淺析DCS系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和原理

提起DCS系統(tǒng)，化工人都不陌生，因為它是化工廠的大腦，會根據(jù)采集現(xiàn)場儀表（溫度、壓力、流量、液位等）信號作出判斷，讓輸出的信號對管道的閥門進(jìn)行控制。

由于DCS涉及的知識面很廣，所以今天只介紹基本結(jié)構(gòu)和原理部分，希望能為工廠中相關(guān)操作人員以及初學(xué)者提供參考。

基本結(jié)構(gòu)

DCS是Distributed Control System的縮寫，直譯為“分布式控制系統(tǒng)”。由于產(chǎn)品生產(chǎn)廠家眾多，系統(tǒng)設(shè)計不盡相同，功能和特點也各不相同。

國內(nèi)在翻譯時，也有不同的稱呼：

分散控制系統(tǒng)（簡稱DCS）集散控制系統(tǒng)（簡稱TDCS或TDC）分布式計算機(jī)控制系統(tǒng)（簡稱DCCS）系統(tǒng)組成

三站一線：工程師站、操作員站、現(xiàn)場控制站、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

1工程師站

對DCS進(jìn)行離線的配置、組態(tài)工作和在線的系統(tǒng)監(jiān)督、控制、維護(hù)的網(wǎng)絡(luò)接點。

主要功能：提供對DCS進(jìn)行組態(tài)，配置工作的工具軟件，并在DCS在線運行時實時監(jiān)視DCS網(wǎng)絡(luò)上各個節(jié)點的運行情況，使系統(tǒng)工程師可以通過工程師站及時調(diào)整系統(tǒng)配置及一些系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定，使DCS隨時處在最佳工作狀態(tài)之下。

2操作員站

處理一切與運行操作有關(guān)的人機(jī)界面（HIS，Human Interface Station，或OI，Operator Interface，或MMI，Man Machine Interface）功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

主要功能：為系統(tǒng)的運行操作人員提供人機(jī)界面，使操作員可以通過操作員站及時了解現(xiàn)場運行狀態(tài)、各種運行參數(shù)的當(dāng)前值、是否有異常情況發(fā)生等，并可通過輸入設(shè)備對工藝過程進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，以保證生產(chǎn)過程的安全、可靠、高效。

3現(xiàn)場控制站

現(xiàn)場控制站是DCS的核心，是對現(xiàn)場I/O處理并實現(xiàn)直接數(shù)字控制（DDC）功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

系統(tǒng)主要的控制功能由它來完成，系統(tǒng)的性能、可靠性等重要指標(biāo)也都要依靠現(xiàn)場控制站保證。

其設(shè)計、生產(chǎn)及安裝都有很高的要求，是分散控制系統(tǒng)中的主要任務(wù)執(zhí)行者。

4系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是連接系統(tǒng)各個站的橋梁。由于DCS是由各種不同功能的站組成的，這些站之間必須實現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)傳輸，以實現(xiàn)系統(tǒng)總體的功能。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的實時性、可靠性和數(shù)據(jù)通信能力關(guān)系到整個系統(tǒng)的性能，特別是網(wǎng)絡(luò)的通信規(guī)約，關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)通信的效率和系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。

分散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基本構(gòu)成

基本構(gòu)成由現(xiàn)場級、控制級、監(jiān)控級、管理層四級構(gòu)成。

現(xiàn)場級主要包括各種過程通道卡件或模塊；

控制級包括所有的過程站；

監(jiān)控級包括工程師站、操作員站、歷史站和打印機(jī)等附屬設(shè)備；

管理級包括管理計算機(jī)；

四層中間相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)由控制網(wǎng)絡(luò)（Cnet）、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)（Snet）、管理網(wǎng)絡(luò)（Mnet）三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

1現(xiàn)場級

包括傳感器、變送器、執(zhí)行器等

現(xiàn)場級設(shè)備一般位于被控生產(chǎn)過程的附近。典型的現(xiàn)場級設(shè)備是各類傳感器、變送器和執(zhí)行器，它們將生產(chǎn)過程中的各種物理量轉(zhuǎn)換為電信號。

例如：將4-20mA的電信號（一般變送器）或符合現(xiàn)場總線協(xié)議的數(shù)字信號（現(xiàn)場總線變送器），送往控制站或數(shù)據(jù)采集站進(jìn)行，將控制站輸出的控制量（4-20mA的電信號或現(xiàn)場總線數(shù)字信號）轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移，帶動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。

