DCS系统结构及各部分功能简介

DCS系统结构及各部分功能简介
一、仪表与控制系统概述
1、控制过程的性质
控制过程的性质可被分成两大类，一类是连续调节性质的（一般称之为过程控制，或流程控制），另一类是状态控制性质的（一般称之为程序控制，或逻辑控制）。

调节是控制的一种。

调节特指通过反馈的方法对连续变化的对象进行连续的控制，如通过调节燃气阀门的大小以控制燃烧火焰的大小，从而达到控制加热器温度，使其保持在预定温度范围内的目的。

在这里温度是一个连续变化的量，对温度的调节也是连续进行的。

调节的过程并没有明显的起点和终点，而只有对目标值的允许偏差以及进行测量和控制的周期。

刚才所说的允许偏差和测量控制周期是连续过程调节的两个最基本的要素，除了这两大要素外，连续过程调节最重要的要素是调节算法，如经典的PID调节、现代的模糊控制等。

所有这些要素都极大地影响着调节的效果和质量。

控制所包含的范围更广，除了上述对连续变化的对象进行调节外，还包括了对非连续对象、非连续过程的控制等。

非连续控制一般指某种装置的状态或位置，对其进行控制实际上就是按照一定的方式改变其状态或位置，如某个电力开关的合闸或分闸。

而非连续过程则由一组非连续对象按照工序的要求组合在一起，以完成一个比较复杂的动作或任务，这样的过程有很明显的起点和终点，控制过程和动作过程是完全对应的。

对非连续过程的控制是一种顺序控制或程序控制，是根据各个被控对象的动作时间、动作顺序和逻辑关系进行的控制。

刚才所说的动作时间、动作顺序和逻辑关系是对非连续过程实行控制的要素。

在实际的生产过程中，更多遇到的，是连续控制（或调节）和非连续控制的混合型控制，即对各种不同工况的过程控制。

因为生产的复杂性，同样的生产装置也会有不同的生产工况或生产阶段，生产工况的切换是根据操作人员的指令或
根据某种状态进行的，而平稳工况的控制则是一种连续控制。

在一些生产过程中，除广泛使用反馈控制方法外，还经常使用前馈控制方法。

前馈控制根据生产设备的运行参数计算控制量，并依据控制量对现场实施控制。

前馈控制的优点是可以使系统快速进入所需的运行状态，但由于前馈控制不检验控制执行的效果并进一步采取调整手段，因此控制的精确性较差。

在实际控制系统中，常采用前馈控制结合反馈控制的综合方法，这样可以取得很好的控制效果。

下表是连续控制和非连续控制（或称为离散控制）的比较：
控制方式
连续控制离散控制
相关要素
运行方式连续分步骤
控制目标预期的允许偏差范围预期的状态或位置
控制算法PID等数学方程逻辑公式
时间特性与过程适应的控制周期各个步骤的执行和间隔时间
控制质量目标参数的控制精度逻辑关系的正确性
稳定性要求干扰工况下尽量小的偏离干扰工况下无错误动作
近年来又出现了一种新的控制类型——Batch control，即批量（或批次）控制，IEC对它的定义是：“Control system that controls a batch process, that is, a process that due to physical structuring of the process equipment or other factors, consists of a sequence of one or more steps or phases that must be performed in a defined order.——处理一个批次过程的控制系统，即：由处理装置或其它因素的物理结构所决定的过程，其中包括必须按照定义的顺序执行的单个或多个步骤或阶段所组成的序列。

”
批次控制结合了过程控制和程序控制这两种控制类型，适用于在同一条生产线上通过装置连接、组合的改变，工艺流程的改变和工艺参数的调整，生产不同品种产品的生产控制。

其工作过程为：首先通过程序控制确定生产流程和工艺参数，然后转入过程控制；当一个完整的过程完成后，再次转入程序控制，形成下
一个批次的生产流程和工艺参数，如此反复。

