基本介紹
- 中文名：集散控制系統
- 外文名：Distributed Control System
- 簡稱：DCS
- 基礎：微處理器
- 設計原則：控制功能分散、顯示操作集中
- 類別：新一代儀表控制系統
系統介紹,發展趨勢,硬體體系結構,軟體系統,軟體系統,軟體系統,組態,先進控制技術,其套用簡介,
系統介紹
DCS通常採用分級遞階結構，每一級由若干子系統組成，每一個子系統實現若干特定的有限目標，形成金字塔結構。
可靠性是DCS發展的生命，要保證DCS的高可靠性主要有三種措施：一是廣泛套用高可靠性的硬體設備和生產工藝；二是廣泛採用冗餘技術；三是在軟體設計上廣泛實現系統的容錯技術、故障自診斷和自動處理技術等。當今大多數集散控制系統的MTBF可達幾萬甚至幾十萬小時。
發展趨勢
近年來，在DCS關聯領域有許多新進展，主要表現在如下一些方面。
(1)系統功能向開放式方向發展 傳統DCS的結構是封閉式的，不同製造商的DCS之間難以兼容。而開放式的DCS將可以賦予用戶更大的系統集成自主權，用戶可根據實際需要選擇不同廠商的設備連同軟體資源連入控制系統，達到最佳的系統集成。這裡不僅包括DCS與DCS的集成，更包括DCS與PLC、FCS及各種控制設備和軟體資源的廣義集成。
(2)儀表技術向數位化、智慧型化、網路化方向發展 工業控制設備的智慧型化、網路化發展，可以促使過程控制的功能進一步分散下移，實現真正意義上的“全數字”、“全分散”控制。另外，由於這些智慧型儀表具有的精度高、重複性好、可靠性高，並具備雙向通信和自診斷功能等特點，致使系統的安裝、使用和維護工作更為方便。
(3)工控軟體正向先進控制方向發展 廣泛套用各種先進控制與最佳化技術是挖掘並提升DCS綜合性能最有效、最直接、也是最具價值的發展方向，主要包括先進控制、過程最佳化、信息集成、系統集成等軟體的開發和產業化套用。在未來，工業控制軟體也將繼續向標準化、網路化、智慧型化和開放性發展方向。
(4)系統架構向FCS方向發展 單純從技術而言，現階段現場匯流排集成於DCS可以有三種方式：① 現場匯流排於DCS系統I/O匯流排上的集成――通過一個現場匯流排接口卡掛在DCS的I/O匯流排上，使得在DCS控制器所看到的現場匯流排來的信息就如同來自一個傳統的DCS設備卡一樣。例如Fisher-Rosemount公司推出的DeltaV系統採用的就是此種集成方案。② 現場匯流排於DCS系統網路層的集成――就是在DCS更高一層網路上集成現場匯流排系統，這種集成方式不需要對DCS控制站進行改動，對原有系統影響較小。如Smar公司的302系列現場匯流排產品可以實現在DCS系統網路層集成其現場匯流排功能。③ 現場匯流排通過網關與DCS系統並行集成――現場匯流排和DCS還可以通過網關橋接實現並行集成。如SUPCON的現場匯流排系統，利用HART協定網橋連線系統操作站和現場儀表，從而實現現場匯流排設備管理系統操作站與HART協定現場儀表之間的通信功能。
一直以來DCS的重點在於控制，它以“分散”作為關鍵字。但現代發展更著重於全系統信息綜合管理，今後“綜合”又將成為其關鍵字，向實現控制體系、運行體系、計畫體系、管理體系的綜合自動化方向發展，實施從最底層的實時控制、最佳化控制上升到生產調度、經營管理，以至最高層的戰略決策，形成一個具有柔性、高度自動化的管控一體化系統。
硬體體系結構
考察DCS的層次結構，DCS級和控制管理級是組成DCS的兩個最基本的環節。
過程控制級具體實現了信號的輸入、變換、運算和輸出等分散控制功能。在不同的DCS中，過程控制級的控制裝置各不相同，如過程控制單元、現場控制站、過程接口單元等等，但它們的結構形式大致相同，可以統稱為現場控制單元FCU。過程管理級由工程師站、操作員站、管理計算機等組成，完成對過程控制級的集中監視和管理，通常稱為操作站。DCS的硬體和軟體，都是按模組化結構設計的，所以DCS的開發實際上就是將系統提供的各種基本模組按實際的需要組合成為一個系統，這個過程稱為系統的組態。