信號傳輸方式

目前現(xiàn)場級的信息傳遞有三種方式：

一種是傳統(tǒng)的4-20mA（或者其他類型的模擬量信號）模擬量傳輸方式；

一種是現(xiàn)場總線的全數(shù)字量傳輸方式；

一種是在4-20mA模擬量信號上，疊加上調(diào)制后的數(shù)字量信號的混合傳輸方式。

現(xiàn)場信息以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的數(shù)字傳輸是今后的發(fā)展方向。

2控制級

現(xiàn)場控制站

控制級主要由現(xiàn)場控制站和數(shù)據(jù)采集站構(gòu)成。一般在電廠中，把現(xiàn)場控制站和數(shù)據(jù)采集站集中安裝在位于主控室后的電子設(shè)備室中。

現(xiàn)場控制站接收由現(xiàn)場設(shè)備，如傳感器、變送器來的信號，按照一定的控制策略計算出所需的控制量，并送回到現(xiàn)場的執(zhí)行器中。現(xiàn)場控制站可以同時完成連續(xù)控制、順序控制或邏輯控制功能，也可能僅完成其中的一種控制功能。

數(shù)據(jù)采集站

數(shù)據(jù)采集站與現(xiàn)場控制站類似，也接收由現(xiàn)場設(shè)備送來的信號，并對其進(jìn)行一些必要的轉(zhuǎn)換和處理之后送到分散型控制系統(tǒng)中的其它部分，主要是監(jiān)控級設(shè)備中去。

數(shù)據(jù)采集站接收大量的過程信息，并通過監(jiān)控級設(shè)備傳遞給運行人員。

數(shù)據(jù)采集站不直接完成控制功能，這是它與現(xiàn)場控制站的主要區(qū)別。

電子間一般不再獨立設(shè)置，更多為遠(yuǎn)程I/O站。

3監(jiān)控級

監(jiān)控級的主要設(shè)備有操作員站、工程師站、歷史站和計算站等。

操作員站安裝在中央控制室。

工程師站、歷史站和計算站一般安裝在電子設(shè)備室。

操作員站

操作員站是運行員與分散控制系統(tǒng)相互交換信息的人機(jī)接口設(shè)備。

運行人員通過操作員站來監(jiān)視和控制整個生產(chǎn)過程。

運行人員可以在操作員站上觀察生產(chǎn)過程的運行情況，讀出每一個過程變量的數(shù)值和狀態(tài)，判斷每個控制回路是否工作正常，并且可以隨時進(jìn)行手動/自動控制方式的切換，修改給定值，調(diào)整控制量，操作現(xiàn)場設(shè)備，以實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的干預(yù)；

另外操作員站還可以打印各種報表，拷貝屏幕上的畫面和曲線等。

為了實現(xiàn)以上功能，操作員站是由一臺具有較強(qiáng)圖形處理功能的微型機(jī)，以及相應(yīng)的外部設(shè)備組成，一般配有大屏幕顯示器、大屏幕顯示裝置、打印機(jī)、鍵盤、鼠標(biāo)或球標(biāo)。

工程師站

工程師站是為了控制工程師對分散控制系統(tǒng)進(jìn)行配置、組態(tài)、調(diào)試、維護(hù)所設(shè)置的工作站。

工程師站的另一個作用是對各種設(shè)計文件進(jìn)行歸類和管理，形成各種設(shè)計文件，例如，各種圖紙、表格等。

工程師站一般由PC機(jī)配置一定數(shù)量的外部設(shè)備所組成，例如打印機(jī)、繪圖機(jī)等。

歷史站

歷史站的主要任務(wù)是存儲過程控制的實時數(shù)據(jù)，實時報警，實時趨勢等與生產(chǎn)密切相關(guān)的數(shù)據(jù)，用來進(jìn)行事故分析，性能優(yōu)化計算，故障診斷等；

也可以通過歷史站實現(xiàn)與外部網(wǎng)絡(luò)的接口，使外部網(wǎng)絡(luò)不直接訪問DCS監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)就可以獲得所需要的數(shù)據(jù)，即保證了開放性，又保證了安全性。

4管理級

管理系統(tǒng)

管理級包含的內(nèi)容比較廣泛，一般來說，它可能是一個發(fā)電廠的廠級管理計算機(jī)，也可能是若干個機(jī)組的管理計算機(jī)。

它所面向的使用者是廠長、經(jīng)理、總工程師、值長等行政管理或運行管理人員。

廠級管理系統(tǒng)的主要任務(wù)是監(jiān)測企業(yè)各部分的運行情況，利用歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)預(yù)測可能發(fā)生的各種情況，從企業(yè)全局利益出發(fā)輔助企業(yè)管理人員進(jìn)行決策，幫助企業(yè)實現(xiàn)其規(guī)劃目標(biāo)。

管理計算機(jī)

