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)已經在工業(yè)控制領域得到了廣泛應用。
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，隨著計算機技術的發(fā)展，網(wǎng)絡技術已經使集散控制系統(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)產品可以互相連接，而且使得它們可以方便地進行數(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。由于當時過程工業(yè)控制應用中采用模擬電動儀表控制系統(tǒng)難以解決有關的控制問題，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） 儀表技術和其他高新技術一樣，發(fā)展的速度很快，更新?lián)Q代的周期越來越短，工業(yè)技術的發(fā)展要求儀表控制系統(tǒng)能適應它們發(fā)展的需要。
（3） 當時計算機已經在工業(yè)控制領域開始應用，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。當時DCS還在初創(chuàng)階段，產品還是集散控制系統(tǒng)的雛形。但是系統(tǒng)已經包括了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。
隨著半導體技術、顯示技術、控制技術、網(wǎng)絡技術和軟件技術等高新技術的發(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)絡通信轉變?yōu)閷Φ仁降目偩€網(wǎng)絡通信或環(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，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)標志著集散控制系統(tǒng)進入了第三代。它的主要改變是在局域網(wǎng)絡方面，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)，符合國際標準組織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)的各制造廠產品間可以相互連接、相互通信和進行數(shù)據(jù)交換，第三方的應用軟件也能在系統(tǒng)中應用，從而使集散控制系統(tǒng)進入了更高的階段，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用場所。
2、 基本結構
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)與生產過程間的界面，生產過程的各種過程變量通過分散過程控制裝置轉化為操作監(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。在分散過程控制裝置內，進行模擬量與數(shù)字量的相互轉換，完成控制算法的各種運算，對輸入與輸出量進行有關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過程的運行狀況，并通過它發(fā)出操作指令給生產過程。生產過程的各種參數(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)產品在分散過程控制裝置內又增加了現(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)產品則在操作管理裝置內增加了綜合管理級的控制裝置和相應的通信系統(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)總的結構來看，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)各個領域得到了應用。
（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)調的分級，它們把數(shù)據(jù)向上送達操作管理級，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，通常，這種協(xié)調是通過上一分級來完成的。上下各分級的關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)生產的要求進行協(xié)調，并給出相應的指令即數(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，把它們轉換成數(shù)字量。這些數(shù)據(jù)經過計算獲得作用到執(zhí)行機構的數(shù)據(jù)輸出量，然后，經轉換成為執(zhí)行機構的輸入信號，送到執(zhí)行機構去。可以看到，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，同時它們相互協(xié)調，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、轉換等功能集中在一起，也產生了一系列的問題。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，無論從經濟上還是從技術上都是行不通的。對計算機功能的分析表明，在過程控制級進行分散，把過程控制與操作管理進行分散是可能的和可行的。
隨著生產過程規(guī)模的不斷擴大，設備的安裝位置也越來越分散，把大范圍內的各種過程參數(shù)集中到一個中央控制室變得不經濟，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)模生產過程的管理有著密切的關系。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。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行操作，由于在同一個計算機系統(tǒng)內運行，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，使其在過程控制領域中發(fā)揮更大的作用。
（3） 自治和協(xié)調性
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)調工作的。
由于整個系統(tǒng)是一個相互協(xié)調的系統(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)配置時應考慮重要的部位設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、分散負荷等，它們的分散是相互協(xié)調的分散。因此，在分散中有集中的數(shù)據(jù)管理、集中的控制目標、集中的顯示屏幕、集中的通信管理等等，為分散作協(xié)調和管理。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)展的結果，也是集散控制系統(tǒng)向下開放的產物?，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)學化的。
全數(shù)學化的直接結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。有人預計，一般可降低40%費用，而且系統(tǒng)的可靠性可以進一步得到提高。
開放性是用戶們的普遍要求。在DCS，各家產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)人士所認同，它將成為21世紀的自動控制系統(tǒng)。
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