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DCS的基本结构及原理 DCS的概念 DCS的结构特点 DCS控制原理 DCS和仪表控制系统的区别 主要内容 DCS的概念 DCS： Distributed Control System 英文直译为 “ 分布式控制系统 ” 。由于产品生产厂 家众多，系统设计不尽相同，功能和特点各具千秋， 所以，对产品的命名也各显特色。 国内在翻译时，也有不同的称呼： 分散控制系统（ Distributed Control System， 简称 DCS）； 集散控制系统（ Total Distributed Control System，简称 TDCS或 TDC）； 分布式计算机控制系统（ Distributed Computer Control System，简称 DCCS）。 系统组成 三站一线：工程师站、操作员站、现场控制站、系统网络 工程师站 对 DCS进行进行离线的配置、组态工作和在线的系 统监督、控制、维护的网络接点。 主要功能：提供对 DCS进行组态，配置工作的工具 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。 操作员站 处理一切与运行操作有关的人机界面（ HIS, Human Interface Station, 或 OI , Operator Interface ,或 MMI , Man Machine Interface） 功能的网络节点。 主要功能：为系统的运行操作人员提供人机界面， 使操作员可以通过操作员站及时了解现场运行状态、 各种运行参数的当前值、是否有异常情况发生等， 并可通过输入设备对工艺过程进行控制和调节，以 保证生产过程的安全、可靠、高效、高质。 现场控制站 现场控制站是 DCS的核心。 对现场 I/O处理并实现直接数字控制（ DDC）功能 的网络节点。 系统主要的控制功能由它来完成。系统的性能、可 靠性等重要指标也都要依靠现场控制站保证。 其设计、生产及安装都有很高的要求。 分散控制系统中的主要任务执行者。 系统网络 是连接系统各个站的桥梁。 由于 DCS是由各种不同功能的站组成的，这些站之 间必须实现有效的数据传输，以实现系统总体的功 能。 系统网络的实时性、可靠性和数据通信能力关系到 整个系统的性能，特别是网络的通信规约，关系到 网络通信的效率和系统功能的实现。 DCS得以实现的技术关键。 分散控制系统结构 基本构成 基本构成由现场级、控制级、监控级、管理层四 级构成。 现场级主要包括各种过程通道卡件或者模块。 控制级包括所有的过程站。 监控级包括工程师站、操作员站、历史站和打印 机等附属设备。 管理级包括管理计算机。 四层中间相应的通信网络由控制网络（ Cnet）、 监控网络（ Snet）、管理网络（ Mnet）三层网 络结构。 现场级 -传感器、变送器、执行器等 现场级设备一般位于被控生产过程的附近 。 典型 的现场级设备是各类传感器 、 变送器和执行器 ， 它们将生产过程中的各种物理量转换为电信号 。 例：将 4 20mA的电信号 （ 一般变送器 ） 或符合 现场总线协议的数字信号 （ 现场总线变送器 ） ， 送往控制站或数据采集站进行 ， 将控制站输出的 控制量 （ 4 20mA的电信号或现场总线数字信号 ） 转换成机械位移 ， 带动调节机构 ， 实现对生产过 程的控制 。 现场级 -信号传输方式 目前现场级的信息传递有三种方式： 一种是传统的 4 20mA（ 或者其他类型的模 拟量信号 ） 模拟量传输方式； 一种是现场总线的全数字量传输方式； 一种是在 4 20mA模拟量信号上 ， 叠加上调 制后的数字量信号的混合传输方式 。 现场信息以现场总线为基础的数字传输是今 后的发展方向 。 