)產(chǎn)品則在操作管理裝置內(nèi)增加了綜合管理級的控制裝置和相應(yīng)的通信系統(tǒng)。這些集散控制系統(tǒng)使系統(tǒng)的分級增加，系統(tǒng)的通信系統(tǒng)對不同的裝置有不同的要求，但是，從系統(tǒng)總的結(jié)構(gòu)來看，還是由三大部分組成的。
3、 特點
集散控制系統(tǒng)能被廣泛應(yīng)用的原因是它具有優(yōu)良的特性。與模擬電動儀表比較，它具有連接方便、采用軟連接的方法連接容易更改、顯示方式靈活、顯示內(nèi)容多樣、數(shù)據(jù)存儲量大等優(yōu)點；與計算機集中控制比較，它具有操作監(jiān)督方便、危險分散、功能分散等優(yōu)點。因此，在各行各業(yè)各個領(lǐng)域得到了應(yīng)用。
（1） 分級遞階控制
集散控制系統(tǒng)是分級遞階控制系統(tǒng)。它在垂直方向和水平方向都是分級的。最簡單的集散控制系統(tǒng)至少在垂直方向分為兩級，即操作管理級和過程控制級。在水平方向上各個過程控制級之間是相互協(xié)調(diào)的分級，它們把數(shù)據(jù)向上送達(dá)操作管理級，同時接收操作管理級的指令，各個水平分級間相互也進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，這樣的系統(tǒng)是分級的遞階系統(tǒng)。集散控制系統(tǒng)的規(guī)模越大，系統(tǒng)的垂直和水平分級的范圍也越廣。
分級遞階系統(tǒng)的優(yōu)點是各個分級具有各自的分工范圍，相互之間有協(xié)調(diào)，通常，這種協(xié)調(diào)是通過上一分級來完成的。上下各分級的關(guān)系通常是下面的分級把該級及它下屬的分級數(shù)據(jù)送到上一級，由上一級根據(jù)生產(chǎn)的要求進(jìn)行協(xié)調(diào)，并給出相應(yīng)的指令即數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)的通信系統(tǒng)，把數(shù)據(jù)送到下層的有關(guān)分級。在集散控制系統(tǒng)中，過程控制級采集過程的各種數(shù)據(jù)信息，把它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過計算獲得作用到執(zhí)行機構(gòu)的數(shù)據(jù)輸出量，然后，經(jīng)轉(zhuǎn)換成為執(zhí)行機構(gòu)的輸入信號，送到執(zhí)行機構(gòu)去?？梢钥吹?，在集散控制系統(tǒng)中，各個分級有各自的功能，完成各自的操作。它們之間即有分工又有聯(lián)系，在各自的工作中完成各自的任務(wù)，同時它們相互協(xié)調(diào)，相互制約，使整個系統(tǒng)在優(yōu)化的操作條件下運行。
（2） 分散控制
分散控制是集散控制系統(tǒng)的另一特點，分散是針對集中而言的。在計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用初期，控制系統(tǒng)是集中式的，即一個計算機完成全部的操作監(jiān)督和過程的控制。
國外對集散控制系統(tǒng)常稱為分散控制系統(tǒng)，即DCS。其原因是把分散控制放在十分重要的地位。分散的含義不單是分散控制，它還包含了其他意義。例如；人員分散、地域分散、功能分散、危險分散、設(shè)備分散及操作分散等。分散的目的是為了使危險分散，提高設(shè)備的可利用率。
集中式的計算機控制系統(tǒng)是在中央控制室集中控制的基礎(chǔ)上發(fā)展而來。由于在一臺計算機上把所有的過程信息的顯示、記錄、運算、轉(zhuǎn)換等功能集中在一起，也產(chǎn)生了一系列的問題。首先是一旦計算機發(fā)生故障，將造成過程操作的全線癱瘓，為此，危險分散的想法就提了出來，冗余的概念也產(chǎn)生了。但是，要采用一個同樣的計算機控制系統(tǒng)作為原系統(tǒng)的后備，無論從經(jīng)濟上還是從技術(shù)上都是行不通的。對計算機功能的分析表明，在過程控制級進(jìn)行分散，把過程控制與操作管理進(jìn)行分散是可能的和可行的。
隨著生產(chǎn)過程規(guī)模的不斷擴大，設(shè)備的安裝位置也越來越分散，把大范圍內(nèi)的各種過程參數(shù)集中到一個中央控制室變得不經(jīng)濟，而且操作也不方便。因此，地域的分散和人員的分散也提了出來。而人員的分散還與大規(guī)模生產(chǎn)過程的管理有著密切的關(guān)系。地域的分散和人員的分散也要求計算機控制系統(tǒng)與其相適應(yīng)。在集中控制的計算機系統(tǒng)中，為了操作的方便，需要有幾個操作用的顯示屏，各個操作人員在各自的操作屏進(jìn)行操作，由于在同一個計算機系統(tǒng)內(nèi)運行，系統(tǒng)的中斷優(yōu)先級、分時操作等的要求也較高，系統(tǒng)還會出現(xiàn)因多個用戶的中斷而造成計算機的死機。操作的分散和多用戶多進(jìn)程的計算機操作系統(tǒng)的要求也提了出來。
