華電南自DCS系統(tǒng)
集散控制系統(tǒng)簡稱DCS，也可直譯為“分散控制系統(tǒng)”或“分布式計算機控制系統(tǒng)”。它采用控制分散、操作和管理集中的基本設計思想，采用多層分級、合作自治的結構形式。其主要特征是它的集中管理和分散控制。目前DCS在電力、冶金、石化等各行各業(yè)都獲得了極其廣泛的應用。 DCS通常采用分級遞階結構，每一級由若干子系統(tǒng)組成，每一個子系統(tǒng)實現(xiàn)若干特定的有限目標，形成金字塔結構。
可靠性是DCS發(fā)展的生命，要保證DCS的高可靠性主要有三種措施：一是廣泛應用高可靠性的硬件設備和生產(chǎn)工藝；二是廣泛采用冗余技術；三是在軟件設計上廣泛實現(xiàn)系統(tǒng)的容錯技術、故障自診斷和自動處理技術等。當今大多數(shù)集散控制系統(tǒng)的MTBF可達幾萬甚至幾十萬小時。
集散控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
(1)系統(tǒng)功能向開放式方向發(fā)展 傳統(tǒng)DCS的結構是封閉式的，不同制造商的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(tǒng)集成自主權，用戶可根據(jù)實際需要選擇不同廠商的設備連同軟件資源連入控制系統(tǒng)，達到*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及各種控制設備和軟件資源的廣義集成。
(2)儀表技術向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化方向發(fā)展 工業(yè)控制設備的智能化、網(wǎng)絡化發(fā)展，可以促使過程控制的功能進一步分散下移，實現(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、重復性好、可靠性高，并具備雙向通信和自診斷功能等特點，致使系統(tǒng)的安裝、使用和維護工作更為方便。
(3)工控軟件正向先進控制方向發(fā)展 廣泛應用各種先進控制與優(yōu)化技術是挖掘并提升DCS綜合性能*有效、*直接、也是*具價值的發(fā)展方向，主要包括先進控制、過程優(yōu)化、信息集成、系統(tǒng)集成等軟件的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應用。在未來，工業(yè)控制軟件也將繼續(xù)向標準化、網(wǎng)絡化、智能化和開放性發(fā)展方向。
(4)系統(tǒng)架構向FCS方向發(fā)展 單純從技術而言，現(xiàn)階段現(xiàn)場總線集成于DCS可以有三種方式：① 現(xiàn)場總線于DCS系統(tǒng)I/O總線上的集成――通過一個現(xiàn)場總線接口卡掛在DCS的I/O總線上，使得在DCS控制器所看到的現(xiàn)場總線來的信息就如同來自一個傳統(tǒng)的DCS設備卡一樣。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)場總線于DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡層的集成――就是在DCS更高一層網(wǎng)絡上集成現(xiàn)場總線系統(tǒng)，這種集成方式不需要對DCS控制站進行改動，對原有系統(tǒng)影響較小。如Smar公司的302系列現(xiàn)場總線產(chǎn)品可以實現(xiàn)在DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡層集成其現(xiàn)場總線功能。③ 現(xiàn)場總線通過網(wǎng)關與DCS系統(tǒng)并行集成――現(xiàn)場總線和DCS還可以通過網(wǎng)關橋接實現(xiàn)并行集成。如SUPCON的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，利用HART協(xié)議網(wǎng)橋連接系統(tǒng)操作站和現(xiàn)場儀表，從而實現(xiàn)現(xiàn)場總線設備管理系統(tǒng)操作站與HART協(xié)議現(xiàn)場儀表之間的通信功能。
一直以來DCS的重點在于控制，它以“分散”作為關鍵字。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”又將成為其關鍵字，向實現(xiàn)控制體系、運行體系、計劃體系、管理體系的綜合自動化方向發(fā)展，實施從*底層的實時控制、優(yōu)化控制上升到生產(chǎn)調(diào)度、經(jīng)營管理，以至*高層的戰(zhàn)略決策，形成一個具有柔性、高度自動化的管控一體化系統(tǒng)。
DCS的硬件體系結構
過程控制級具體實現(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)稱為現(xiàn)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(jiān)視和管理，通常稱為操作站。DCS的硬件和軟件，都是按模塊化結構設計的，所以DCS的開發(fā)實際上就是將系統(tǒng)提供的各種基本模塊按實際的需要組合成為一個系統(tǒng)，這個過程稱為系統(tǒng)的組態(tài)。
(1)現(xiàn)場控制單元