控制级 -现场控制站 控制级主要由现场控制站和数据采集站构成 。 一般 在电厂中 ， 把现场控制站和数据采集站集中安装在 位于主控室后的电子设备室中 。 现场控制站接收由现场设备 ， 如传感器 、 变送器来 的信号 ， 按照一定的控制策略计算出所需的控制量 ， 并送回到现场的执行器中去 。 现场控制站可以同时 完成连续控制 、 顺序控制或逻辑控制功能 ， 也可能 仅完成其中的一种控制功能 。 控制级 -数据采集站 数据采集站与现场控制站类似，也接收由现场设备 送来的信号，并对其进行一些必要的转换和处理之 后送到分散型控制系统中的其它部分，主要是监控 级设备中去。 数据采集站接收大量的过程信息，并通过监控级设 备传递给运行人员。 数据采集站不直接完成控制功能，这是它与现场控 制站的主要区别。 电子间一般不再独立设置，更多为远程 I/O站。 监控级 监控级的主要设备有操作员站 、 工程师站 、 历史站 和计算站等 。 操作员站安装在中央控制室 。 工程师站 、 历史站和计算站一般安装在电子设备室 。 监控级 -操作员站 操作员站是运行员与分散控制系统相互交换 信息的人机接口设备 。 运行人员通过操作员站来监视和控制整个生 产过程 。 运行人员可以在操作员站上观察生产过程的 运行情况 ， 读出每一个过程变量的数值和状 态 ， 判断每个控制回路是否工作正常 ， 并且 可以随时进行手动 /自动控制方式的切换 ， 修 改给定值 ， 调整控制量 ， 操作现场设备 ， 以 实现对生产过程的干预； 监控级 -操作员站 另外操作员站还可以打印各种报表 ， 拷贝屏幕上的 画面和曲线等 。 为了实现以上功能 ， 操作员站是由一台具有较强图 形处理功能的微型机 ， 以及相应的外部设备组成 ， 一般配有大屏幕显示器 、 大屏幕显示装置 、 打印机 、 键盘 、 鼠标或球标 。 监控级 -工程师站 工程师站是为了控制工程师对分散控制系统进 行配置 、 组态 、 调试 、 维护所设置的工作站 。 工程师站的另一个作用是对各种设计文件进行 归类和管理 ， 形成各种设计文件 ， 例如 ， 各种 图纸 、 表格等 。 工程师站一般由 PC机配置一定数量的外部设备 所组成 ， 例如打印机 、 绘图机等 。 监控级 -历史站 历史站的主要任务是存储过程控制的实时数据，实 时报警，实时趋势等与生产密切相关的数据，用来 进行事故分析，性能优化计算，故障诊断等； 也可以通过历史站实现与外部网络的接口，使外部 网络不直接访问 DCS监控网络就可以获得所需要的 数据，即保证了开放性，又保证了安全性。 管理级 -管理系统 管理级包含的内容比较广泛 ， 一般来说 ， 它可能是 一个发电厂的厂级管理计算机 ， 也可能是若干个机 组的管理计算机 。 它所面向的使用者是厂长 、 经理 、 总工程师 、 值长 等行政管理或运行管理人员 。 厂级管理系统的主要任务是监测企业各部分的运行 情况 ， 利用历史数据和实时数据预测可能发生的各 种情况 ， 从企业全局利益出发辅助企业管理人员进 行决策 ， 帮助企业实现其规划目标 。 管理级 -管理计算机 对管理计算机的要求是： 能够对控制系统做出高速反应的实时操作系统及数 据库 。 大量数据的高速处理与存储 ， 能够连续运行可冗余 的高可靠性系统 ， 能够长期保存生产数据 ， 并且具 有优良的 、 高性能的 、 方便的人机接口 ， 丰富的数 据库管理软件 ， 过程数据收集软件 ， 人机接口软件 以及生产管理系统生成等工具软件 ， 实现整个工厂 的网络化和计算机的集成化 。 管理级 -实时监控和日常管理 管理级也可分成实时监控和日常管理两部分 。 实时监控是全厂各机组和公用辅助工艺系统的 运行管理层 ， 承担全厂性能监视 、 运行优化 、 全厂负荷分配和日常运行管理等任务 ， 即监控 信息系统 （ SIS） 。 