集散控制系統DCS及其應用

1 引言
在工業生產中有各種各樣的控制問題，其解決程度直接關系到經濟效益和管理水平。在發達國家由于綜合自動化水平高，設備工藝先進，普遍采用了計算機控制與管理，生產與管理效益極高，產品質量好，成本低，可靠性高等，生產過程中人為影響因素幾乎沒有。在我國由于經濟發展水平及歷史的原因，盡管近來發展很快，但綜合自動化程度還是較低，普遍停留在單機自動化水平，操作者與管理層之間的通信甚至還停留在用電話聯系的水平，管理時效性差，管理層難于全面了解控制現場情況，因此大量的有用信息沉淀、流失，形成一個個“自動化孤島”或“信息孤島”，要發揮信息在工業自動化中的指導作用，其解決方案之一就是推廣集散控制系統的應用，本文就有關問題作些討論。
2 計算機控制系統
生產過程自動化控制主要有開關控制和調節控制，當前大多以計算機控制系統，也就是數字控制系統來實現，如圖1所示，系統中包含有時間上離散、幅度上量化的數字信號e(k)和u(k)。計算機控制系統的特點是被控對象大部分為模擬信號，而計算機只能處理數字信號，因此兩者之間必須執行A/D和D/A轉換，以實現這兩種信號之間的相互轉換。如果忽略幅值上的量化效應，數字信號即為離散信號，因此，計算機控制系統若不考慮量化問題即為采樣控制系統，如果將連續的控制對象連同保持器一起進行離散化，那么采樣控制系統即簡化為離散控制系統。

圖1 計算機控制系統

計算機控制系統又分為集中式監控系統與分布式控制系統。前者計算機可能并不直接參與控制，對被控對象不會產生直接的影響，主要任務是對大量被控參數和設備的狀態進行巡回采樣，數據記錄、數據統計和整理、數據越限報警以及對大量數據進行積累和分析，屬計算機監視系統，現場控制是通過人工來完成;如果計算機直接參與控制過程，稱為計算機直接數字控制系統(DDC, Direct Digital Control)，是計算機的過程輸入通過控制算法得到控制輸出后，以計算機取代模擬調節器，直接通過接口控制執行機構，從而實施對現場被控過程的控制，使被調量保持在給定值，主要用于較小的回路控制，DDC系統由被控對象(生產過程)、檢測儀表、執行裝置和數字控制調節器組成，優點是因為計算機運算能力強，很容易實現串級控制、前饋控制等比較復雜的控制規律，其框圖如圖2所示。

圖2 直接數字控制DDC

計算機集中監控系統由一臺中央計算機來承擔，使得系統配置、反應速度及系統可靠性等方面都受到很大限制，一般只適用于中小規模的自動化系統。如果設備量大，地域分布廣，需要進行監控的數量多，應根據每種設備的不同特點，分別采用不同規律相對獨立地控制，并且這種監視(管理)與控制之間應該保持密切的聯系，以達到最優的效果，問題的解決方案就是采用集散式計算機控制系統。
3 集散式控制系統DCS (Distributed Control
System)
集散式控制系統亦稱為分布式控制系統。前已述及，計算機控制系統按結構劃分，可以分為集中控制和分布式控制，集中控制指由單一的計算機完成控制系統的所有功能和對全部被控對象實施控制的一種系統結構，其優點是系統的整體性和協調性好，但對計算機的可靠性和安全性要求甚高;而分布式控制系統DCS則以多臺計算機分別承擔不同的控制功能和處理范圍，不僅其處理能力大大提高，而且將危及系統安全的因素降低。
傳統意義上的DCS系統的最基本構構圖式如圖3所示。
圖中:C1，C2，……，Cn為控制，f1，f2，……fn為反饋信息。對DCS系統而言，各控制單元之間沒有直接信息聯系，

圖3 DCS的基本構成構圖

各控制單元有自己的性能指標，控制策略和算法，且其性能指標和控制算法等由決策單元按一定優化準則調節給出。如果圖3中去掉決策單元，就成了分散控制系統(Decentralized Control System)，它并不具備DCS的上述特性。
在工程中，DCS系統除完成控制功能，還要實現監視、管理等其它功能，其系統組成框圖如圖4所示。