实际上，批次控制是一种混合控制，是将过程控制和程序控制结合在一起的控制系统。

2、仪表控制系统的基本概念
仪表系统（指由模拟式仪表组成的系统）最主要的控制目标是回路控制。

所谓回路控制，是指那种对最小单元的闭环控制。

这些控制有1-2个现场输入（测量值）和1个现场输出（控制量），在现场输入和现场输出之间有计算单元（即控制器），另外还有一个给定值输入，用于设定控制目标。

回路控制的功能框图如下： 控制装置执行器过程监测元件，变送器
u(t)q(t)
c(t)y(t)r(t)e(t)+
设定值
比较机构控制器
f(t)被控变量
-测量值回路控制的作用是保证被控对象的一个最基本的运行单元能够按照预定的参数正常运行。

3、几种主要的控制系统
对连续调节性质的被控对象，如温度、流量、压力、液位、电流、电压、功率等参数的调节，其特点是测量值是一个连续变化的量，控制值也是一个可连续调节的量，控制系统通过调节量与被控目标之间的传递函数决定如何实施控制或调节。

这种以调节为主要手段的控制系统习惯上称之为仪表系统。

因其是通过种类检测、调节仪表来实现系统的功能的，仪表系统由最初的基地式仪表，发展为单元式组合仪表，却是用模拟技术实现的。

从60年代前后，电子数字计算机进入控制领域，发展出了采用数字技术的监视（Monitoring ）系统，设定值控制（SPC-Set Point Control ）系统、直接数字控制（DDC －Direct Digital Control ）系统，其后，在综合了监视系统和设定值控制（也叫监督控制Supervisory Control ）系统的功能和系统结构之后，出现了监督控制和数据采集系统（SCADA －Supervisory Control And Data Acquisition ）,在综合了仪表系统的特点和DDC 的特点基础上，经过多年研究开发推出了分布式控制系统（DCS-Distributed Control System ）。

另外还有结合了数字技术和仪表系统体系结构的单回路控制器
（SLC-Single Loop Controller），在所有这些不同形式的系统中，DCS以其强大的功能，高度可靠，全数字化的特点和灵活的组态方式、广泛的适用性等诸多优势逐步成了连续调节控制领域的主流系统，而且逐步取代了仪表系统成为行业的标准系统。

对于以状态为主要控制目标的领域，如供电、供气、供水管网的网络拓扑结构的改变，位置控制，通/断的控制等。

这类控制的特点是被控对象是在若干种有限的状态中取其一的设备，如管道的截断阀、电力线路上的形状或断路器等。

对于它们的控制主要基于逻辑条件，如电流型的断路器当线路上的电流超过一定限额时就断开，这就是一个典型的逻辑条件控制。

早期的状态控制是机械式的，一般为人工控制或机械连锁，后来出现了电磁继电器，由电磁继电器的触点和控制线圈组成各种控制逻辑，这是一种电气方式的控制器。

电子技术的发展产生了更加灵活，体积小巧、功耗很低的电子线路，用电子线路组成的控制逻辑逐步取代了继电器逻辑，但最后推动执行机构的功率输出元件仍然采用电磁继电器。

除电磁继电器外，随着电力电子技术的发展，大功率的固态开关也逐步得到了更多的应用。

这类器件采用电子方式实现通断，没有机械动作，也不会产生触点的电弧，因此用在对干扰控制要求较高的场合。

随着数字技术的进一步发展，在70年代前后，一种利用计算机逻辑运算功能的控制器，即可编程逻辑控制器（PLC －Programmable Logic Controller）出现了，它采用计算机的软件完成逻辑运算，并利用梯形图表达各种控制元件逻辑的关系和算法，由于计算机强大的逻辑运算功能，使得PLC可以完成极其复杂的逻辑控制，其使用量迅速扩大。

现在PLC 几乎无所不在，凡是需要进行状态控制的场合几乎全都采用了PLC作为核心控制单元。

如上所述，我们按被控对象的性质，将控制系统分为两大类，一类以连续调节为主，而另一类以状态控制为主。

但在实际的控制系统中，所面对的控制问题是复杂的，往往在一个被控对象中包含着两种，即连续调节和状态控制相结合的控制需求，例如一台汽轮机，我们要求其转速保持在每分钟3000转，因此可以通过调节蒸汽阀门的大小来控制转速，但如果遇到紧急情况，需要使汽轮机迅速停下来，这时还要立即打开一个紧急泄放蒸汽的阀门，使其推动原始动力，将转速迅速地降下来，而在这种情况下，以调整为主要功能的控制器也需要停止工
作，不再执行保持转速的调节动作了。

