仪表DCS集散控制系统介绍

仪表DCS集散控制系统介绍

集散控制系统（Distributed control system）是以微处理器为基础的对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统，简称DCS系统。该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一，人-机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散。DCS系统在现代化生产过程控制中起着重要的作用。

集散控制系统一般有以下四部分组成：

现场控制级:又称数据采集装置，主要是将过程非控变量进行数据采集和预处理，而且对实时数据进一步加工处理，供CRT操作站显示和打印，从而实现开环监视，并将采集到的数据传输到监控计算机。输出装置在有上位机的情况下，能以开关量或者模拟量信号的方式，向终端元件输出计算机控制命令。这一个级别直接面对现场，跟现场过程相连。比如阀门、电机、各类传感器、变送器、执行机构等等。它们都是工业现场的基础设备、同样也是DCS的基础。在DCS系统中，这一级别的功能就是服从上位机发来的命令，同时向上位机反馈执行的情况。拿军队来举例的话，可以形容为最底层的士兵。它们只要能准确地服从命令，并且准确地向上级汇报情况即完成使命。至于它与上位机交流，就是通过模拟信号或者现场总

线的数字信号。由于模拟信号在传递的过程或多或少存在一些失真或者受到干扰，所以目前流行的是通过现场总线来进行DCS信号的传递。

过程控制级:又称现场控制单元或基本控制器，是DCS系统中的核心部分。生产工艺的调节都是靠它来实现。比如阀门的开闭调节、顺序控制、连续控制等等。

上面说到现场控制级是“士兵”，那么给它发号施令的就是过程控制级了。它接受现场控制级传来的信号，按照工艺要求进行控制规律运算，然后将结果作为控制信号发给现场控制级的设备。所以，过程控制级要具备聪明的大脑，能将“士兵”反馈的军情进行分析，然后做出命令，以使“士兵”能打赢“战争”。这个级别不是最高的，相当于军队里的“中尉”。它也一样必须将现场的情况反馈给更高级别的“上校”也就是下面讲的过程管理级。

过程管理级:DCS的人机接口装置，普遍配有高分辨率、大屏幕的色彩CRT、操作者键盘、打印机、大容量存储器等。操作员通过操作站选择各种操作和监视生产情况、这个级别是操作人员跟DCS交换信息的平台。是DCS 的核心显示、操作跟管理装置。操作人员通过操作站来监视和控制生产过程，可以通过屏幕了解到生产运行情况，了解每个过程变量的数字跟状态。这一级别在军队中算是很高的“上校”了。它所掌握的“大权”可以根据需要随时进行手动自动切换、修改设定值，调整控制信号、操纵现场设备，以实现对生产过程的控制。

经营管理级:又称上位机，功能强、速度快、容量大。通过专门的通信接口与高速数据通路相连，综合监视系统各单元，管理全系统的所有信息。这是全厂自动化系统的最高一层。只有大规模的集散控制系统才具备这一级。相当于军队中的“元帅”，他们所面向的使用者是厂长、经理、总工程师等行政管理或运行管理人员。它的权限很大，可以监视各部门的运行情况，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，帮助企业管理人员进行决策，帮助企业实现其计划目标。

DCS系统的产生背景

上世纪三四十年代，工业自动化装置采用的是分散性控制系统。也就是所有设备都是独立运行，不联网控制。操作员根据生产需求进行计算后，将独立设备的特性调节到适合的程度，然后就开始工作。之后采用了气动、电动模拟仪表组成过程控制系统，实现了一定程度上的集中监视、操作和分散控制。较好的适应了工业生产的需求。可是，随着生产规模和复杂程度的不断提高，原有的控制系统显得滞后、笨重、繁冗，因为一台仪表只有一种控制规律，要实现某些复杂的控制就很困难。另外，控制仪表数量越来越多，用原来落后的仪表盘控制的话，控制盘越来越长，看得人眼睛都会花掉。最致命的就是老系统之间不便于实现通信，很难分级控制和综合管理。再一个就是它的系统变更比较麻烦，只有通过更换仪表和变更仪表连线才能实现。

第三次科技革命开始后，随着计算机技术的发展，人们开始尝试将计算机用于过程控制。试图利用计算机所具有的功能特点，来克服常规模拟

仪表的局限性。但当时采用的办法是用一台计算机控制几十甚至上百个回路，这样做的危险性很高，如果计算机出现故障，会导致很严重的后果，这就是所谓的“危险集中”。若采用双机双工系统，虽可以提高系统的可靠性，但成本太高，如果工厂的生产规模不大，则经济性很差，用户难以接受。

直到上世纪70年代开始，随着计算机技术的日渐成熟，大规模集成电路及微处理器的诞生后，人们开始思考是否能将“危险分散”。就是原来靠一台大计算机完成的“艰巨”任务，能否用几十台微处理来完成？这样的话，即使某一处理器坏了，也不至于会“牵一发而动全身”，从而使危险系数大大降低。答案是肯定的。至此DCS就诞生了。

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。PLC是一种针对顺序逻辑控制发展起来的电子设备，它主要用于代替不灵活而且笨重的继电器逻辑。现场总线技术在进入九十年代中期以后发展十分迅猛，以至于有些人已做出预测：基于现场总线的FCS将取代DCS成为控制系统的主角。

集散控制系统的特点

DCS控制系统与常规模拟仪表及集中型计算机控制系统相比，具有很显著的特点。

1、系统构成灵活。从总体上看，DCS就是由各个工作站通过网络通信系统组网而成的。你可以把他现象成“因特网”。根据生产需求，你可以随时加入或者撤去工作站。系统组态很灵活。

2、操作管理便捷。DCS的人机反馈都是通过CRT跟键盘、鼠标等实现的。你可以想象成在因特网冲浪一样，你可以监视生产装置乃至整个工厂的运行情况。

3、控制功能丰富。原先用模拟控制回路实现的复杂运算，通过高精度的微处理器来实现。难道还有什么算法CPU实现不了的吗？！

4、信息资源共享。你可以把工作站想象成因特网上的各个网站，只要你在DCS系统中，并且权限够大，你就能了解到你要的任何参数。

5、安装、调试方便。相比原先的模拟控制系统，那么多的飞线头，一大堆类似头发丝的电线。DCS系统算是很方便了。

6、安全可靠性高。难道现在还有什么东西的可靠性比电脑更高吗！？DCS系统的硬件结构

DCS的硬件系统主要由集中操作管理装置、分散过程控制装置和通信接口设备等组成。通过通信网络将这些硬件设备连接起来，共同实现数据采集、分散控制和集中监视、操作及管理等功能。

现场控制站

现场控制站中的主要设备是现场控制单元。现场控制单元式DCS直接与生产过程进行信息交互的IO处理系统，它的主要任务是进行数据采集及处理，对被控对象实施闭环反馈控制、顺序控制和批量控制。用户可以根据不同的应用需求，选择配置不同的现场控制单元构成现场控制站。它可以是以面向连续生产的过程控制为主，辅以顺序逻辑控制，构成的一个可