1分布式控制系統(tǒng)

它是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡為紐帶的多級計算機系統(tǒng)，綜合了計算機，通信、顯示和控制等4C技術，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活以及組態(tài)方便。

在特殊控制領域，如核電站控制系統(tǒng)，DCS的含義被誤叫做數(shù)字化控制系統(tǒng)（Digital control system），其實質仍為分布式操作系統(tǒng)。

概 述

首先，DCS的骨架—系統(tǒng)網(wǎng)絡，它是DCS的基礎和核心。由于網(wǎng)絡對于DCS整個系統(tǒng)的實時性、可靠性和擴充性，起著決定性的作用，因此各廠家都在這方面進行了精心的設計。對于DCS的系統(tǒng)網(wǎng)絡來說，它必須滿足實時性的要求，即在確定的時間限度內完成信息的傳送。這里所說的“確定”的時間限度，是指在無論何種情況下，信息傳送都能在這個時間限度內完成，而這個時間限度則是根據(jù)被控制過程的實時性要求確定的。因此，衡量系統(tǒng)網(wǎng)絡性能的指標并不是網(wǎng)絡的速率

DCS，即通常所說的每秒比特數(shù)（bps），而是系統(tǒng)網(wǎng)絡的實時性，即能在多長的時間內確保所需信息的傳輸完成。系統(tǒng)網(wǎng)絡還必須非常可靠，無論在任何情況下，網(wǎng)絡通信都不能中斷，因此多數(shù)廠家的DCS均采用雙總線、環(huán)形或雙重星形的網(wǎng)絡拓撲結構。為了滿足系統(tǒng)擴充性的要求，系統(tǒng)網(wǎng)絡上可接入的大節(jié)點數(shù)量應比實際使用的節(jié)點數(shù)量大若干倍。這樣，一方面可以隨時增加新的節(jié)點，另一方面也可以使系統(tǒng)網(wǎng)絡運行于較輕的通信負荷狀態(tài)，以確保系統(tǒng)的實時性和可靠性。在系統(tǒng)實際運行過程中，各個節(jié)點的上網(wǎng)和下網(wǎng)是隨時可能發(fā)生的，特別是操作員站，這樣，網(wǎng)絡重構會經(jīng)常進行，而這種操作不能影響系統(tǒng)的正常運行，因此，系統(tǒng)網(wǎng)絡應該具有很強在線網(wǎng)絡重構功能。

其次，這是一種*對現(xiàn)場I/O處理并實現(xiàn)直接數(shù)字控制（DDC）功能的網(wǎng)絡節(jié)點。一般一套DCS中要設置現(xiàn)場I/O控制站，用以分擔整個系統(tǒng)的I/O和控制功能。這樣既可以避免由于一個站點失效造成整個系統(tǒng)的失效，提高系統(tǒng)可靠性，也可以使各站點分擔數(shù)據(jù)采集和控制功能，有利于提高整個系統(tǒng)的性能。DCS的操作員站是處理一切與運行操作有關的人機界面（HMI-Human Machine Interface或operator interface）功能的網(wǎng)絡節(jié)點。

工程師站是對DCS進行離線的配置、組態(tài)工作和在線的系統(tǒng)監(jiān)督、控制、維護的網(wǎng)絡節(jié)點，其主要功能是提供對DCS進行組態(tài)，配置工作的工具軟件（即組態(tài)軟件），并在DCS在線運行時實時地監(jiān)視DCS網(wǎng)絡上各個節(jié)點的運行情況，使系統(tǒng)工程師可以通過工程師站及時調整系統(tǒng)配置及一些系統(tǒng)參數(shù)的設定，使DCS隨時處在佳的工作狀態(tài)之下。與集中式控制系統(tǒng)不同，所有的DCS都要求有系統(tǒng)組態(tài)功能，可以說，沒有系統(tǒng)組態(tài)功能的系統(tǒng)就不能稱其為DCS。

