分散控制系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)

分散控制系統(tǒng)是以微處理器為基礎(chǔ)，采用控制功能分散、顯示操作集中、兼顧分而自治和綜合協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)原則的新一代儀表控制系統(tǒng)。集散控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱DCS，也可直譯為“分散控制系統(tǒng)”或“分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)”。它采用控制分散、操作和管理集中的基本設(shè)計(jì)思想，采用多層分級(jí)、合作自治的結(jié)構(gòu)形式。其主要特征是它的集中管理和分散控制。DCS在電力、冶金、石化等各行各業(yè)都獲得了極其廣泛的應(yīng)用。

DCS通常采用分級(jí)遞階結(jié)構(gòu)，每一級(jí)由若干子系統(tǒng)組成，每一個(gè)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)若干特定的有限目標(biāo)，形成金字塔結(jié)構(gòu)?？煽啃允荄CS發(fā)展的生命，要保證DCS的高可靠性主要有三種措施：一是廣泛應(yīng)用高可靠性的硬件設(shè)備和生產(chǎn)工藝;二是廣泛采用冗余技術(shù);三是在軟件設(shè)計(jì)上廣泛實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的容錯(cuò)技術(shù)、故障自診斷和自動(dòng)處理技術(shù)等。當(dāng)今大多數(shù)集散控制系統(tǒng)的MTBF可達(dá)幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)小時(shí)。

在DCS關(guān)聯(lián)領(lǐng)域有許多新進(jìn)展，主要表現(xiàn)在如下一些方面。(1)系統(tǒng)功能向開(kāi)放式方向發(fā)展。傳統(tǒng)DCS的結(jié)構(gòu)是封閉式的，不同制造商的DCS之間難以兼容。而開(kāi)放式的DCS將可以賦予用戶更大的系統(tǒng)集成自主權(quán)，用戶可根據(jù)實(shí)際需要選擇不同廠商的設(shè)備連同軟件資源連入控制系統(tǒng)，達(dá)到最佳的系統(tǒng)集成。這里不僅包括DCS與DCS的集成，更包括DCS與PLC、FCS及各種控制設(shè)備和軟件資源的廣義集成。(2)儀表技術(shù)向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。工業(yè)控制設(shè)備的智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，可以促使過(guò)程控制的功能進(jìn)一步分散下移，實(shí)現(xiàn)真正意義上的“全數(shù)字”、“全分散”控制。另外，由于這些智能儀表具有的精度高、重復(fù)性好、可靠性高，并具備雙向通信和自診斷功能等特點(diǎn)，致使系統(tǒng)的安裝、使用和維護(hù)工作更為方便。(3)工控軟件正向先進(jìn)控制方向發(fā)展。廣泛應(yīng)用各種先進(jìn)控制與優(yōu)化技術(shù)是挖掘并提升DCS綜合性能最有效、最直接、也是最具價(jià)值的發(fā)展方向，主要包括先進(jìn)控制、過(guò)程優(yōu)化、信息集成、系統(tǒng)集成等軟件的開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。在未來(lái)，工業(yè)控制軟件也將繼續(xù)向標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和開(kāi)放性發(fā)展方向。(4)系統(tǒng)架構(gòu)向FCS方向發(fā)展。單純從技術(shù)而言，現(xiàn)階段現(xiàn)場(chǎng)總線集成于DCS可以有三種方式：① 現(xiàn)場(chǎng)總線于DCS系統(tǒng)I/O總線上的集成――通過(guò)一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線接口卡掛在DCS的I/O總線上，使得在DCS控制器所看到的現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)的信息就如同來(lái)自一個(gè)傳統(tǒng)的DCS設(shè)備卡一樣。例如Fisher-Rosemount公司推出的DeltaV系統(tǒng)采用的就是此種集成方案。② 現(xiàn)場(chǎng)總線于DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層的集成――就是在DCS更高一層網(wǎng)絡(luò)上集成現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，這種集成方式不需要對(duì)DCS控制站進(jìn)行改動(dòng)，對(duì)原有系統(tǒng)影響較小。如Smar公司的302系列現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)在DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層集成其現(xiàn)場(chǎng)總線功能。③ 現(xiàn)場(chǎng)總線通過(guò)網(wǎng)關(guān)與DCS系統(tǒng)并行集成――現(xiàn)場(chǎng)總線和DCS還可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)橋接實(shí)現(xiàn)并行集成。如SUPCON的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，利用HART協(xié)議網(wǎng)橋連接系統(tǒng)操作站和現(xiàn)場(chǎng)儀表，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備管理系統(tǒng)操作站與HART協(xié)議現(xiàn)場(chǎng)儀表之間的通信功能。一直以來(lái)DCS的重點(diǎn)在于控制，它以“分散”作為關(guān)鍵字。但現(xiàn)代發(fā)展更著重于全系統(tǒng)信息綜合管理，今后“綜合”又將成為其關(guān)鍵字，向?qū)崿F(xiàn)控制體系、運(yùn)行體系、計(jì)劃體系、管理體系的綜合自動(dòng)化方向發(fā)展，實(shí)施從最底層的實(shí)時(shí)控制、優(yōu)化控制上升到生產(chǎn)調(diào)度、經(jīng)營(yíng)管理，以至最高層的戰(zhàn)略決策，形成一個(gè)具有柔性、高度自動(dòng)化的管控一體化系統(tǒng)。