日常管理承担全厂的管理决策 、 计划管理 、 行 政管理等任务 ， 即管理信息系统 （ MIS） 。 系统网络结构 通信介质 DCS网络 在早期的 DCS中， 传统的分散控制系统多采用制造 商自行开发的专用计算机网络。 网络的覆盖范围上至用户的厂级管理信息系统，下 至现场控制站的 I/O子系统。 系统网络，包括其硬件和软件，都是各个厂家专门 设计的专有产品。 网络技术的发展 近年来，随着技术的发展，分散控制系统的网络有 了长足的进步。很多标准的网络产品陆续推出，特 别是以太网逐步成为事实上的工业标准，越来越多 的 DCS厂家直接采用了以太网作为系统网络。 DCS网络与互联网的融合 随着网络技术的不断进步，集散控制系统的上层将 与国际互联网 Internet融合在一起，而下层将采用 现场总线通信技术，使通信网络延伸到现场。 最终实现 : 以现场总线为基础的底层网 Infranet 以局域网为基础的企业网 Intranet 以广域网为基础的互联网 Internet 所构成的三网融合的网络架构。 分散控制系统信号流程 过程通道 过程控制设备 过程通道 执行机构检测仪表 上层指令上层显示 系统网络 功能结构 功能结构 从系统的功能角度上看，分散控制系统是一个多功 能分级控制系统的结构体系，分散控制系统按功能 可划分为经营管理、生产管理、过程管理（监督控 制）、直接控制等四个层次级别。 应用中的 DCS系统并非全部具有上述四层功能。大 多数应用系统，目前只配置和发挥到第一层和第二 层中小规模上，少数应用系统使用到第三层功能， 只在大规模的综合控制系统中才应用到全部四层功 能。 现场控制站组成 现场控制站的硬件一般都采用专门的工业级计 算机系统。 主要包括两部分：一部分是运算器（即主 CPU）、存储器等组成的计算机单元，称之为 逻辑部分或主控制器；另一部分是现场测量单 元、执行单元的输入输出设备，即过程量 I/O或 现场 I/O，称为过程通道。 DCS的特点 -数字方式 1） 数字方式 从系统的结构形式看 ， DCS确实与仪表控制系统相 类似 ， 它在现场端仍然采用模拟仪表的变送单元和 执行单元 ， 在主控制室端是计算单元和显示 、 记录 、 给定值等单元 。 但从实质上 DCS和仪表控制系统有着本质的区别 。 DCS和仪表控制系统的区别 首先 ， DCS是基于数字技术的 ， 除了现场的变送和 执行单元外 ， 其余均采用数字方式 。 而且 ， DCS的计算单元并不是针对每一个控制回路 设置一个计算单元 ， 而是将若干个控制回路集中在 一起 ， 由一个现场控制站来完成这些控制回路的计 算功能 。 这样的结构形式不只是为了成本上的考虑 。 一个控制站执行多个回路控制的结构形式 ， 是由于 DCS的现场控制站有足够的能力完成多个回路的控 制计算 。 DCS有着极大的灵活性 从功能上讲 ， 由一个现场控制站执行多个控制回路 的计算和控制功能更便于这些控制回路之间的协调 ， 这在模拟仪表系统中是无法实现的 。 一个现场控制站应该执行多少个回路的控制 ， 则与 被控对象有关 ， 系统设计师可以根据控制方法的要 求具体安排在系统中使用多少个现场控制站 ， 每个 现场控制站中各安排哪些控制回路 。 在这方面 ， DCS有着极大的灵活性 。 DCS的特点 -分散方式 2） 分散方式 从仪表控制系统的角度看 ， DCS的最大特点在于其 具有传统模拟仪表所没有的通信功能 。 从计算机控制系统的角度看 ， DCS的最大特点则在 于它将整个系统的功能分成若干台不同的计算机去 完成 ， 各个计算机之间通过网络实现互相之间的协 调和系统的集成 。 DCS的特点 在 DDC系统中 ， 计算机的功能可分为检测 、 计算 、 控制及人机界面等几大块 。 