DCS自1975年問世以來，已經(jīng)經(jīng)歷了三十多年的發(fā)展歷程。在這三十多年中，DCS雖然在系統(tǒng)的體系結構上沒有發(fā)生重大改變，但是經(jīng)過不斷的發(fā)展和完善，其功能和性能都得到了巨大的提高?？偟膩碚f，DCS正在向著更加開放，更加標準化，更加產(chǎn)品化的方向發(fā)展。

作為生產(chǎn)過程自動化領域的計算機控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)的DCS僅僅是一個狹義的概念。如果以為DCS只是生產(chǎn)過程的自動化系統(tǒng)，那就會引出錯誤的結論，因為現(xiàn)在的計算機控制系統(tǒng)的含義已被大大擴展了，它不僅包括過去DCS中所包含的各種內容，還向下深入到了現(xiàn)場的每臺測量設備、執(zhí)行機構，向上發(fā)展到了生產(chǎn)管理，企業(yè)經(jīng)營的方方面面。傳統(tǒng)意義上的DCS現(xiàn)在僅僅是指生產(chǎn)過程控制這一部分的自動化，而工業(yè)自動化系統(tǒng)的概念，則應定位到企業(yè)全面解決方案，即total solution的層次。只有從這個角度上提出問題并解決問題，才能使計算機自動化真正起到其應有的作用。

形態(tài)組成

DCS具有以下特點：

1． 高可靠性。由于DCS將系統(tǒng)控制功能分散在各臺計算機上實現(xiàn)，系統(tǒng)結構采用容錯設計，因此某一臺計算機出現(xiàn)的故障不會導致系統(tǒng)其他功能的喪失。此外，由于系統(tǒng)中各臺計算機所承擔的任務比較單一，可以針對需要實現(xiàn)的功能采用具有特定結構和軟件的專用計算機，從而使系統(tǒng)中每臺計算機的可靠性也得到提高。

2． 開放性。DCS采用開放式，標準化、模塊化和系列化設計，系統(tǒng)中各臺計算機采用局域網(wǎng)方式通信，實現(xiàn)信息傳輸，當需要改變或擴充系統(tǒng)功能時，可將新增計算機方便地連入系統(tǒng)通信網(wǎng)絡或從網(wǎng)絡中卸下，幾乎不影響系統(tǒng)其他計算機的工作。

發(fā)展歷史

階段

1975-1980年，在這個時期集散控制系統(tǒng)的技術特點表現(xiàn)為：

1）采用微處理器為基礎的控制單元，實現(xiàn)分散控制，有各種各樣的算法，通過組態(tài)獨立完成回路控制，具有自診斷功能

2）采用帶CRT顯示器的操作站與過程單元分離，實現(xiàn)集中監(jiān)視，集中操作

3）采用較*的冗余通信系統(tǒng)

第二階段

1980—1985.，在這個時期集散控制系統(tǒng)的技術特點表現(xiàn)為：

1）微處理器的位數(shù)提高，CRT顯示器的分辨率提高

2）強化的模塊化系統(tǒng)

3）強化了系統(tǒng)信息管理，加強通信功能

第三階段

1985年以后，集散系統(tǒng)進入第三代，其技術特點表現(xiàn)為：

1）采用開放系統(tǒng)管理

2）操作站采用32位微處理器

3）采用實時多用戶多任務的操作系統(tǒng)

進入九十年代以后，計算機技術突飛猛進，更多新的技術被應用到了DCS之中。PLC是一種針對順序邏輯控制發(fā)展起來的電子設備，它主要用于代替不靈活而且笨重的繼電器邏輯。現(xiàn)場總線技術在進入九十年代中期以后發(fā)展十分迅猛，以至于有些人已做出預測：基于現(xiàn)場總線的FCS將取代DCS成為控制系統(tǒng)的主角。

特點介紹

DCS是分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System）的簡稱，國內一般習慣稱為集散控制系統(tǒng)。它是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡為紐帶的多級計算機系統(tǒng)，綜合了計算機（Computer）、通訊（Communication）、顯示（CRT）和控制（Control）等4C技術，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態(tài)方便，DCS特點如下。