考察DCS的層次結(jié)構(gòu)，DCS級(jí)和控制管理級(jí)是組成DCS的兩個(gè)最基本的環(huán)節(jié)。過(guò)程控制級(jí)具體實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的輸入、變換、運(yùn)算和輸出等分散控制功能。在不同的DCS中，過(guò)程控制級(jí)的控制裝置各不相同，如過(guò)程控制單元、現(xiàn)場(chǎng)控制站、過(guò)程接口單元等等，但它們的結(jié)構(gòu)形式大致相同，可以統(tǒng)稱為現(xiàn)場(chǎng)控制單元FCU。過(guò)程管理級(jí)由工程師站、操作員站、管理計(jì)算機(jī)等組成，完成對(duì)過(guò)程控制級(jí)的集中監(jiān)視和管理，通常稱為操作站。DCS的硬件和軟件，都是按模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，所以DCS的開(kāi)發(fā)實(shí)際上就是將系統(tǒng)提供的各種基本模塊按實(shí)際的需要組合成為一個(gè)系統(tǒng)，這個(gè)過(guò)程稱為系統(tǒng)的組態(tài)。

(1)現(xiàn)場(chǎng)控制單元現(xiàn)場(chǎng)控制單元一般遠(yuǎn)離控制中心，安裝在靠近現(xiàn)場(chǎng)的地方，其高度模塊化結(jié)構(gòu)可以根據(jù)過(guò)程監(jiān)測(cè)和控制的需要配置成由幾個(gè)監(jiān)控點(diǎn)到數(shù)百個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的規(guī)模不等的過(guò)程控制單元?，F(xiàn)場(chǎng)控制單元的結(jié)構(gòu)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(xiàn)場(chǎng)控制單元及其與控制管理級(jí)之間采用總線連接，以實(shí)現(xiàn)信息交互?，F(xiàn)場(chǎng)控制單元的硬件配置需要完成以下內(nèi)容：插件的配置 根據(jù)系統(tǒng)的要求和控制規(guī)模配置主機(jī)插件(CPU插件)、電源插件、I/O插件、通信插件等硬件設(shè)備;硬件冗余配置 對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行冗余配置是提高DCS可靠性的一個(gè)重要手段，DCS通?？梢詫?duì)主機(jī)插件、電源插件、通信插件和網(wǎng)絡(luò)、關(guān)鍵I/O插件都可以實(shí)現(xiàn)冗余配置。硬件安裝 不同的DCS，對(duì)于各種插件在插件箱中的安裝，會(huì)在邏輯順序或物理順序上有相應(yīng)的規(guī)定。另外，現(xiàn)場(chǎng)控制單元通常分為基本型和擴(kuò)展型兩種，所謂基本型就是各種插件安裝在一個(gè)插件箱中，但更多的時(shí)候時(shí)需要可擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)形式，即一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制單元還包括若干數(shù)字輸入/輸出擴(kuò)展單元，相互間采用總線連成一體。就本質(zhì)而言，現(xiàn)場(chǎng)控制單元的結(jié)構(gòu)形式和配置要求與模塊化PLC的硬件配置是一致的。(2)操作站操作站用來(lái)顯示并記錄來(lái)自各控制單元的過(guò)程數(shù)據(jù)，是人與生產(chǎn)過(guò)程信息交互的操作接口。典型的操作站包括主機(jī)系統(tǒng)、顯示設(shè)備、鍵盤輸入設(shè)備、信息存儲(chǔ)設(shè)備和打印輸出設(shè)備等，主要實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的顯示功能(如模擬參數(shù)顯示、系統(tǒng)狀態(tài)顯示、多種畫面顯示等等)、報(bào)警功能、操作功能、報(bào)表打印功能、組態(tài)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(tǒng)功能上看，前者主要實(shí)現(xiàn)一般的生產(chǎn)操作和監(jiān)控任務(wù)，具有數(shù)據(jù)采集和處理、監(jiān)控畫面顯示、故障診斷和報(bào)警等功能。后者除了具有操作員站的一般功能以外，還應(yīng)具備系統(tǒng)的組態(tài)、控制目標(biāo)的修改等功能。從硬件設(shè)備上看，多數(shù)系統(tǒng)的工程師站和操作員站合在一起，僅用一個(gè)工程師鍵盤加以區(qū)分。