这样的控制器必须具备连续调节和状态控制两种功能，并使其有机地结合，才能够实现所要求的控制功能。

当今使用最广泛的控制系统有两种，一种是从连续调节基础上发展起来的DCS，另一种是在状态控制基础上发展起来的PLC。

但这两种系统现在已完全不是它们在发展初期时所形成的那种概念了。

不论是DCS还是PLC，现在都具备了连续调节和状态控制两种功能，只不过它们由于实现方法不同，因此在一些具体的性能指标上有些差异，因此适用的场合有所不同而已。

而且，这种适用场合的不同大多是由于传统习惯连续下来的，并不是真正意义上的哪类系统适合或不适合哪类控制的判断。

一般来说，由于连续调节这类控制问题比较复杂，涉及到多种数学方法和算法的实现，因此如果被控对象在连续调节方面所占的比重较大，则比较适宜选用DCS，而如果被控对象主要以状态控制为主，而PLC在状态控制方面所采用的逻辑算法非常精练、耗费资源很少，从系统成本的角度考虑，比较适宜选择PLC。

但在大多数场合，被控对象的需求是混合的，难以明显区分哪种控制占绝大部分的比重，这时选择哪种系统都是可以的。

在具体实施方面，由于连续调节类的控制涉及到对被控对象传递函数，动态特性的分析，控制算法的实现及现场实际运行的验证等专业性很强的工作，因此要建立一套DCS系统一般都由专业性的控制公司执行工程实施和调试运行，而PLC则由于逻辑控制直观简洁，组态方法容易掌握，因此其工程有相当一部分是用户自己完成，这种工程上的特点也造成了PLC系统中所具有的基本上都是通用的，共性的设备配置和功能，很少有为了某些个别用户的特殊需求所添加的专用配置或专用功能；而DCS则不同，由于被控对象的多样性和复杂性，各个厂家的DCS均程度不同地带有具体应用的色彩，例如Honeywell的DCS有很多为石化生产过程所有的配置和功能，Bailey的DCS则有很多适应火电厂的配置和功能，Westinghouse 的DCS则具备很多适合钢厂控制的配置和功能等等。

虽然近年来随着DCS越来越普及，各厂家的DCS也逐步向着通用和全功能的方向发展，但毕竟被控对象的需求太多样化，难以实现涵盖全部功能的系统，而且，应用的发展又在不断提出新的需求，因此，DCS在用户开发界面上下了很大的功夫，以期为用户提供进一步开发和扩展的空间，而PLC则很少提供这种能力。

这恐怕是当前DCS和PLC的最大区别了。

在比较DCS和PLC之区别时，可注意以下几个方面：
（1）产品形态：PLC是单独的设备或部件的方式提供的，而DCS则以系统方式提供。

因此用PLC做系统时用户必须自己完成各种
配套工作。

（2）物理结构：PLC一般不提供机柜，只提供各类模块和机架，而DCS则提供完整的，装配好的机框。

（3）PLC长于逻辑运算，而对于调节回路，则要耗费较大的资源，而且效率不高，而DCS则相反，进行调节时性能很好，但做逻
辑控制时速度不如PLC快。

（4）如果需要站间引用，由于DCS是以系统方式提供给用户的，因此容易实现，通过相应的组态即可。

（5）PLC的开放性较好，一般都可以配合不同厂家的人机界面软件或组态软件。

4、小结
目前最常用的控制系统有以下三种：
DCS——以回路控制为主，实现闭环控制的系统。

PLC——以逻辑控制为主，实现顺序控制（或步进控制，连锁控制，开环控制）的系统。

SCADA——不直接进行现场控制，注重人机界面和数据处理，主要由人实施控制的系统。

三种系统的现场设备为：
DCS——现场控制站
PLC——PLC
SCADA——RTU
当前的趋势是融合，PLC也可实现回路控制功能，作为现场控制站使用，DCS也可完成逻辑控制，而且DCS还在逐步加强人机界面，数据处理功能，实现了SCADA的功能。

