集散控制系统DCS.doc

集散控制系统DCS
 (晴天)  2008-3-7 16:57:00

----史博士《制造业自动化技术系列讲座》之三

    DCS，英文为Distributed Control System，直译应该是分布式控制系统，我国的习惯叫法是集散控制系统，诞生于1975年。这种叫法是相对于集中式控制系统而言的，在60年代，当计算机刚刚诞生时，有人试图用计算机对整个工厂设备进行控制，这时的控制系统称为集中式控制系统,由于这种系统一旦失败就有可能威胁到整个系统，因此，后来将设计修改为分散型的机构，即一个系统包括多个计算机，每个计算机系统只包含8个或稍多一些的回路控制器，这种系统被称为分布式控制系统。第一套DCS是美国HONEYWELL公司制造出来的，当时叫TDC2000系统，一推出市场就十分受欢迎，当时主要应用在石油和石化工业，后来在所有的连续流程的制造业都获得了广泛的应用。

    在采用DCS之前，工厂如果要了解设备和生产过程的现状，只能采用盘装常规仪表控制系统，所有的二次仪表（用来显示的）和控制仪表都安装在一排一排的机柜上，上面大多数是指针式或数字式的显示仪表，或者各类的XY记录仪，一排一排的红黄蓝各种颜色的用于报警指示灯，各种大大小小的按钮、旋钮以及手操器的指示面板和操作手柄。

    在石油、化工、钢铁、电力等行业，DCS之所以能够垄断二十年之久，它的主要优势是与常规仪表控制相比，具有可靠、可组态编程、具有流程图画面，并具有数据记录、存储、报表打印等功能，完全切合了工厂的实际应用和需求。

    DCS通常适用于规模较大的控制系统，由三级系统构成，分别是现场控制站、操作站和工程师站。

最底层是现场控制站，通常由放在一个大型机柜内的模块组成，每个机柜内的模块与PLC的结构类似，有CPU模块、电源模块、通讯模块和I/O模块和存储模件，这些模件均插在一个通讯底板上，一个CPU往往可以带多个底板。通常，CPU、通讯、电源模块具有冗余热备份功能，平时一个是主模块，一个是从模块，当主模块故障时，从模块自动充当主模块的功能，数据从原来的主模块自动无扰动地切换到从模块中来。坏了的主模块可以带电拔掉，换上好的模块再插回原处，该模块又自动工作在从模块的状态。冗余热备是DCS的主要特点。另外，I/O模块通常比实际的I/O点要多配一些，防止一旦增加要重新采购，或者底板的插槽不够。除了冗余功能外，DCS的CPU模块内部通常有许多固化的程序，包括PID、各类函数发生器、阀门控制和电机控制等功能。

    尽管DCS的分布式控制的原意是将控制器分布在工厂的各处，但由于种种原因，实际的DCS的安装并非如此。除了远程工作站外，通常整个DCS系统都是集中在一个控制室内，将所有的仪表和执行机构的电线电缆全部汇集到这里，只不过它的控制站的设计是按装置分开的。

    现场控制站的上面一层是操作站，负责DCS的人机界面功能。通常，操作站通过内部总线与控制站进行通讯。操作站也可以冗余备份。操作站内部运行有DCS的组态软件，该软件的通常有组态编程和运行两种状态。在组态编程时，该软件是一种填空式的组态方式，用户不必编写任何程序语言，只需将有关功能按规则填写在组态画面的空格上即可，组态软件还有画图功能，可以在电脑上画出工厂的流程图。这种组态方式和作图功能也是DCS在八十年代到九十年代大受工厂欢迎的原因之一。在运行状态，组态软件可以有数据采集、数据处理、PID运算、逻辑连锁运算、画面显示，数据存储、报警、报表等功能。操作站通常采用功能键盘，将工厂的许多标准功能直接以一个功能键体现出来，便于操作。还有一部分功能键可以由用户自定义。与集中式控制系统不同，所有的DCS都要求有系统组态功能，可以说，没有系统组态功能的系统就不能称其为DCS。

    工程师站是对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络节点，其主要功能是提供对DCS进行组态，配置工作的工具软件（即组态软件），并在DCS在线运行时实时地监视DCS网络上各个节点的运行情况，使系统工程师可以通过工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定，使DCS随时处在最佳的工作状态之下。另外，工程师站可以供工程师用来对PID控制回路的参数进行调节和设定或者运行优化软件时用。它可以具备操作站的功能，但不需要那么高的可靠性，通常可以用普通的计算机代替。只是软件是由DCS厂商提供的编程软件或优化软件。

    控制站与操作站以及工程师站的连接是通过DCS的骨架——系统网络进行连接的。由于网络对于DCS整个系统的实时性、可靠性和扩充性，起着决定性的作用，因此各厂家都在这方面进行了精心的设计。对于DCS的系统网络来说，它必须满足实时性的要求，即在确定的时间限度内完成信息的传送。这里所说的“确定”的时间限度，是指在无论何种情况下，信息传送都能在这个时间限度内完成，而这个时间限度则是根据被控制过程的实时性要求确定的。因此，衡量系统网络性能的指标并不是网络的速率，即通常所说的每秒比特数（bps），而是系统网络的实时性，即能在多长的时间内确保所需信息的传输完成。

    系统网络还必须非常可靠，为了保证无论在任何情况下，网络通信都不能中断，多数厂家的DCS均采用双总线、环形或双重星形的网络拓扑结构。为了满足系统扩充性的要求，系统网络上可接入的最大节点数量应比实际使用的节点数量大若干倍。这样，一方面可以随时增加新的节点，另一方面也可以使系统网络运行于较轻的通信负荷状态，以确保系统的实时性和可靠性。在系统实际运行过程中，各个节点的上网和下网是随时可能发生的，特别是操作员站，而这种操作绝对不能影响系统的正常运行，因此，系统网络应该具有很强在线网络重构功能。

    进入九十年代以后，计算机技术突飞猛进，更多新的技术被应用到了DCS之中。DCS虽然在系统的体系结构上没有发生重大改变，但是经过不断的发展和完善，其功能和性能都得到了巨大的提高。主要体现在硬件种类的增加，控制性能的提高，和软件运算功能、控制算法、图形界面和通讯功能的提高方面。有人预计，随着计算机的功能提高和可靠性的提高，DCS有可能又变成一个集中式的控制系统，即由一台功能强大的服务器式的电脑配以可靠的软件再加上冗余功能，就可以完成整个DCS系统的功能。也有人提出了刚好相反的发展方向，就是采用我在下一讲要介绍的现场总线仪表，所有的功能分散到全厂各处，上面仅仅保留一个人机界面而已。

    总的说来，DCS在九十年代末期后，受到PLC、现场总线、以及PC-BASED控制系统的冲击比较大，表现在其年增长率只有6%左右，而同期，PLC却保持着12%的年复合增长率；但DCS在传统的流程工业领域中（化工、电力、石化等）仍然牢牢地占据着领先地位。