分散控制系统及其结构

分散控制系统是以微处理器为基础，采用控制功能分散、显示操作集中、兼顾分而自治和综合协调的设计原则的新一代仪表控制系统。集散控制系统简称DCS，也可直译为“分散控制系统”或“分布式计算机控制系统”。它采用控制分散、操作和管理集中的基本设计思想，采用多层分级、合作自治的结构形式。其主要特征是它的集中管理和分散控制。DCS在电力、冶金、石化等各行各业都获得了极其广泛的应用。

DCS通常采用分级递阶结构，每一级由若干子系统组成，每一个子系统实现若干特定的有限目标，形成金字塔结构。可靠性是DCS发展的生命，要保证DCS的高可靠性主要有三种措施：一是广泛应用高可靠性的硬件设备和生产工艺;二是广泛采用冗余技术;三是在软件设计上广泛实现系统的容错技术、故障自诊断和自动处理技术等。当今大多数集散控制系统的MTBF可达几万甚至几十万小时。

在DCS关联领域有许多新进展，主要表现在如下一些方面。(1)系统功能向开放式方向发展。传统DCS的结构是封闭式的，不同制造商的DCS之间难以兼容。而开放式的DCS将可以赋予用户更大的系统集成自主权，用户可根据实际需要选择不同厂商的设备连同软件资源连入控制系统，达到最佳的系统集成。这里不仅包括DCS与DCS的集成，更包括DCS与PLC、FCS及各种控制设备和软件资源的广义集成。(2)仪表技术向数字化、智能化、网络化方向发展。工业控制设备的智能化、网络化发展，可以促使过程控制的功能进一步分散下移，实现真正意义上的“全数字”、“全分散”控制。另外，由于这些智能仪表具有的精度高、重复性好、可靠性高，并具备双向通信和自诊断功能等特点，致使系统的安装、使用和维护工作更为方便。(3)工控软件正向先进控制方向发展。广泛应用各种先进控制与优化技术是挖掘并提升DCS综合性能最有效、最直接、也是最具价值的发展方向，主要包括先进控制、过程优化、信息集成、系统集成等软件的开发和产业化应用。在未来，工业控制软件也将继续向标准化、网络化、智能化和开放性发展方向。(4)系统架构向FCS方向发展。单纯从技术而言，现阶段现场总线集成于DCS可以有三种方式：① 现场总线于DCS系统I/O总线上的集成――通过一个现场总线接口卡挂在DCS的I/O总线上，使得在DCS控制器所看到的现场总线来的信息就如同来自一个传统的DCS设备卡一样。例如Fisher-Rosemount公司推出的DeltaV系统采用的就是此种集成方案。② 现场总线于DCS系统网络层的集成――就是在DCS更高一层网络上集成现场总线系统，这种集成方式不需要对DCS控制站进行改动，对原有系统影响较小。如Smar公司的302系列现场总线产品可以实现在DCS系统网络层集成其现场总线功能。③ 现场总线通过网关与DCS系统并行集成――现场总线和DCS还可以通过网关桥接实现并行集成。如SUPCON的现场总线系统，利用HART协议网桥连接系统操作站和现场仪表，从而实现现场总线设备管理系统操作站与HART协议现场仪表之间的通信功能。一直以来DCS的重点在于控制，它以“分散”作为关键字。但现代发展更着重于全系统信息综合管理，今后“综合”又将成为其关键字，向实现控制体系、运行体系、计划体系、管理体系的综合自动化方向发展，实施从最底层的实时控制、优化控制上升到生产调度、经营管理，以至最高层的战略决策，形成一个具有柔性、高度自动化的管控一体化系统。

考察DCS的层次结构，DCS级和控制管理级是组成DCS的两个最基本的环节。过程控制级具体实现了信号的输入、变换、运算和输出等分散控制功能。在不同的DCS中，过程控制级的控制装置各不相同，如过程控制单元、现场控制站、过程接口单元等等，但它们的结构形式大致相同，可以统称为现场控制单元FCU。过程管理级由工程师站、操作员站、管理计算机等组成，完成对过程控制级的集中监视和管理，通常称为操作站。DCS的硬件和软件，都是按模块化结构设计的，所以DCS的开发实际上就是将系统提供的各种基本模块按实际的需要组合成为一个系统，这个过程称为系统的组态。

(1)现场控制单元现场控制单元一般远离控制中心，安装在靠近现场的地方，其高度模块化结构可以根据过程监测和控制的需要配置成由几个监控点到数百个监控点的规模不等的过程控制单元。现场控制单元的结构是由许多功能分散的插板(或称卡件)按照一定的逻辑或物理顺序安装在插板箱中，各现场控制单元及其与控制管理级之间采用总线连接，以实现信息交互。现场控制单元的硬件配置需要完成以下内容：插件的配置 根据系统的要求和控制规模配置主机插件(CPU插件)、电源插件、I/O插件、通信插件等硬件设备;硬件冗余配置 对关键设备进行冗余配置是提高DCS可靠性的一个重要手段，DCS通常可以对主机插件、电源插件、通信插件和网络、关键I/O插件都可以实现冗余配置。硬件安装 不同的DCS，对于各种插件在插件箱中的安装，会在逻辑顺序或物理顺序上有相应的规定。另外，现场控制单元通常分为基本型和扩展型两种，所谓基本型就是各种插件安装在一个插件箱中，但更多的时候时需要可扩展的结构形式，即一个现场控制单元还包括若干数字输入/输出扩展单元，相互间采用总线连成一体。就本质而言，现场控制单元的结构形式和配置要求与模块化PLC的硬件配置是一致的。(2)操作站操作站用来显示并记录来自各控制单元的过程数据，是人与生产过程信息交互的操作接口。典型的操作站包括主机系统、显示设备、键盘输入设备、信息存储设备和打印输出设备等，主要实现强大的显示功能(如模拟参数显示、系统状态显示、多种画面显示等等)、报警功能、操作功能、报表打印功能、组态和编程功能等等。另外，DCS操作站还分为操作员站和工程师站。从系统功能上看，前者主要实现一般的生产操作和监控任务，具有数据采集和处理、监控画面显示、故障诊断和报警等功能。后者除了具有操作员站的一般功能以外，还应具备系统的组态、控制目标的修改等功能。从硬件设备上看，多数系统的工程师站和操作员站合在一起，仅用一个工程师键盘加以区分。