高可靠性

由于DCS將系統(tǒng)控制功能分散在各臺計算機上實現(xiàn)，系統(tǒng)結構采用容錯設計，因此某一臺計算機出現(xiàn)的故障不會導致系統(tǒng)其它功能的喪失。此外，由于系統(tǒng)中各臺計算機所承擔的任務比較單一，可以針對需要實現(xiàn)的功能采用具有特定結構和軟件的專用計算機，從而使系統(tǒng)中每臺計算機的可靠性也得到提高。

開放性

DCS采用開放式、標準化、模塊化和系列化設計，系統(tǒng)中各臺計算機采用局域網(wǎng)方式通信，實現(xiàn)信息傳輸，當需要改變或擴充系統(tǒng)功能時，可將新增計算機方便地連入系統(tǒng)通信網(wǎng)絡或從網(wǎng)絡中卸下，幾乎不影響系統(tǒng)其他計算機的工作。

靈活性

通過組態(tài)軟件根據(jù)不同的流程應用對象進行軟硬件組態(tài)，即確定測量與控制信號及相互間連接關系、從控制算法庫選擇適用的控制規(guī)律以及從圖形庫調用基本圖形組成所需的各種監(jiān)控和報警畫面，從而方便地構成所需的控制系統(tǒng)。

易于維護

功能單一的小型或微型專用計算機，具有維護簡單、方便的特點，當某一局部或某個計算機出現(xiàn)故障時，可以在不影響整個系統(tǒng)運行的情況下在線更換，迅速排除故障。

協(xié)調性

各工作站之間通過通信網(wǎng)絡傳送各種數(shù)據(jù)，整個系統(tǒng)信息共享，協(xié)調工作，以完成控制系統(tǒng)的總體功能和優(yōu)化處理。

控制功能齊全

控制算法豐富，集連續(xù)控制、順序控制和批處理控制于一體，可實現(xiàn)串級、前饋、解耦、自適應和預測控制等*控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。DCS的構成方式十分靈活，可由專用的管理計算機站、操作員站、工程師站、記錄站、現(xiàn)場控制站和數(shù)據(jù)采集站等組成，也可由通用的服務器、工業(yè)控制計算機和可編程控制器構成。處于底層的過程控制級一般由分散的現(xiàn)場控制站、數(shù)據(jù)采集站等就地實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制，并通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡傳送到生產(chǎn)監(jiān)控級計算機。生產(chǎn)監(jiān)控級對來自過程控制級的數(shù)據(jù)進行集中操作管理，如各種優(yōu)化計算、統(tǒng)計報表、故障診斷、顯示報警等。隨著計算機技術的發(fā)展，DCS可以按照需要與更高性能的計算機設備通過網(wǎng)絡連接來實現(xiàn)更的集中管理功能，如計劃調度、倉儲管理、能源管理等。

結構

從結構上劃分，DCS包括過程級、操作級和管理級。過程級主要由過程控制站、I/O單元和現(xiàn)場儀表組成，是系統(tǒng)控制功能的主要實施部分。操作級包括：操作員站和工程師站，完成系統(tǒng)的操作和組態(tài)。管理級主要是指工廠管理信息系統(tǒng)（MIS系統(tǒng)），作為DCS更高層次的應用，目前國內紙行業(yè)應用到這一層的系統(tǒng)較少。

DCS的控制程序：DCS的控制決策是由過程控制站完成的，所以控制程序是由過程控制站執(zhí)行的。

過程控制站的組成：

DCS的過程控制站是一個完整的計算機系統(tǒng)，主要由電源、CPU（中央處理器）、網(wǎng)絡接口和I/O組成

I/O：控制系統(tǒng)需要建立信號的輸入和輸出通道，這就是I/O。DCS中的I/O一般是模塊化的，一個I/O模塊上有一個或多個I/O通道，用來連接傳感器和執(zhí)行器（調節(jié)閥）。

I/O單元：通常，一個過程控制站是有幾個機架組成，每個機架可以擺放一定數(shù)量的模塊。CPU所在的機架被稱為CPU單元，同一個過程站中只能有一個CPU單元，其他只用來擺放I/O模塊的機架就是I/O單元。

