浅谈集散型控制系统

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摘要：本文将会简要的介绍集散型控制系统的概念、特点、组成、功能及DCS系统功能特点

关键词：集散型控制系统；DCS系统功能

Abstract: this article will briefly introduce the concept and characteristics of distributed control system, composition, function and function of DCS system

Key words: distributed control system; DCS system function

中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)

一．集散型控制系统的概述

1．集散控制系统（Total Distributed Contorol System)是以微处理器为基础的集中分散型控制系统。集散控制系统是进行集中管理的，而系统的体系结构是分布式的，总体上是一种分布结构的控制系统。

自20世纪70年代中期第一套集散控制系统问世以来，集散控制系统已经在工业控制领域得到广泛的应用。目前，它作为新一代的工业自动化过程设备，在世界范围呢已被广泛应用于各行各业。随着现代化工业的飞跃发展、生产规模的不断扩大、生产技术大意机工艺过程越来越复杂，越来越多的仪表和控制工程师已经认识到集散控制系统必将成为流程工业的主流自动控制系统之一。在计算机继承制造系统（Computer Integrated Manufacturing System,CIMS)或计算机集成过程系统(Computer Integrated Process System,CIPS)中，集散控制系统将发挥其各方面的优势。

2．集散控制系统的主要特点是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机(Computer)、通讯(Communication)、显示(CRT)和控制(Control)等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。DCS具有以下特点：

(1)高可靠性

由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设计，因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能的丧失。此外，由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一，可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机，从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。

(2)开放性

DCS采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机采用局域网方式通信，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他计算机的工作。

(3)灵活性

通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态，即确定测量与控制信号及相互间连接关系、从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面，从而方便地构成所需的控制系统。

(4)易于维护

功能单一的小型或微型专用计算机，具有维护简单、方便的特点，当某一局部或某个计算机出现故障时，可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换，迅速排除故障。

(5)协调性

各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息共享，协调工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。

(6)控制功能齐全

控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体，可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。 DCS的构成方式十分灵活，可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站等组成，也可由通用的服务器、工业控制计算机和可编程控制器构成。 处于底层的过程控制级一般由分散的现场控制站、数据采集站等就地实现数据采集和控制，并通过数据通信网络传送到生产监控级计算机。

3 .集散控制系统的问世标志着仪表计算机控制系统进入了一个新的历史时期。由于它具有通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、集中式的操作和显示、友好的人—机界面、运行安全可靠等优点，在短短的30年中，系统功能不断完善，需要从简单孤立的自动化小岛不段地开放，与外部联系个别法方便，系统的可靠性、互操作性和其他性能都得到了不同程度的改进和提高。集散控制系统目前已被广泛应用于石油、化工、电力、纺织等工业生产部门，具有十分广阔的意义

集散控制系统的发展与电子信息技术的发展密切相关。随着半导体集成技术、显示技术、数据存储和压缩技术、计算机技术、网络和通信技术的不断进步，集散控制系统也进入了新的发展时期。通信技术的告诉发展使整个工厂的信息能够实时准确地交换；各种信息管理技术为集散控制系统管理功能提供了技术支持；现场总线的应用使集散控制系统以全数字化的崭新面貌出现在工业生产过程之中；处理器技术与现代电路制造工艺的发展促进了集散控制系统控制单元的小型化；工厂信息网和因特网的应用促进了集散控制系统的集中管理功能，成本和能耗下降，从而使经济效益明显提高。

集散控制系统将向两个方向发展，一个是向计算机集成制造系统（Computer IntegratedＭanufacturing System，CIMS）、计算机集成过程系统（Computer Integrated Process System，CIPS）发展；另一个是向现场总线控制系统发展。

二．集散控制系统体系结构

1．虽然各生产厂家的产品结构各有不同，但其基本组成还是大同小异。集散控制系统的基本组成一般包括以下几部分；现场检测站、现场控制站、操作员站、工程师站、上位机和通讯网络。

现场检测站有时又称数据采集站，直接与生产过程相连接，实现对生产过程中的非控制变量进行数据采集。它完成数据采集和预处理，并对实时数据进行加工，为操作站提供数据，实现对过程变量和状态的监视、打印以及报警等，实现开环监视，或为控制回路运算提供辅助数据和信息。

现场控制站同样直接与生产过程相连接，对控制变量进行检测、处理，并产生控制信号来控制现场的执行机构，实现生产过程的闭环控制。它可控制多个回路，具有极强的运算和控制能力，能够自主地完成回路控制任务，实现连续控制、顺序控制和批量控制等。

操作员站是操作人员进行过程监视、过程控制系统的主要设备。操作员站提供良好的人机交互界面，用以实现集中显示、集中操作和集中管理等功能。操作员站可以进行系统组态的部分或全部工作，兼具工程师站的功能。

工程师站主要用于对集散控制系统进行离线组态和在线监督、控制与维护。工程师能够借助于组态软件对系统进行离线组态，并在集散控制系统在线运行时实时监视集散控制系统网络上各站的运行情况。上位计算机通过通信网络收集系统中各单元的数据信息，根据建立的数学模型和优化控制指标进行计算，完成优化控制的功能。

通信网络是集散控制系统的中枢，是连接集散控制系统中各部分的高速公路。各部分之间的信息传递都是通过通讯网络实现的，它完成数据、指令和其他信息的传递，从而使实现整个系统协调一致地工作，实现数据和信息共享。

总之，操作员站、工程师站和上位计算机构成集散控制系统的集中管理部分；现场监测、现场控制站构成了分散控制部分；通信网络是连接集散控制系统各部分的纽带，是实现集中管理、分散控制的关键。