从现场设备来看，PLC和现场控制站均具备直接的就地控制功能，同时具有数据采集功能；而RTU则只有数据采集功能，因此成本较低。

但是，因近年来电子设备元器件的价格不断下降，而性能却不断提升，因此在许
多系统中就直接用PLC代替了RTU，很多新推出的RTU也具备了直接的就地控制功能。

二、控制系统详述
1、控制系统的要素及组成
（1）被控对象：
被控对象是实施生产过程的主体。

不论何种控制系统，其作用都是围绕生产过程发生的。

如果离开了生产过程，控制系统就失去了存在的意义，因此，控制系统是从属于生产过程的，但对生产过程又产生着巨大的反作用力，使得完成生产过程的主体，如各类加工机械，发电机、锅炉、化工反应装置、电力或油、汽输送管道等，能够更加安全、高效、稳定、可靠地运行。

作为控制系统的作用目标，被控对象有其自身的运行状态，这些状态是生产过程的表征，控制系统将通过测量被控对象的运行状态来了解生产过程；被控对象还具备很多可操作、可调节的部分，通过对这些部分的操作和调节可改变可控对象的运行状态，从而改变生产过程。

因此，测量和操作、调节是控制系统与被控对象相互作用的最主要界面，而被控对象能否通过某种方法实现测量和操作、调节，则称为被控对象的可测性和可控性。

除了上述正常的测量和操作、调节以外，被控对象还存在各种非预期的状态变化，被称为干扰，干扰的存在使得生产过程偏离预期的轨道，产生不利的影响，因此，控制系统的另一项重要的任务就是使被控对象保持在预期的状态范围之内，以保证生产过程的正常进行。

（2）测量
测量是控制系统感知被控对象运行状态的重要环节，一般通过敏感元件或检测元件来实现测量，如压力传感器、流量传感器、温度传感器（热电偶或热电阻）、电流传感器、电压传感器、功率传感器、在运动控制中的速度、位置传感器等等。

传感器一般使用物理或化学原理来感知各种状态，传感器的输出一般是一个可以被控制系统的核心部件——控制器或运算器所处理的信号，由于传感器所测量的状态包括了各种不同的物理、化学量，而控制器或运算器则要求这些量是一种标准的、规范的表现形式，如电流、电压、气压等，因此往往通过变送器予以变换，形成符合一定标准的统一信号，一般称之为测量值。

而控制系统中完
成测量工作的部分被称为检测单元。

（3）计算
计算是控制系统的核心，它由控制器、调节器或运算器构成，一般将控制器、调节器或运算器统称为计算单元。

计算单元有两个输入，一个输入是测量值，即传感器、变送器给出的表达被控对象运行状态的量，另一个是根据生产过程的要求所设定的控制目标，即设定值。

计算单元的任务有两个，一是在设定值根据生产过程的要求发生改变时，采用一定的控制算法计算出通过何种操作或调节对被控对象的可操作、调节部分实施输出，以使被控对象尽快达到控制目标；另一个是在出现干扰时，被控对象的状态偏离了预定的目标，即设定值，这时计算单元要通过测量得到偏离的程度，并采用一定的控制算法计算出操作步骤或调节量，并实施输出，以使被控对象的运行状态尽快回到预定的目标值。

计算单元的输出量是对被控对象实施的操作和调节，在这时，操作一般指通过某种方法改变被控对象的运行方式，如开通或关断某个管道的阀门，闭合或分离电路的开关等等；而调节则是通过某种方法改变被控对象的运行参数，如通过控制调节阀改变管路中流体的流量、通过调节加热器改变温度等等。

所有这些输出不论操作还是调节均被称为控制指令。

（4）控制执行
由计算机输出的控制指令需要通过各种不同的执行机构来作用于被控对象的可操作部分和可调节部分。

这些执行机构系统称为执行单元，如气动阀、电磁阀、控制电机、继电器等等。

执行单元将计算单元输出的控制指令转换为被控对象可接受的动作，以改变被控对象的运行状态。

以上我们介绍了与控制系统有关的几个关键要素，下图可简明扼要地表达这些要素以及控制系统各组成部分之间的关系：
被控对象
过程量
控制动作 控制系统
检测单元 执行单元
设定值 测量值 控制指令 计算单元 图1：控制系统各要素之间的关系
下面我们举两个实际的例子说明具体的控制系统。

第一个例子是某生产装置中貯液罐的液位控制系统，该系统通过液位传感器（浮子）测量貯液罐的液位，并将液位值送到控制器，控制器将测量的液位与设定的液位进行比较，如果液位高于设定的最高值，则关闭进料阀，停止进料。