現(xiàn)場控制單元一般遠離控制中心，安裝在靠近現(xiàn)場的地方，其高度模塊化結構可以根據(jù)過程監(jiān)測和控制的需要配置成由幾個監(jiān)控點到數(shù)百個監(jiān)控點的規(guī)模不等的過程控制單元。
現(xiàn)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(xiàn)場控制單元及其與控制管理級之間采用總線連接，以實現(xiàn)信息交互。
現(xiàn)場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)模配置主機插件（CPU插件）、電源插件、I/O插件、通信插件等硬件設備；
硬件冗余配置 對關鍵設備進行冗余配置是提高DCS可靠性的一個重要手段，DCS通常可以對主機插件、電源插件、通信插件和網(wǎng)絡、關鍵I/O插件都可以實現(xiàn)冗余配置。
硬件安裝 不同的DCS，對于各種插件在插件箱中的安裝，會在邏輯順序或物理順序上有相應的規(guī)定。另外，現(xiàn)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插件安裝在一個插件箱中，但更多的時候時需要可擴展的結構形式，即一個現(xiàn)場控制單元還包括若干數(shù)字輸入/輸出擴展單元，相互間采用總線連成一體。
就本質(zhì)而言，現(xiàn)場控制單元的結構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
操作站以來顯示并記錄來自各控制單元的過程數(shù)據(jù)，是人與生產(chǎn)過程信息交互的操作接口。典型的操作站包括主機系統(tǒng)、顯示設備、鍵盤輸入設備、信息存儲設備和打印輸出設備等，主要實現(xiàn)強大的顯示功能（如模擬參數(shù)顯示、系統(tǒng)狀態(tài)顯示、多種畫面顯示等等）、報警功能、操作功能、報表打印功能、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，前者主要實現(xiàn)一般的生產(chǎn)操作和監(jiān)控任務，具有數(shù)據(jù)采集和處理、監(jiān)控畫面顯示、故障診斷和報警等功能。后者除了具有操作員站的一般功能以外，還應具備系統(tǒng)的組態(tài)、控制目標的修改等功能。從硬件設備上看，多數(shù)系統(tǒng)的工程師站和操作員站合在一起，僅用一個工程師鍵盤加以區(qū)分。
DCS的軟件系統(tǒng)
(1)現(xiàn)場控制單元的軟件系統(tǒng)
現(xiàn)場控制單元的軟件主要包括以實時數(shù)據(jù)庫為中心的數(shù)據(jù)巡檢、控制算法、控制輸出和網(wǎng)絡通信等軟件模塊組成。
實時數(shù)據(jù)庫起到了中心環(huán)節(jié)的作用，在這里進行數(shù)據(jù)共享，各執(zhí)行代碼都與它交換數(shù)據(jù)，用來存儲現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)、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(shù)據(jù)巡檢模塊用以實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)、故障信號的采集，并實現(xiàn)必要的數(shù)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(tài)生成，不同的系統(tǒng)，需要的控制算法模塊各不相同，通常會涉及以下一些模塊：算術運算模塊、邏輯運算模塊、PID控制模塊、變型PID模塊、手自動切換模塊、非線性處理模塊、執(zhí)行器控制模塊等等�？刂戚敵瞿K主要實現(xiàn)控制信號以故障處理的輸出。
(2)操作站的軟件系統(tǒng)
DCS中的操作站用以完成系統(tǒng)的開發(fā)、生成、測試和運行等任務，這就需要相應的系統(tǒng)軟件支持，這些軟件包括操作系統(tǒng)、編程語言及各種工具軟件等。一套完善的DCS，在操作站上運行的應用軟件應能實現(xiàn)如下功能：實時數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡管理、歷史數(shù)據(jù)庫管理、圖形管理、歷史數(shù)據(jù)趨勢管理、數(shù)據(jù)庫詳細顯示與修改、記錄報表生成與打印、人機接口控制、控制回路調(diào)節(jié)、參數(shù)列表、串行通信和各種組態(tài)等。
DCS的組態(tài)（開發(fā)與生成）
DCS的開發(fā)過程主要是采用系統(tǒng)組態(tài)軟件依據(jù)控制系統(tǒng)的實際需要生成各類應用軟件的過程。組態(tài)軟件功能包括基本配置組態(tài)和應用軟件組態(tài)�；九渲媒M態(tài)是給系統(tǒng)一個配置信息，如系統(tǒng)的各種站的個數(shù)、它們的索引標志、每個控制站的*大點數(shù)、*短執(zhí)行周期和內(nèi)存容量等。應用軟件的組態(tài)則包括比較豐富的內(nèi)容，主要包括以下幾個方面。
(1)控制回路的組態(tài)
控制回路的組態(tài)在本質(zhì)上就是利用系統(tǒng)提供的各種基本的功能模塊，來構成各種各樣的實際控制系統(tǒng)。目前各種不同的DCS提供的組態(tài)方法各不相同，歸納起來有指定運算模塊連接方式、判定表方式、步驟記錄方式等等。