2 .集散控制系统功能分层体系。目前，层次化已成为DCS的体系特点，使其体现集中操作管理、分散控制的思想。可以将DCS的层次分成以下四级

现场装置管理层次的直接控制级（过程控制级）在这一级上，过程控制计算机直接与现场各类装置（如变送器、执行器、记录仪表等）相连，对所连接的装置的特性数据和采集到的实时数据。

过程管理级 在这一级上的过程管理计算机主要有监控计算机、操作站、工程师站。它综合监视过程各站的所有信息，集中显示操作，控制回路组态和参数修改，优化过程处理等。

生产管理级（产品管理级） 在这一级上的管理计算机根据产品各部件的特点，协调各单元级的参数设定，是产品的总体协调员和控制器。

工厂总体管理级（经营管理级） 这一级居于中央计算机上，并与办公自动化连接起来，担负起全厂的总体协调管理，包括各类经营活动、人事管理等。

3 .DCS系统功能特点

（1）工程师／操作员站

工程师／操作员站（OPS,Station operators）以CRT为基础，可把多个现场控制站送到的数据进行处理，使操作人员能通过键盘或鼠标灵活、方便、准确地监视过程量，以及根据变化调整过程参数等，在本系统中，它还替代工程师站（以节省投资）。可实时采集它所对应现场控制站的各种数据，可以对不同性质的参数以不同颜色区别，可以对不同环节分页，如：汽水系统、送风系统、炉膛和烟道系统。并以人们熟悉的图形和表格方式进行显示。可显示实时参数、报警参数、各种曲线、趋势信息等，并有时钟提示当前时间。同时可对控制参数、设定值等进行在线修改。其具体功能有：

1）监视工艺参数及流程

2）显示趋势信息

3）越界参数显示

4）控制参数修改

5）事件记录

6）生产数据计量统计

7）运行报表生成

8）替代工程师站完成系统组态

工程师／操作员站采用开放式结构，选用高可靠工业控制机，配以其他设备，组成一个完整的工程师／操作员站系统。

（2）现场控制站：

现场控制站是DCS系统与现场打交道的设备，现场控制站对锅炉及汽机的各个参数进行采集，上传给现场操作站和监控站，并接受现场操作站和监控站下传的控制参数作实时调节，其功能如下：

1）与现场变送器、执行器一起构成具有调节功能的控制站。

2）对现场送来的各种信号，进行信号调理。

3）配置一定的输入/输出模块，可完成相应的处理。

4）可以执行预先设定好的控制算法。

5）具备与工程师／操作员站（OPS）进行数据交换的通讯接口。

6）可以下设远程I/O单元。

（3）数据采集系统：（DAS，Data Acquisition System）

每个CRT都具有图形和字符显示功能，通过各种画面或图表对现场运行过程的各个环节进行操作、控制和监视。

所有过程点：包括模拟量输入、输出；数字量输入、输出等都可以用相应的工艺流程图、棒形图、曲线图及参数表等多种形式进行显示。根据实际参数的正常、越限等不同状态而用不同的颜色来表示。所有屏幕的信息均可打印输出，而报表的输出，可根据用户的在线任意选择，组合打印输出。多种曲线可显示在同一幅屏幕内，参数名和各参数显示的颜色可任意选择。画面显示的内容可随实际状态或数据的变化而实时变化。

显示的转化采用软“按钮”和“菜单”的形式实现，全中文引导信息，符合工程实际的结构编排，使操作人员可方便地翻页或调阅任一画面。

具有对历史数据的存储和检索功能。系统每五分钟（可由用户决定）自动存储一组实时数据。所有历史数据都可用图、表、曲线或用户需求的方式显示或归类排列出来，以便进行分析。

（4）模拟量控制系统：（MCS,Analog Control System）

模拟量控制系统是实现锅炉经济燃烧、维持各系统运行参数正常，保证各系统安全、正常运行的重要环节。

本系统可适应负荷在较大范围内变动时的正常控制，并有各种自动保护措施，输出4~20mA（1~5VDC可选），并可在线实时设定上下限位。在变送器信号消失或越位，均有报警功能，同时受影响部分自动切换至手动状态。每一控制回路均有完善的后备手操功能。任何控制参数的修改、设定都具有不同权限的密码口令授权，以防止误操作和无关人员随意操作。

三．结束语

集散控制系统的显著特性是实现集中管理和分散控制。其实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。它是有计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术和人机接口技术相互发展而综合产生的。随着计算机技术的发展，网络技术已经使集散控制系统不仅主要用于分散控制，而且向着集成管理的方向发展，系统的开放性不仅使不同制造厂商的集散控制系统产品可以互相连接，而且使得它们可以方便地进行数据的交换，系统的开放也使第三放的软件可以方便地在现有的集散控制系统上应用。我国引进了大量的不同型号集散控制系统，应用的工业控制领域已遍及石油化工、冶金、炼油、建材、纺织、制药等各行各业。为了使集散控制系统获得更好的应用，对其进行细致的学习、分析和研究，了解集散控制系统的选择、设计和应用方法，具有重要意义。

参考文献

[1]赵众， 冯晓东著.《集散控制系统原理及应用》.电子工业出版社.2007年

[2]俞金涛著.《集散控制系统原理及应用（第二版）》.化学工业出版社.2002年

[3]贺庆之著.《过程控制仪表及装置》.中国轻工业出版社.1994年

[4]万太富，唐仙咏编著.《可编程控制器及应用》.重庆大学出版社.1994年

[5]侯志林著.《过程控制与自动化仪表》.机械工业出版社.1998年