(1)現場控制單元
現場控制單元一般遠離控制中心，安裝在靠近現場的地方，其高度模組化結構可以根據過程監測和控制的需要配置成由幾個監控點到數百個監控點的規模不等的過程控制單元。
現場控制單元的結構是由許多功能分散的插板（或稱卡件）按照一定的邏輯或物理順序安裝在插板箱中，各現場控制單元及其與控制管理級之間採用匯流排連線，以實現信息互動。
現場控制單元的硬體配置需要完成以下內容：
外掛程式的配置 根據系統的要求和控制規模配置主機外掛程式（CPU外掛程式）、電源外掛程式、I/O外掛程式、通信外掛程式等硬體設備；
硬體冗餘配置 對關鍵設備進行冗餘配置是提高DCS可靠性的一個重要手段，DCS通常可以對主機外掛程式、電源外掛程式、通信外掛程式和網路、關鍵I/O外掛程式都可以實現冗餘配置。
硬體安裝 不同的DCS，對於各種外掛程式在外掛程式箱中的安裝，會在邏輯順序或物理順序上有相應的規定。另外，現場控制單元通常分為基本型和擴展型兩種，所謂基本型就是各種外掛程式安裝在一個外掛程式箱中，但更多的時候時需要可擴展的結構形式，即一個現場控制單元還包括若干數字輸入/輸出擴展單元，相互間採用匯流排連成一體。
就本質而言，現場控制單元的結構形式和配置要求與模組化PLC的硬體配置是一致的。
(2)操作站
操作站用來顯示並記錄來自各控制單元的過程數據，是人與生產過程信息互動的操作接口。典型的操作站包括主機系統、顯示設備、鍵盤輸入設備、信息存儲設備和列印輸出設備等，主要實現強大的顯示功能（如模擬參數顯示、系統狀態顯示、多種畫面顯示等等）、報警功能、操作功能、報表列印功能、組態和編程功能等等。
另外，DCS操作站還分為操作員站和工程師站。從系統功能上看，前者主要實現一般的生產操作和監控任務，具有數據採集和處理、監控畫面顯示、故障診斷和報警等功能。後者除了具有操作員站的一般功能以外，還應具備系統的組態、控制目標的修改等功能。從硬體設備上看，多數系統的工程師站和操作員站合在一起，僅用一個工程師鍵盤加以區分。
軟體系統
DCS的軟體體系如圖3.2所示，通常可以為用戶提供相當豐富的功能軟體模組和功能軟體包，控制工程師利用DCS提供的組態軟體，將各種功能軟體進行適當的“組裝連線”（即組態），生成滿足控制系統的要求各種套用軟體。
軟體系統
現場控制單元的軟體主要包括以實時資料庫為中心的數據巡檢、控制算法、控制輸出和網路通信等軟體模組組成。
實時資料庫起到了中心環節的作用，在這裡進行數據共享，各執行代碼都與它交換數據，用來存儲現場採集的數據、控制輸出以及某些計算的中間結果和控制算法結構等方面的信息。數據巡檢模組用以實現現場數據、故障信號的採集，並實現必要的數字濾波、單位變換、補償運算等輔助功能。DCS的控制功能通過組態生成，不同的系統，需要的控制算法模組各不相同，通常會涉及以下一些模組：算術運算模組、邏輯運算模組、PID控制模組、變型PID模組、手自動切換模組、非線性處理模組、執行器控制模組等等。控制輸出模組主要實現控制信號以故障處理的輸出。
軟體系統
DCS中的操作站用以完成系統的開發、生成、測試和運行等任務，這就需要相應的系統軟體支持，這些軟體包括作業系統、程式語言及各種工具軟體等。一套完善的DCS，在操作站上運行的套用軟體應能實現如下功能：實時資料庫、網路管理、歷史資料庫管理、圖形管理、歷史數據趨勢管理、資料庫詳細顯示與修改、記錄報表生成與列印、人機接口控制、控制迴路調節、參數列表、串列通信和各種組態等。
組態
DCS的開發過程主要是採用系統組態軟體依據控制系統的實際需要生成各類套用軟體的過程。組態軟體功能包括基本配置組態和套用軟體組態。基本配置組態是給系統一個配置信息，如系統的各種站的個數、它們的索引標誌、每個控制站的最大點數、最短執行周期和記憶體容量等。套用軟體的組態則包括比較豐富的內容，主要包括以下幾個方面。
