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DCS控制系統入門講解

來源：本站作者：管理員發布日期:2014-06-30 瀏覽次數：2148

集散控制系統（Distributed Control system DCS）是以微處理器為基礎的集中分散型控制系統。自70年代中期第一套集散控制系統問世以來，集散控制系統已經在工業控制領域得到了廣泛應用。

集散控制系統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展，網絡技術已經使集散控制系統不僅主要用于分散控制，而且向著集成管理的方向發展。系統的開放不僅使不同制造廠商的集散控制系統產品可以互相連接，而且使得它們可以方便地進行數據的交換，系統的開放也使第三方的軟件可以方便地在現有的集散控制系統上應用。在我國石化行業已運行著許多套不同型號的集散和控制系統，它們在過程控制中發揮著非常重要的作用。

1、發展歷史

集散控制系統是1975年首先由美國霍尼威爾(Honeywell)公司推出的。由于當時過程工業控制應用中采用模擬電動儀表控制系統難以解決有關的控制問題，采用計算機的直接數字控制也難以克服，它們是：

（1）生產過程規模的不斷擴大，使得中央控制室的儀表數量越來越多，操作人員對過程的監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，發展的速度很快，更新換代的周期越來越短，工業技術的發展要求儀表控制系統能適應它們發展的需要。

（3）當時計算機已經在工業控制領域開始應用，它具有的數字化控制算法使控制系統的實施變得方便，更改也十分容易。但是，由于它的價格很貴，采用的是直接數字控制或監督計算機控制，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首要解決的問題。

（4）集中和綜合的操作和監督要求對全廠、各車間和工段級的控制和操作有相應的數據通信聯系，它不僅要求有大量的數據傳遞，也要求有高速的數據傳輸速率。

Honeywell公司的TDC-2000正是在這種情況下推出的。當時DCS還在初創階段，產品還是集散控制系統的雛形。但是系統已經包括了DCS的三大組成部分，即分散過程控制裝置、操作管理裝置和數據通信系統。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、網絡技術和軟件技術等高新技術的發展，集散控制系統也得到了飛速的發展。第二代集散控制系統的主要特點是系統的功能擴大或者增強。例如，控制算法的擴充；常規控制與邏輯控制、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據通訊系統的發展，從主從式的量形網絡通信轉變為對等式的總線網絡通信或環網通信。但是，各制造廠的通信系統各自為政，在不同制造廠集散控制系統間通信存在一定的困難。在第二代集散控制系統中，通信系統已采用局域網絡，因此，系統的通信范圍擴大，同時數據的傳送速率也大大提高。

美國Foxboro公司在1987年推出的I/AS系統標志著集散控制系統進入了第三代。它的主要改變是在局域網絡方面，I/AS系統采用了10兆位/秒的寬帶網與5兆位/移的載帶網，符合國際標準組織ISO的OSI開放系統互聯的參考模型。因此，在符合開放系統的各制造廠產品間可以相互連接、相互通信和進行數據交換，第三方的應用軟件也能在系統中應用，從而使集散控制系統進入了更高的階段，同時第三代集散控制系統所提供的控制功能也有了增強。通常，系統已不再是常規控制，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，由系統自動搜索或通過一定的運算獲得較好的控制器參數，因此第三代集散控制系統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視的數據，而操作的各種信息也通過分散過程控制裝置送到執行機構。在分散過程控制裝置內，進行模擬量與數字量的相互轉換，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，并通過它發出操作指令給生產過程。生產過程的各種參數在操作管理裝置上顯示，以便于操作人員監視和操作。

（3）通信系統

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據之間的傳遞和交換，這就是通信系統。

有些集散控制系統產品在分散過程控制裝置內又增加了現場裝置級的控制裝置和現場總線的通信系統，有些集散控制系統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。這些集散控制系統使系統的分級增加，系統的通信系統對不同的裝置有不同的要求，但是，從系統總的結構來看，還是由三大部分組成的。

