浅析DCS系统的基本结构和原理

提起DCS系统，化工人都不陌生，因为它是化工厂的大脑，会根据采集现场仪表（温度、压力、流量、液位等）信号作出判断，让输出的信号对管道的阀门进行控制。

由于DCS涉及的知识面很广，所以今天只介绍基本结构和原理部分，希望能为工厂中相关操作人员以及初学者提供参考。

基本结构

DCS是Distributed Control System的缩写，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，功能和特点也各不相同。

国内在翻译时，也有不同的称呼：

分散控制系统（简称DCS）集散控制系统（简称TDCS或TDC）分布式计算机控制系统（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

1工程师站

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随时处在最佳工作状态之下。

2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。

3现场控制站

现场控制站是DCS的核心，是对现场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，是分散控制系统中的主要任务执行者。

4系统网络

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。

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。

1现场级

包括传感器、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。

例如：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。

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。

2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。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。

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。

3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。

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；

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。

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。

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。

4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。

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

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

控制系统数据采集系统

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（DataAcquisition 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 DigitalControl）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