(1)控制迴路的組態
控制迴路的組態在本質上就是利用系統提供的各種基本的功能模組，來構成各種各樣的實際控制系統。目前各種不同的DCS提供的組態方法各不相同，歸納起來有指定運算模組連線方式、判定表方式、步驟記錄方式等等。
指定運算模組連線方式是通過調用各種獨立的標準運算模組，用線條連線成多種多樣的控制迴路，最終自動生成控制軟體，這是一種信息流和控制功能都很直觀的組態方法。判定表方式是一種純粹的填表形式，只要按照組態表格的要求，逐項填入內容或回答問題即可，這種方式很利於用戶的組態操作。步驟記入方式是一種基於語言指令的編寫方式，編程自由度大，各種複雜功能都可通過一些技巧實現，但組態效率較低。另外，由於這種組態方法不夠直觀，往往對組態工程師在技術水平和組態經驗有較高的要求。
(2)實時資料庫生成
實時資料庫是DCS最基本的信息資源，這些實時數據由實時資料庫存儲和管理。在DCS中，建立和修改實時資料庫記錄的方法有多種，常用的方法是用通用資料庫工具軟體生成資料庫檔案，系統直接利用這種數據格式進行管理或採用某種方法將生成的數據檔案轉換為DCS所要求的格式。
(3)工業流程畫面的生成
DCS是一種綜合控制系統，它必須具有豐富的控制系統和檢測系統畫面顯示功能。顯然，不同的控制系統，需要顯示的畫面是不一樣的。總的來說，結合總貌、分組、控制迴路、流程圖、報警等畫面，以字元、棒圖、曲線等適當的形式表示出各種測控參數、系統狀態，是DCS組態的一項基本要求。此外，根據需要還可顯示各類變數目錄畫面、操作指導畫面、故障診斷畫面、工程師維護畫面和系統組態畫面。
(4)歷史資料庫的生成
所有DCS都支持歷史數據存儲和趨勢顯示功能，歷史資料庫通常由用戶在不需要編程的條件下，通過螢幕編輯編譯技術生成一個數據檔案，該檔案定義了各歷史數據記錄的結構和範圍。歷史資料庫中數據一般按組劃分，每組內數據類型、採樣時間一樣。在生成時對各數據點的有關信息進行定義。
(5)報表生成
DCS的操作員站的報表列印功能也是通過組態軟體中的報表生成部分進行組態，不同的DCS在報表列印功能方面存在較大的差異。一般來說，DCS支持如下兩類報表列印功能：一是周期性報表列印，二是觸發性報表列印，用戶根據需要和喜好生成不同的報表形式。
先進控制技術
DCS在控制上的最大特點是依靠各種控制、運算模組的靈活組態，可實現多樣化的控制策略以滿足不同情況下的需要，使得在單元組合儀表實現起來相當繁瑣與複雜的命題變得簡單。隨著企業提出的高柔性、高效益的要求，以經典控制理論為基礎的控制方案已經不能適應，以多變數預測控制為代表的先進控制策略的提出和成功套用之後，先進過程控制受到了過程工業界的普遍關注。需要強調的是，廣泛套用各種先進控制與最佳化技術是挖掘並提升DCS綜合性能最有效、最直接、也是最具價值的發展方向。
在實際過程控制系統中，基於PID控制技術的系統占80%以上，PID迴路運用優劣在實現裝置平穩、高效、優質運行中起到舉足輕重的作用，各DCS廠商都以此作為搶占市場的有力競爭砝碼，開發出各自的PID自整定軟體。另外，根據DCS的控制功能，在基本的PID算法基礎上，可以開發各種改進算法，以滿足實際工業控制現場的各種需要，諸如帶死區的PID控制、積分分離的PID控制、微分先行的PID控制、不完全微分的PID控制、具有邏輯選擇功能的PID控制等等。
與傳統的PID控制不同，基於非參數模型的預測控制算法是通過預測模型預估系統的未來輸出的狀態，採用滾動最佳化策略計算當前控制器的輸出。根據實施方案的不同，有各種算法，例如，內模控制、模型算法控制、動態矩陣控制等。目前，實用預測控制算法已引入DCS，例如IDCOM控制算法軟體包已廣泛套用於加氫裂化、催化裂化、常壓蒸餾、石腦油催化重整等實際工業過程。此外，還有霍尼韋爾公司的HPC，橫河公司的PREDICTROL，山武霍尼韋爾公司在TDC-3000LCN系統中開發的基於卡爾曼濾波器的預測控制器等等。這類預測控制器不是單純把卡爾曼濾波器置於以往預測控制之前進行噪聲濾波，而是把卡爾曼濾波器作為最優狀態推測器，同時進行最優狀態推測和噪聲濾波。