在 DCS中 ， 检测 、 计算和控制由现场控制站的计算 机完成 ， 而人机界面则由操作员站的计算机完成 。 这是两类功能完全不同的计算机 。 一个系统有多台现场控制站和多台操作员站 ， 每台 现场控制站或操作员站对部分被控对象实施控制或 监视 。 这种划分是功能相同而范围不同的计算机 。 DCS的特点 因此 ， DCS中多台计算机的划分有功能上的 ， 也有 控制 、 监视范围上的 。 这两种划分就形成了 DCS的 “ 分布 ” 一词的含义 。 DCS的特点 -数据库 3） 数据库 系统总体数据库是分散控制系统的核心 ， 有了这个 总体数据库 ， 分散控制系统才能真正实现资源共享 。 各控制站上存在分布式数据库 ， 仅包含各自站所需 要的数据点信息 。 通过分散的数据采集和处理 ， 在上位依据总数据库 形成总体数据库 ， 这是分散控制系统的软件核心 。 数据库设计是分散控制系统的核心 上位数据库和下位数据库要保持一致，避免冲突。 数据库组态也是整个分散控制系统设计的关键，如 何合理的分配数据点，使各现场站结构更合理，数 据交换各合理，所以说，数据库设计是分散控制系 统的核心。 数据库确定后，才可以进行进一步的组态工作，所 有的显示、操作、报表、历史记录都是围绕数据库 进行的。 DCS的定义 集散控制系统： 集中显示 ， 分散控制 。 1） 集中式数据库 ， 显示管理整个系统的数 据信息 ， 实现信息的集中管理 ， 方便地进行 资源共享 。 2） 分散式处理单元 ， 系统可以有多台现场 控制站 ， 每台控制一部分回路； DCS定义 1） 以回路控制为主要功能的系统； 2） 除了变送器和执行单元外 ， 各种控制功能 以及通信 、 人机界面均采用数字技术； 3) 以计算机的 CRT、 键盘 、 鼠标 /轨迹球代替 仪表盘形成系统人机界面 。 4） 回路控制功能由现场控制站完成 ， 系统可 以有多台现场控制站 ， 每台控制一部分回路； 5） 人机界面由操作员站实现 ， 系统可有多台 操作员站； 6） 系统中所有的现场控制站 、 操作员站均通 过数字通信网络实现连接 。 信号传输方式的演变 机械 气动 模拟电量 数字电量 基地式仪表发展到单元式组合仪表 ， 从控制装 置发展到控制系统 ， 引起这个根本变化或引起 质变的因素 ， 是信号传输的出现 。 也就是说 ， 信号的传输技术造成了功能上的分 工与配合 ， 使控制装置演变成了控制系统 。 正是由于信号传输有着如此重要的作用 ， 因此 其标准的发展和演变就成为仪表控制系统的划 时代标志 。 信号传输方式的演变 如气动单元组合仪表的标志是 20 100 kPa的信 号传输标准； II型电动单元组合仪表的标志是 0 10mA的信号 传输标准； 而 III型电动单元组合仪表的标志则是 4 20 mA的 信号传输标准。 而近年来受到控制工程界广泛关注的现场总线标准， 则是控制系统由模拟技术演进到数字技术后的新一 代信号传输标准。 计算机可靠性对计算机控制系统的推进 电子计算机是 20世纪 40年代诞生的 ， 但直到 1958 年才开始进入控制领域 。 其在控制系统中的发展历程与计算机的可靠性有很 着密切的联系 。 计算机控制系统在电厂中的应用深度显示了其于可 靠性之间的关系 。 数据采集系统 对于控制系统来讲， 尤其是对于控制生 产过程这种系统， 安全性是首要条件， 这就要求新的系统 不能影响系统的安 全运行。 因此最先得到应用的计算机系统是可靠性 要求最低的数据采集系统，即 DAS（ Data Acquisition System）。 监督控制系统 随着 DAS的成功 应用 ， 并且显示 出了计算机系统 在计算 、 显示和 记录等方面的优 越性 ， 工程人员 对其产生了浓厚 的兴趣 。 