對管理計算機(jī)的要求是：

能夠?qū)刂葡到y(tǒng)做出高速反應(yīng)的實時操作系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫。

大量數(shù)據(jù)的高速處理與存儲，能夠連續(xù)運行可冗余的高可靠性系統(tǒng)，能夠長期保存生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并且具有優(yōu)良的、高性能的、方便的人機(jī)接口，豐富的數(shù)據(jù)庫管理軟件，過程數(shù)據(jù)收集軟件，人機(jī)接口軟件以及生產(chǎn)管理系統(tǒng)生成等工具軟件，實現(xiàn)整個工廠的網(wǎng)絡(luò)化和計算機(jī)的集成化。

實時監(jiān)控和日常管理

管理級也可分成實時監(jiān)控和日常管理兩部分。

實時監(jiān)控是全廠各機(jī)組和公用輔助工藝系統(tǒng)的運行管理層，承擔(dān)全廠性能監(jiān)視、運行優(yōu)化、全廠負(fù)荷分配和日常運行管理等任務(wù)，即監(jiān)控信息系統(tǒng)（SIS）。

日常管理承擔(dān)全廠的管理決策、計劃管理、行政管理等任務(wù)，即管理信息系統(tǒng)（MIS）。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

通信介質(zhì)

DCS網(wǎng)絡(luò)

在早期的DCS中，傳統(tǒng)的分散控制系統(tǒng)多采用制造商自行開發(fā)的專用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍上至用戶的廠級管理信息系統(tǒng)，下至現(xiàn)場控制站的I/O子系統(tǒng)。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，包括其硬件和軟件，都是各個廠家專門設(shè)計的專有產(chǎn)品。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展

近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，分散控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)有了長足的進(jìn)步。很多標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品陸續(xù)推出，特別是以太網(wǎng)逐步成為事實上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，越來越多的DCS廠家直接采用了以太網(wǎng)作為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

DCS網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進(jìn)步，集散控制系統(tǒng)的上層將與國際互聯(lián)網(wǎng)Internet融合在一起，而下層將采用現(xiàn)場總線通信技術(shù)，使通信網(wǎng)絡(luò)延伸到現(xiàn)場。

最終實現(xiàn)：

以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的底層網(wǎng)Infranet；以局域網(wǎng)為基礎(chǔ)的企業(yè)網(wǎng)Intranet；以廣域網(wǎng)為基礎(chǔ)的互聯(lián)網(wǎng)Internet；

所構(gòu)成的三網(wǎng)融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

分散控制系統(tǒng)信號流程

功能結(jié)構(gòu)

從系統(tǒng)的功能角度上看，分散控制系統(tǒng)是一個多功能分級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系，分散控制系統(tǒng)按功能可劃分為經(jīng)營管理、生產(chǎn)管理、過程管理（監(jiān)督控制）、直接控制等四個層次級別。

應(yīng)用中的DCS系統(tǒng)并非全部具有上述四層功能。大多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)，目前只配置和發(fā)揮到第一層和第二層中小規(guī)模上，少數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)使用到第三層功能，只在大規(guī)模的綜合控制系統(tǒng)中才應(yīng)用到全部四層功能。

現(xiàn)場控制站組成

現(xiàn)場控制站的硬件一般都采用專門的工業(yè)級計算機(jī)系統(tǒng)。

主要包括兩部分：一部分是運算器（即主CPU）、存儲器等組成的計算機(jī)單元，稱之為邏輯部分或主控制器；另一部分是現(xiàn)場測量單元、執(zhí)行單元的輸入輸出設(shè)備，即過程量I/O或現(xiàn)場I/O，稱為過程通道。

DCS的特點數(shù)字方式

從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式看，DCS確實與儀表控制系統(tǒng)相類似，它在現(xiàn)場端仍然采用模擬儀表的變送單元和執(zhí)行單元，在主控制室端是計算單元和顯示、記錄、給定值等單元。但從實質(zhì)上DCS和儀表控制系統(tǒng)有著本質(zhì)的區(qū)別。

DCS和儀表控制系統(tǒng)的區(qū)別

首先，DCS是基于數(shù)字技術(shù)的，除了現(xiàn)場的變送和執(zhí)行單元外，其余均采用數(shù)字方式。

而且，DCS的計算單元并不是針對每一個控制回路設(shè)置一個計算單元，而是將若干個控制回路集中在一起，由一個現(xiàn)場控制站來完成這些控制回路的計算功能。