圖4 DCS系統組成框圖

由圖4可見，DCS系統實際上是一種分級遞階結構。各控制器完成過程現場的控制任務，根據控制對象特性，可以分別情況，采用順序控制，程序控制，模擬量控制等等，其控制策略與控制算法要隨被控對象與要求而定。數據采集器用于收集控制信息和被控過程的各種狀態信息，數據采集任務不但可由控制器完成，也可由一般儀表和邏輯箱完成。控制器和數據采集器在控制現場對信號進行預處理后經高速數據通道送到上級計算機和CRT操作站，CRT操作站是顯示操作裝置，監控級(計算機)通過協調各控制器的工作，實現控制過程的動態最優化。管理級(計算機)具有管理功能，又兼具對監控級實現監控功能，它具有豐富的信息資源，能夠對被控對象進行監控，制定計劃，進行成本核算，對設備和人員進行管理等，以實現被控過程的靜態最優化和綜合自動化。
分布式控制系統有以下主要特點:
(1) 采用分級遞階式控制
以微處理器為核心的基本控制器，不但能代替模擬儀表完成常規的模擬控制，并且能實現復雜算法控制和程序控制。在基本控制器內可采用固化的應用軟件，在控制現場對輸入輸出數據進行數據處理，減少了信息的傳輸，大大減少了上級計算機的數據處理量，降低了對上級計算機的要求，使系統程序應用較為簡單。
(2) 采用物理上的分散結構，實現了分散控制
在現場就地安裝控制器，不僅節省了輸入輸出電纜的長度，同時減少了傳輸信號的干擾。在功能上各控制器各自為政，各自獨立完成各自的功能，使系統故障分散，從而使系統可靠性大為提高。
(3) 具有計算機的通訊系統，可實現綜合控制
高速數據通道的通信系統，實現了各控制器、監控計算機和管理計算機的綜合控制，通過高速數據通道，能把各自為政的控制器與監控計算機聯系起來，進行協調控制。利用監控計算機的運算能力，能完成高級復雜的控制算法，以實現整體的最優化。利用管理計算機豐富的軟硬件資源和信息資源，實現計劃、管理、決策的最優化，從而實現整個系統控制的最優化。
(4) 可設置多功能的CRT操作站以實現集中監控與操作
CRT是人-機接口，要CRT操作站可以存取和顯示多種畫面，用以全面監控全部控制過程變量以及其它參數，并可直接遠程操作各控制器，從而實現了集中監視和集中操作。
DCS的基本骨架是計算機網絡，然后是連接在網絡上的三類節點—面向被控過程現場的現場I/O控制站、面向操作人員的操作站和面向DCS監督管理人員的工程師站，見圖5所示。

圖5 DCS結構

由于DCS的網絡需要滿足被控過程的實時性要求和分散性原則，因此DCS的網絡結構是環形和總線型，在這兩種結構的網絡中，各個節點是平等的，任意二個節點之間的通信可以直接通過網絡進行，而不需要其他節點的介入，但另一方面，它需要共用傳輸介質，實現傳輸介質共享，一種主要解決方法是以令牌來限定每個節點用網絡的時間，另一種方法則是CSMA/CD方式，即載波偵聽與碰撞檢測技術，但它主要用于更高層的管理。
現場控制站是完成對過程現場I/O處理的直接數字控制器(DDC)，它對現場發生的過程量作數字采集和存貯，并通過網絡向上傳送，同時本身也完成局部的閉環控制與順序控制。操作員站主要功能是為系統的運行操作人員提供人機界面，使操作員了解現場運行狀態、各種運行參數的當前值、是否出現有異常情況等的報警顯示，并可作歷史趨勢、系統狀態等多種顯示，通過操作員鍵盤執行，同時操作員也可對過程進行調節和控制，操作員站的主要設備是彩色CRT顯示器、鍵盤、鼠標器或軌跡球。工程師站用于對DCS進行離線的配置、組態工作和在線的系統監督、控制、維護。
DCS系統采用大系統分級遞階控制的思想，將產生過程作水平分解而將功能作垂直分解，生產過程的控制采用全分散的結構，而生產過程的信息則全部集中并存儲于數據庫中，利用通信網絡向上傳遞，這種控制分散、信息集中的結構使系統的危險分散，提高了可靠性，因此被稱之為集散控制系統。
技術的發展促使DCS系統向集成化、開放化、智能化方向發展。實現開放式的通信系統，與管理信息緊密結合，向上能與MAP/TOP或Ethernet接口，向下支持現場總線，使得過程控制中的智能設備和儀表能夠實現高可靠的實時全數字通信，將成為新一代的DCS。
4 DCS的工程實現
由DCS的結構可知其工程實現是不困難的，國外早有現成產品，國內一些大型企業如電廠等幾乎都是進口的成套系統，可靠性高，但投資大。一般可以自己設計，現場控制級可以采用工控機保證高可靠性，管理決策級采用高檔PC機，應用軟件可根據工程需要自己編程。特別是一些復雜控制對象，其控制算法是沒有現成控制模塊可以調用的，應在正確策略選取的基礎上，自己設計控制算法。從作者已完成的多個工程項目看，采用DCS系統克服“孤島”現象后，每個“自動化孤島”在決策級統一指揮下協調地工作，系統的管理(監視)功能大大增強，現場控制級處于優化狀態，生產效率高，故障少，產品質量穩定，操作管理人員也相應減少了，經濟效益顯著提高。如某鋼鐵企業有12個自動化水泵站，由于地域分散，泵站間距離有的相距1km以上，各泵站各自為政，形如“孤島”，計劃調度十分不便，本來水資源供應十分充足，但由于是分散控制，造成有的現場嚴重缺水。經改造后采用DCS控制方案，很好地解決了水資源的集中調度與管理問題，不僅充分滿足了該企業的工作及生活用水，而且還解決了周邊地區居民用水問題，經濟效益和社會效益大大提高，管理水平也上了一個新臺階，受到用戶歡迎。
5 結束語
從圖3可見，各控制單元之間沒有直接通信聯系，它們之間是通過決策單元交換信息取得聯系的，事實上DCS 只是做到了半分布，測控層并沒有實現徹底分布，控制依賴于控制站，DCS是半數字化系統。如采用現場總線，則可構成現場總線控制系統(FCS)，它是一種全數字、半雙工串行雙向通訊系統，作為一種局域網，用于連接現場智能儀表，其信號傳輸采用全數字化，即智能式分布控制系統。智能式分布控制系統在國外已有現成產品，如Lonworks等，但因價格太貴，要普遍大規模推廣應用還有不少困難。因此，推廣應用DCS系統，克服“孤島”現象，是有現實工程價值和經濟意義的。