國內外應用

分散控制系統(tǒng)

1975 年美國大的儀表控制公司Honeyw ell 向世界推出了它的綜合分散控制系統(tǒng)TDC—2000 （ Toal Distributed Control-2000）,這一系統(tǒng)的發(fā)表,立即引起美國工業(yè)控制界高度評價，稱之為“鼓舞人心的事件”。世界各國的各大公司也紛紛仿效，推出了一個又一個集散系統(tǒng)，從此過程控制進入了集散系統(tǒng)的新時期。

在此期間有日本橫河公司推出的CEN TUM,美國泰勒儀表公司的MO SË,費雪爾公司的DCÉ —400,貝利公司的N —90,?？怂共_公司的Cpect rum 和德國西門子公司的Telepermm。

隨著計算機特別是微型計算機與網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，加上各制造商的激烈競爭，使DCS 很快從70 年代的代發(fā)展到90 年代初的第三代DCS。盡管在這之前的集散系統(tǒng)的技術水平已經(jīng)很高，但其中存在著一個主要的弊病是： 各大公司推出的幾十種型號的系統(tǒng)，幾乎都是該公司的產(chǎn)品，每個公司為了保護自身的利益，采用的都是網(wǎng)絡，這就為全廠、全企業(yè)的管理帶來問題。

隨著計算機的發(fā)展與網(wǎng)絡開發(fā)使各控制廠商更多地采用商業(yè)計算機的技術，80年代末許多公司推出新一代的集散系統(tǒng)，其主要特征是新系統(tǒng)的局部網(wǎng)絡采用MA P 協(xié)議； 引用智能變送器與現(xiàn)場總線結構； 在控制軟件上引入PLC 的順序控制與批量控制，使DCS 也具有PLC 的功能。

至90 年代初各國*的DCS 有：3000,Bailey 的IN F I—90,Ro semoun t 的RS—3,W est Hoo se 的WDPF,L eeds &Non th rup 的MAX—1000,Foxbo ro 的IöA S,日本橫河的CEN TUM。這里所提到的均為大型的DCS,為了適應市場的需要各廠商也開發(fā)了不少中小型的DCS 系統(tǒng)如S—9000,MAX—2,LXL,A 2 PACS 等等。

流程工業(yè)CIMS

流程工業(yè)CIMS是一個復雜的綜合自動化系統(tǒng)，處理的對象是整個企業(yè)的全部生產(chǎn)活動，DCS作為一種有效的工具和實現(xiàn)手段，在流程工業(yè)CIMS中完成重要的基礎控制和實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、動態(tài)監(jiān)控等功能。與管理類計算機相比，DCS能夠提供更加可靠的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，使CIMS系統(tǒng)所作出的優(yōu)化決策也更加可靠。

從功能上看，流程工業(yè)CIMS中的生產(chǎn)自動化系統(tǒng)、動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)和在線質量控制都可以由DCS實現(xiàn)。從流程工業(yè)CIMS的層次結構看，DCS主要擔負過程控制和過程優(yōu)化任務，有些生產(chǎn)調度和生產(chǎn)管理工作也可在DCS上完成。

日常維護

1 過程通道故障：過程通道故障出現(xiàn)多的是I/O卡故障。I/O卡故障一般的判斷與處理：通過系統(tǒng)診斷，更換通道或通過更換備用件處理，至于其內部元件老化或是其他原因造成的損壞，一般控制人員不好判斷。I/O卡的檢修一般是由廠家處理，目前的熱控檢修人員的手段還不能達到像檢修常規(guī)儀表那樣檢修。而且生產(chǎn)廠家的I/O卡件已制造成一體化的趨勢，這樣只能購買備件。好在這類故障只是在調試階段出現(xiàn)較多，正常運行中出現(xiàn)幾率很低。一次元件或控制設備出現(xiàn)故障有時不能直接被操作員發(fā)現(xiàn)，只有異?；驁缶蟛磐ㄖ獰峥厝藛T處理。這樣對檢修人員和運行人員的素質要求就要提高，運行人員要詳細介紹故障前后的狀態(tài)便于熱控檢修人員能夠快速、準確地處理缺陷，減少故障的擴大化，另外許多DCS廠家在產(chǎn)品宣傳上都支持卡件熱撥，做為控制人員，在運行中更換卡件時一定要做好安全防護措施否則會引起系統(tǒng)變化或負荷變化，尤其數(shù)字量卡件。