当液体流出使液位低于设定的最低值，则开启进料阀补充液体，直到液位回升到上限值。

气动阀门
控制器
输入液流输出液流
图2：貯液罐液位控制
第二个例子是著名的瓦特式飞锤调速器。

通过图3我们可以看到它的工作原理。

在这里，由发动机输出轴经齿轮传动带动一个装有飞锤的轴同步转动，这个装置相当于控制系统的测量单元。

当转速升高时，飞锤在离心力的作用下升起，并压下油缸的连杆，开启下方的高压油通路，使油缸活塞上升，带动调节阀关小，
减小燃油供应而使发动机转速下降；当转速降低时，飞锤下落，使油缸连杆在弹簧的作用下上升，关闭油缸活塞下方的高压油通路并开启油缸活塞上方的高压油通路，使油缸活塞向下运动，带动调节阀开大，增加燃油供应以使发动机转速上升。

这样，在出现干扰（如发动机所带动的负载发生变化）时，可保持其转速不变。

在这个调速器中，飞锤起到了控制器的作用，它巧妙地利用了飞锤的重力和离心力之间的关系实现了设定值和测量值之间的比较，并将偏差作用于油缸，而油缸则是这个控制系统的执行器，它将升速、降速的指令变成了燃油阀门的动作，完成了对发动机转速的控制。

控制系统的设定值由带动飞锤的轴的上下位置来决定，这个轴上移，飞锤必须张开更大的角度才能使油缸活塞的上下油路均关闭，因此将导致发动机的转速上升；而这个轴下移，飞锤必须下落才能使油缸活塞的上下油路均关闭，因此将导致发动机的转速下降，以此来设定发动机的转速。

发动机负载高压油
燃料
关开控制阀门动力油缸
导阀
飞锤
图3：瓦特调速器
在以上的讨论中，我们只涉及了由具体机器设备构成的被控对象和控制系统，而没有涉及生产过程本身以及对生产过程的控制起主要主导作用的主体——人的作用。

一个简单的问题就可以反映这一点：在上面的讨论中多次讲到设定值，控制系统由设定值来规定控制目标，那么，设定值从何而来？它是如何得到的？又是如何作用于控制系统的？还有，在前面的讨论中讲到计算单元根据检测值与设定值之间的偏差，按照一定的控制算法计算出需要操作和调节的量，通过执行
单元对被控对象实施控制。

那么，计算单元所执行的控制算法是从哪儿来的？它是如何得出的？又是如何被计算单元执行的？显然，不论是设定值还是控制算法，都离不开人的作用。

控制系统自己不会确定设定值，因为它并不知道人希望生产过程按什么样的方式进行，控制系统也不了解生产过程的特性，只有人根据生产设备的特性及其对生产过程的影响，推导出如何对这些生产设备进行控制的数学模型，然后控制系统才能够按照这些数学模型进行计算，得到相应的控制值。

除此之外，还有一个重要的问题，即我们在此前所讲述的，都假设被控对象的运行是有规律可循的，是可以用数学模型表达的，因此，控制系统所依据的设定值和控制算法都是预先确定好的，并使用不同的方法固定在控制系统中，在实际运行中，控制系统将按照这些预定的算法执行。

但不幸的是，实际的生产过程有相当多的一部分是没有（至少现在没有）规律可循的，也无法用数学模型表示，另外，生产过程不可避免地会出现一些异常情况，这些异常情况是无法预知的，必须在运行过程中实时地作出决策，这些都离不开人的作用。

有关数学模型的问题已超出本书讨论的范围，因此在这里不作详述。

但作为一个整体，人必须是控制系统的一个最重要的组成部分，这是毋庸置疑的，从数学模型的推导，建立并预先设置在计算单元中，以便在线运行时实现控制功能，到直接参与控制系统的在线运行，对计算单元不能够自动进行处理的控制问题实施操作与调节或为计算单元给出设定值，都需要人的参与。

而为了便于人了解被控对象的运行状态并进行人工的操作与调节，控制系统还必须提供人机界面。

在任何一个控制系统中，人机界面都是必不可少的重要组成部分。

下图表述了一个完整的控制系统所有的组成部分：。