這樣的結(jié)構(gòu)形式不只是為了成本上的考慮。

一個控制站執(zhí)行多個回路控制的結(jié)構(gòu)形式，是由于DCS的現(xiàn)場控制站有足夠的能力完成多個回路的控制計算。

從功能上講，由一個現(xiàn)場控制站執(zhí)行多個控制回路的計算和控制功能更便于這些控制回路之間的協(xié)調(diào)，這在模擬儀表系統(tǒng)中是無法實現(xiàn)的。

一個現(xiàn)場控制站應(yīng)該執(zhí)行多少個回路的控制，則與被控對象有關(guān)，系統(tǒng)設(shè)計師可以根據(jù)控制方法的要求具體安排在系統(tǒng)中使用多少個現(xiàn)場控制站，每個現(xiàn)場控制站中各安排哪些控制回路。在這方面，DCS有著極大的靈活性。

分散方式

從儀表控制系統(tǒng)的角度看，DCS的最大特點在于其具有傳統(tǒng)模擬儀表所沒有的通信功能。

從計算機(jī)控制系統(tǒng)的角度看，DCS的最大特點則在于它將整個系統(tǒng)的功能分成若干臺不同的計算機(jī)去完成，各個計算機(jī)之間通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互相之間的協(xié)調(diào)和系統(tǒng)的集成。

在DDC系統(tǒng)中，計算機(jī)的功能可分為檢測、計算、控制及人機(jī)界面等幾大塊。

在DCS中，檢測、計算和控制由現(xiàn)場控制站的計算機(jī)完成，而人機(jī)界面則由操作員站的計算機(jī)完成。這是兩類功能完全不同的計算機(jī)。

一個系統(tǒng)有多臺現(xiàn)場控制站和多臺操作員站，每臺現(xiàn)場控制站或操作員站對部分被控對象實施控制或監(jiān)視。這種劃分是功能相同而范圍不同的計算機(jī)。

因此，DCS中多臺計算機(jī)的劃分有功能上的，也有控制、監(jiān)視范圍上的。這兩種劃分就形成了DCS的“分布”一詞的含義。

數(shù)據(jù)庫

系統(tǒng)總體數(shù)據(jù)庫是分散控制系統(tǒng)的核心，有了這個總體數(shù)據(jù)庫，分散控制系統(tǒng)才能真正實現(xiàn)資源共享。

各控制站上存在分布式數(shù)據(jù)庫，僅包含各自站所需要的數(shù)據(jù)點信息。

通過分散的數(shù)據(jù)采集和處理，在上位依據(jù)總數(shù)據(jù)庫形成總體數(shù)據(jù)庫，這是分散控制系統(tǒng)的軟件核心。

數(shù)據(jù)庫設(shè)計是分散控制系統(tǒng)的核心

上位數(shù)據(jù)庫和下位數(shù)據(jù)庫要保持一致，避免沖突。

數(shù)據(jù)庫組態(tài)也是整個分散控制系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，如何合理的分配數(shù)據(jù)點，使各現(xiàn)場站結(jié)構(gòu)更合理，數(shù)據(jù)交換各合理，所以說，數(shù)據(jù)庫設(shè)計是分散控制系統(tǒng)的核心。

數(shù)據(jù)庫確定后，才可以進(jìn)行進(jìn)一步的組態(tài)工作，所有的顯示、操作、報表、歷史記錄都是圍繞數(shù)據(jù)庫進(jìn)行的。

控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

對于控制系統(tǒng)來講，尤其是對于控制生產(chǎn)過程這種系統(tǒng)，安全性是首要條件，這就要求新的系統(tǒng)不能影響系統(tǒng)的安全運行。

因此最先得到應(yīng)用的計算機(jī)系統(tǒng)是可靠性要求最低的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，即DAS（DataAcquisition System）

監(jiān)督控制系統(tǒng)

隨著DAS的成功應(yīng)用，并且顯示出了計算機(jī)系統(tǒng)在計算、顯示和記錄等方面的優(yōu)越性，工程人員對其產(chǎn)生了濃厚的興趣。

并且隨著可靠性的提高，工程人員的信心也逐步增強(qiáng)，試圖進(jìn)一步拓展其應(yīng)用范圍，增加其應(yīng)用功能，產(chǎn)生了監(jiān)督控制系統(tǒng)。

直接數(shù)字控制系統(tǒng)

1960年4月在肯塔基州的一個化工廠投運的另一套計算機(jī)系統(tǒng)，除了完成現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)的監(jiān)視和設(shè)定值的功能外，還可以實際完成控制計算并實際輸出控制量。

這就是第一個直接數(shù)字控制（DDC，Direct DigitalControl）系統(tǒng)。這時侯工程人員對計算機(jī)的控制能力充滿信心，并將其付諸實際。

集中型計算機(jī)控制系統(tǒng)

分散型計算機(jī)控制系統(tǒng)