2 對于操作員站死機無論國產(chǎn)與進口設備都有相關的報道，那么究其原因比較多，硬盤或卡件故障，冷卻風扇負荷過重等等，有時會發(fā)生人為操作現(xiàn)象，一般在修改控制邏輯下裝軟件重啟設備或強制設備保護信號時，易發(fā)生操作事件，輕則設備異常，重則易造成設備停運后果非常嚴重；對死機后重啟，不同廠家的啟動時間不同，少則幾十秒，多則幾分鐘，人為該操作發(fā)生的故障在熱工專業(yè)中的不安全事件中占有很大比例，在操作中尤為引起高度重視，減少人為故障。

3球標操作不正常，一般是由于機械裝置長期工作、老化、污染、點通斷不可靠、電纜插件不牢等這樣的就需要換檢查即可。

4控制操作失靈：是由于球標的操作信號沒有正常改變過程通道的狀態(tài)，造成操作失效，這是2個方面造成的，一個方面是軟件缺陷，另一方面是硬件本身故障的狀態(tài)針對這樣的缺陷通常做法檢查過程通道功能正常后，再檢查操作遠必要時進行重起初始操作。

5 對于薄膜鍵盤主要是鍵盤接觸不良信號電纜松動或主機誤動鍵盤或啟動不完整都可以導致其功能不正常應用針對不同情況處理。

6打印機不工作一般是由于配置的原因，這樣的故障應檢查打印機的設置及其硬件是否正常進行處理。報表軟件功能不強主要表現(xiàn)在由于打印機打印報表和SOE等造成死機，或者打印機的SOE記錄時問與實際情況不符；SOE打印瀏覽后不能返回歷史曲線；SOE時間順序不一致有時偏差很大，這會延誤事故分析的進展時，有時還會誤導分析方向，SOE問題既與系統(tǒng)設計不合理，SOE點沒*集中在一個DPU上的有關，也與系統(tǒng)硬件及軟件設計考慮不周有關。這種故障的出現(xiàn)，通過分析認為這主要是對電廠的總體方面考慮的不太，在小的方面還不夠仔細會出現(xiàn)這樣那樣的故障，針對這種情況要認真對待，不放過蛛絲馬跡，與廠家認真研究提出問題進一步完善，讓該系統(tǒng)更好地為生產(chǎn)服務。

7 電源故障：電源故障問題較多，保險配置不合理，備用電源不能自投，電源波動引起保護誤動及接插頭接觸不良易造成無電源。針對電源故障處理相對比較容易。首先，認真核對保險的配置及容量，真正起到保險的作用；其次，UPS的配備很重要，它可以在電源波動時也能保證系統(tǒng)正常供電，而且要考慮冗余和備用問題。

8 干擾造成的故障：對于干擾主要是接地問題，備用電源的切換和大功率的無線通信設備如手機、對講機等。另外還有DCS系統(tǒng)的干擾信號可能由本身造成的。那么對于DCS系統(tǒng)的接地問題越來越引起人們的重視，尤其在電力行業(yè)，大功率電器設備的啟動和停止都會干擾DCS的控制信號，造成不必要的故障。為了防止干擾信號串入系統(tǒng)，嚴格執(zhí)行屏蔽和接地要求和方式，信號線遠離干擾源，同時采取防電源波動措施。主/從過程處理機之間在機組運行時，除非萬不得以，盡量不要人為切換，已防產(chǎn)生干擾，如必須切換，應采取措施，先將控制切手動，以免對機組運行工況產(chǎn)生影響。對電子設備問、工程師站等重點部位，應禁止使用大功率無線電通信設備。