通過分析和比較，人們認(rèn)識到分散控制系統(tǒng)是解決集中計算機控制系統(tǒng)不足的較好的途徑。同時，在實踐中，人們也在不斷地改善分散控制系統(tǒng)的性能，使其在過程控制領(lǐng)域中發(fā)揮更大的作用。
（3） 自治和協(xié)調(diào)性
集散控制系統(tǒng)的各組成部分是各自為政的自治系統(tǒng)，它們各自完成各自的功能，相互間又有聯(lián)系，數(shù)據(jù)信息相互交換，各種條件互相制約，在系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下工作。
在集散控制系統(tǒng)中，分散過程控制裝置是一個自治的系統(tǒng)，它完成數(shù)據(jù)的采集、信號處理、計算及數(shù)據(jù)輸出等功能。操作管理裝置完成數(shù)據(jù)的顯示、操作監(jiān)視和操縱信號的發(fā)送等功能。通信系統(tǒng)則完成操作管理裝置與分散過程控制裝置間的數(shù)據(jù)通信。集散控制系統(tǒng)的各部分是各自獨立的自治系統(tǒng)，但是，在系統(tǒng)中它們又是互相協(xié)調(diào)工作的。
由于整個系統(tǒng)是一個相互協(xié)調(diào)的系統(tǒng)，因此，雖然各個組成部分是自治的，但是，任何一個部分的故障也會對其他部分有影響。例如，操作管理裝置的故障將使操作人員無法知道過程的運行情況；通信系統(tǒng)的故障會使數(shù)據(jù)傳送出錯；過程控制裝置的故障使系統(tǒng)無法正常工作。應(yīng)該指出，不同部件的故障對整個系統(tǒng)影響的大小是不同的。為此，在集散控制系統(tǒng)的選型和系統(tǒng)配置時應(yīng)考慮重要的部位設(shè)置較高可靠性的部件或有必要的冗余措施等。
在集散控制系統(tǒng)中，分散的內(nèi)涵是十分廣泛的。分散數(shù)據(jù)庫、分散控制功能、分散數(shù)據(jù)顯示、分散通信、分散供電、分散負(fù)荷等，它們的分散是相互協(xié)調(diào)的分散。因此，在分散中有集中的數(shù)據(jù)管理、集中的控制目標(biāo)、集中的顯示屏幕、集中的通信管理等等，為分散作協(xié)調(diào)和管理。各個分散的自治系統(tǒng)是在統(tǒng)一集中管理和協(xié)調(diào)下各自分散工作的。
4、 發(fā)展趨勢
現(xiàn)場總線是集散控制系統(tǒng)向著全數(shù)字化系統(tǒng)發(fā)展的結(jié)果，也是集散控制系統(tǒng)向下開放的產(chǎn)物?，F(xiàn)場總線是安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線。現(xiàn)場總線裝置包括變送器、執(zhí)行器等，且都可兼帶調(diào)節(jié)器，具有控制功能。與DCS不同，這些現(xiàn)場裝置輸出（或輸入）的信號是數(shù)字信號而非傳統(tǒng)的4-20MA（或0-10MA）DC模擬信號。兩者比較，DCS只能說是半數(shù)字化的，現(xiàn)場總線才是全數(shù)學(xué)化的。
全數(shù)學(xué)化的直接結(jié)果是可以大量減少現(xiàn)場接線，由于使用單個現(xiàn)場儀表就可實現(xiàn)多變量通信，且現(xiàn)場一級增加了控制功能，這樣不僅使系統(tǒng)集成大為簡化，維護變得十分簡便，而且可明顯節(jié)約儀表裝置系統(tǒng)的投資。有人預(yù)計，一般可降低40%費用，而且系統(tǒng)的可靠性可以進(jìn)一步得到提高。
開放性是用戶們的普遍要求。在DCS，各家產(chǎn)品之間的兼容性較差，而現(xiàn)場總線是要求有互操作性的，它反映了企業(yè)界和科技界對開放性的普遍要求。在未來的十年間，現(xiàn)場總線將得到迅速發(fā)展。在許多場合，它將取代DCS。目前，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)已被大多數(shù)人士所認(rèn)同，它將成為21世紀(jì)的自動控制系統(tǒng)。
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