并且随着可靠性的提高 ， 工程人员的信心也逐 步增强 ， 试图进一步拓展其应用范围 ， 增加其 应用功能 ， 产生了监督控制系统 。 直接数字控制系统 1960年 4月在肯塔 基州的一个化工 厂投运的另一套 计算机系统，除 了完成现场检测 数据的监视和设 定值的功能外， 还可以实际完成 控制计算并实际 输出控制量。 这就是第一个直接数字控制（ DDC， Direct Digital Control）系统。这时侯工程人员对计算机的控制能力 充满信心，并将其付诸实际。 集中型计算机控制系统 分散型计算机控制系统 网络技术的推进 4C技术： DCS是 “ 4C”技术的产物 ， 即计算机 技术 （ computer） 、 控制技术 (control)、 通 信技术 (communication)、 CRT显示技术 。 而 其中对 DCS产生和实现影响最强的是通信技术 。 在 DCS之前 ， 控制技术和计算机技术已经使直 接控制技术付诸实现 ， 可编程调节器和可编程 控制器在现场得以应用 。 CRT的诞生也使图形显示成为现实 。 网络技术的推进 与此同时 ， 以数字式单回路调节器 （ SLC） 和 可编程序逻辑控制器 （ PLC） 为代表的独立 DDC控制单元得到了比较广泛的应用 ， 在一些 电厂控制系统改造中发挥了计算机控制系统的 作用 。 这些技术促成了以直接控制计算机为中心的集 中式控制系统的产生 。 数字式单回路调节器 SLC 在 20世纪 80年代前后 ， 随着大规模集成电路和微 处理器的发展 ， 在仪表控制系统中出现了一类新的 产品 ， 这就是以数字技术为主的单回路调节器 SLC， 即 Single Loop Controller。 这种产品以微处理器为核心 ， 主要完成控制计算的 功能 。 其最主要的用途是代替单元式组合仪表的计算 、 显 示及给定值等单元 ， 而检测 、 执行等功能仍然由常 规的单元完成 ， 以这种方式组成的系统是另一种模 拟式和数字式混合模式的系统 。 网络技术的推进 但是由于当时计算机的可靠性低 ， 导致集中控制系 统存在危险性高的致命缺陷 ， 从而使之不能在实际 中得以广泛推广和应用 。 这时分散控制集中管理的思想已经行成 ， 也就是已 经具有了分散控制系统的设计思路 。 其主要技术瓶颈在于如何解决通信问题 ， 使现场中 用于分散控制的站点之间进行数据通信 ， 以及将现 场控制站中的数据传递给上位 CRT显示 。 没有找到合适的解决方案来实现 DCS的思想 。 网络技术的发展 在 DDC发展的过程中，因为网络技术尚未完善，人 们使用一些其他方法来解决不同控制器之间的信息 传递问题。 如对于串级控制、复合控制等较复杂的控制功能， 常规的组合式单元仪表的做法是采用硬接线将所需 信号引到仪表的计算单元，并参与控制计算。 也可以通过微处理器之间的通信获取所需信号，被 称为 “ 引用 ” 。通常是通过 RS-232或 RS-485串 行通信来进行的。 网络技术的推进 网络技术的发展 ， 使 DCS从设计思想阶段走向 具体实现阶段 。 在 DCS系统诞生时 ， 主要解决一个生产装置中 几个控制站和一个或几个操作站之间的数据通 信问题； 第二代 DCS则解决多个装置的 DCS互联问题； 第三代 DCS则解决一个工厂的多个车间互联及 与全厂计算机管理网络互联的问题 ， 这是总的 设计思想 。 网络技术的推进 通信技术的发展 ， 也促进了 DCS的设计思想一 步步走向现实 。 DCS系统的规模与通信能力也有很大关系 ， 第 一 、 二代 DCS的信道和传输速率有变化 。 第一代 DCS采用双绞线信道或同轴电缆 ， 速率 在 1Mb/s以下 。 第二代 DCS采用同轴电缆或光纤 ， 通信速率为 110Mb/s。 第一代 DCS通信为数据高速公路 ， 第二代 DCS 通信为局域网 。