3、特點

集散控制系統能被廣泛應用的原因是它具有優良的特性。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、數據存儲量大等優點；與計算機集中控制比較，它具有操作監督方便、危險分散、功能分散等優點。因此，在各行各業各個領域得到了應用。

（1）分級遞階控制

集散控制系統是分級遞階控制系統。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調的分級，它們把數據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據的交換，這樣的系統是分級的遞階系統。集散控制系統的規模越大，系統的垂直和水平分級的范圍也越廣。

分級遞階系統的優點是各個分級具有各自的分工范圍，相互之間有協調，通常，這種協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據送到上一級，由上一級根據生產的要求進行協調，并給出相應的指令即數據，通過數據的通信系統，把數據送到下層的有關分級。在集散控制系統中，過程控制級采集過程的各種數據信息，把它們轉換成數字量。這些數據經過計算獲得作用到執行機構的數據輸出量，然后，經轉換成為執行機構的輸入信號，送到執行機構去?？梢钥吹?，在集散控制系統中，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系，在各自的工作中完成各自的任務，同時它們相互協調，相互制約，使整個系統在優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的另一特點，分散是針對集中而言的。在計算機控制系統的應用初期，控制系統是集中式的，即一個計算機完成全部的操作監督和過程的控制。

國外對集散控制系統常稱為分散控制系統，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是在中央控制室集中控制的基礎上發展而來。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作為原系統的后備，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與其相適應。在集中控制的計算機系統中，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內運行，系統的中斷優先級、分時操作等的要求也較高，系統還會出現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是解決集中計算機控制系統不足的較好的途徑。同時，在實踐中，人們也在不斷地改善分散控制系統的性能，使其在過程控制領域中發揮更大的作用。

（3）自治和協調性

集散控制系統的各組成部分是各自為政的自治系統，它們各自完成各自的功能，相互間又有聯系，數據信息相互交換，各種條件互相制約，在系統的協調下工作。

在集散控制系統中，分散過程控制裝置是一個自治的系統，它完成數據的采集、信號處理、計算及數據輸出等功能。操作管理裝置完成數據的顯示、操作監視和操縱信號的發送等功能。通信系統則完成操作管理裝置與分散過程控制裝置間的數據通信。集散控制系統的各部分是各自獨立的自治系統，但是，在系統中它們又是互相協調工作的。

由于整個系統是一個相互協調的系統，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；通信系統的故障會使數據傳送出錯；過程控制裝置的故障使系統無法正常工作。應該指出，不同部件的故障對整個系統影響的大小是不同的。為此，在集散控制系統的選型和系統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。

在集散控制系統中，分散的內涵是十分廣泛的。分散數據庫、分散控制功能、分散數據顯示、分散通信、分散供電、分散負荷等，它們的分散是相互協調的分散。因此，在分散中有集中的數據管理、集中的控制目標、集中的顯示屏幕、集中的通信管理等等，為分散作協調和管理。各個分散的自治系統是在統一集中管理和協調下各自分散工作的。

4、發展趨勢

現場總線是集散控制系統向著全數字化系統發展的結果，也是集散控制系統向下開放的產物?，F場總線是安裝在制造或過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線?，F場總線裝置包括變送器、執行器等，且都可兼帶調節器，具有控制功能。與DCS不同，這些現場裝置輸出（或輸入）的信號是數字信號而非傳統的4-20MA（或0-10MA）DC模擬信號。兩者比較，DCS只能說是半數字化的，現場總線才是全數學化的。

全數學化的直接結果是可以大量減少現場接線，由于使用單個現場儀表就可實現多變量通信，且現場一級增加了控制功能，這樣不僅使系統集成大為簡化，維護變得十分簡便，而且可明顯節約儀表裝置系統的投資。有人預計，一般可降低40%費用，而且系統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，而現場總線是要求有互操作性的，它反映了企業界和科技界對開放性的普遍要求。在未來的十年間，現場總線將得到迅速發展。在許多場合，它將取代DCS。目前，現場總線控制系統已被大多數人士所認同，它將成為21世紀的自動控制系統。

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