先進控制算法還有很多。目前，國內、外許多控制軟體公司和DCS廠商都在競相開發先進控制和最佳化控制的工程軟體包，希望在組態軟體中嵌入先進控制和最佳化控制策略。
其套用簡介
當大量現場信息由智慧型儀表或通過現場匯流排直接進入計算機控制系統後，存在著計算機內部應用程式對現場信息的共享與互動問題。由於缺乏統一的連線標準，工控軟體往往需要為硬體設備開發專用的驅動程式。這樣一旦硬體設備升級換代，就需要對相應的驅動程式進行更改，增加了系統的維護成本。即使計算機中的SCADA有獨立的驅動程式，但一般也不允許同時訪問相同的設備，否則很容易造成系統崩潰。可見，現場控制層作為企業整個信息系統的底層部分，必然需要與過程管理層和經營決策層進行集成，這樣也存在著監控計算機如何與其它計算機進行信息溝通和傳遞的問題。由於控制系統往往是不同廠商開發的專用系統，相互之間兼容性差，與高層的商業管理軟體之間又缺乏有效的通信接口，因此通信規範問題成為了制約控制系統突破“信息孤島”的瓶頸。
OPC（OLE for Process Control）的出現，建立了一套符合工業控制要求的通信接口規範，使控制軟體可以高效、穩定地對硬體設備進行數據存取操作，套用軟體之間也可以靈活地進行信息互動，極大提高了控制系統的互操作性和適應性
從軟體的角度來說，OPC可以看成是一個“軟體匯流排”的標準。首先，它提供了不同應用程式間（甚至可以是通過網路連線起來的不同工作站上的應用程式之間）實現實時數據傳輸的通道標準；其次，它還針對過程控制的需要定義了在通道中進行傳輸和交換的格式。OPC標準的體系結構為客戶/伺服器模式，即將軟體分為OPC伺服器和OPC 客戶。OPC伺服器提供必要的OPC數據訪問標準接口；OPC客戶通過該標準接口來訪問OPC數據。
運用OPC標準開發的軟體由於都基於共同的數據及接口標準，因此相互之間具有很強的通用性。這在工業控制領域中，具有十分現實的意義。OPC伺服器可由不同供應商提供，其代碼決定了伺服器訪問物理設備的方式、數據處理等細節。但這些對OPC客戶程式來說都是透明的，只需要遵循相同的規範或方法就能讀取伺服器中的數據。同樣，軟體供應商則只需將自己的軟體加上OPC接口，即能從OPC伺服器中取得數據，而不需關心底層的細節。通過OPC接口，OPC客戶程式可以和一個或多個不同的OPC伺服器連線。如圖3.4，同時一個OPC伺服器也可以與多個客戶程式相連，形成多對多的關係。任何支持OPC的產品都可以實現與系統的無縫集成。由於OPC技術基於DCOM，所以客戶程式和伺服器可以分布在不同的主機上，形成網路化的監控系統。
OPC技術的發展和套用，無論供應商還是最終用戶都可以從中得到巨大的益處。首先，OPC技術把硬體和套用軟體有效地分離開，硬體廠商只需要提供一套軟體組件，所有OPC客戶程式都可以使用這些組件，無需重複開發驅動程式。一旦硬體升級，只需修改OPC伺服器端I/O接口部分，無需改動客戶端程式。其次，工控軟體只要開發一套OPC接口就可採用統一的方式對不同硬體廠商的設備進行存取操作。這樣，軟硬體廠商可以專注於各自的核心部分，而不是兼容問題。
對於最終用戶而言，由於無需擔心互操作性，在選擇和更換軟硬體時有了更多的餘地，使異構計算機系統集成將變得很簡單。用戶可以將重點放在整個系統的功能及套用上，這也意味著成本的降低。此外，OPC組件的使用也十分方便，用戶只需進行簡單的組態即可。
OPC伺服器在底層控制系統中採用統一的標準，實現了應用程式與現場設備的有效連線，發揮著重要的橋樑作用，同時也促進了企業現場控制層和生產過程管理層、經營決策層的集成。