指定運算模塊連接方式是通過調(diào)用各種獨立的標準運算模塊，用線條連接成多種多樣的控制回路，*終自動生成控制軟件，這是一種信息流和控制功能都很直觀的組態(tài)方法。判定表方式是一種純粹的填表形式，只要按照組態(tài)表格的要求，逐項填入內(nèi)容或回答問題即可，這種方式很利于用戶的組態(tài)操作。步驟記入方式是一種基于語言指令的編寫方式，編程自由度大，各種復雜功能都可通過一些技巧實現(xiàn)，但組態(tài)效率較低。另外，由于這種組態(tài)方法不夠直觀，往往對組態(tài)工程師在技術水平和組態(tài)經(jīng)驗有較高的要求。
(2)實時數(shù)據(jù)庫生成
實時數(shù)據(jù)庫是DCS*基本的信息資源，這些實時數(shù)據(jù)由實時數(shù)據(jù)庫存儲和管理。在DCS中，建立和修改實時數(shù)據(jù)庫記錄的方法有多種，常用的方法是用通用數(shù)據(jù)庫工具軟件生成數(shù)據(jù)庫文件，系統(tǒng)直接利用這種數(shù)據(jù)格式進行管理或采用某種方法將生成的數(shù)據(jù)文件轉換為DCS所要求的格式。
(3)工業(yè)流程畫面的生成
DCS是一種綜合控制系統(tǒng)，它必須具有豐富的控制系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)畫面顯示功能。顯然，不同的控制系統(tǒng)，需要顯示的畫面是不一樣的�？偟膩碚f，結合總貌、分組、控制回路、流程圖、報警等畫面，以字符、棒圖、曲線等適當?shù)男问奖硎境龈鞣N測控參數(shù)、系統(tǒng)狀態(tài)，是DCS組態(tài)的一項基本要求。此外，根據(jù)需要還可顯示各類變量目錄畫面、操作指導畫面、故障診斷畫面、工程師維護畫面和系統(tǒng)組態(tài)畫面。
(4)歷史數(shù)據(jù)庫的生成
所有DCS都支持歷史數(shù)據(jù)存儲和趨勢顯示功能，歷史數(shù)據(jù)庫通常由用戶在不需要編程的條件下，通過屏幕編輯編譯技術生成一個數(shù)據(jù)文件，該文件定義了各歷史數(shù)據(jù)記錄的結構和范圍。歷史數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)一般按組劃分，每組內(nèi)數(shù)據(jù)類型、采樣時間一樣。在生成時對各數(shù)據(jù)點的有關信息進行定義。
(5)報表生成
DCS的操作員站的報表打印功能也是通過組態(tài)軟件中的報表生成部分進行組態(tài)，不同的DCS在報表打印功能方面存在較大的差異。一般來說，DCS支持如下兩類報表打印功能：一是周期性報表打印，二是觸發(fā)性報表打印，用戶根據(jù)需要和喜好生成不同的報表形式。
DCS中的先進控制技術
DCS在控制上的*大特點是依靠各種控制、運算模塊的靈活組態(tài)，可實現(xiàn)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(xiàn)起來相當繁瑣與復雜的命題變得簡單。隨著企業(yè)提出的高柔性、高效益的要求，以經(jīng)典控制理論為基礎的控制方案已經(jīng)不能適應，以多變量預測控制為代表的先進控制策略的提出和成功應用之后，先進過程控制受到了過程工業(yè)界的普遍關注。需要強調(diào)的是，廣泛應用各種先進控制與優(yōu)化技術是挖掘并提升DCS綜合性能*有效、*直接、也是*具價值的發(fā)展方向。
在實際過程控制系統(tǒng)中，基于PID控制技術的系統(tǒng)占80%以上，PID回路運用優(yōu)劣在實現(xiàn)裝置平穩(wěn)、高效、優(yōu)質(zhì)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(fā)出各自的PID自整定軟件。另外，根據(jù)DCS的控制功能，在基本的PID算法基礎上，可以開發(fā)各種改進算法，以滿足實際工業(yè)控制現(xiàn)場的各種需要，諸如帶死區(qū)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(tǒng)的PID控制不同，基于非參數(shù)模型的預測控制算法是通過預測模型預估系統(tǒng)的未來輸出的狀態(tài)，采用滾動優(yōu)化策略計算當前控制器的輸出。根據(jù)實施方案的不同，有各種算法，例如，內(nèi)�？刂�、模型算法控制、動態(tài)矩陣控制等。目前，實用預測控制算法已引入DCS，例如IDCOM控制算法軟件包已廣泛應用于加氫裂化、催化裂化、常壓蒸餾、石腦油催化重整等實際工業(yè)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(tǒng)中開發(fā)的基于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于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*優(yōu)狀態(tài)推測器，同時進行*優(yōu)狀態(tài)推測和噪聲濾波。
先進控制算法還有很多。目前，國內(nèi)、外許多控制軟件公司和DCS廠商都在競相開發(fā)先進控制和優(yōu)化控制的工程軟件包，希望在組態(tài)軟件中嵌入先進控制和優(yōu)化控制策略。
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