從硬件和軟件重新認識DCS

集散控制系統簡稱DCS，也可直譯為“分散控制系統”或“分布式計算機控制系統”。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、石化等各行各業都獲得了極其廣泛的應用。

DCS通常采用分級遞階結構，如圖1所示，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：一是廣泛應用高可靠性的硬件設備和生產工藝;二是廣泛采用冗余技術;三是在軟件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。

01

DCS的硬件體系結構

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的硬件和軟件，都是按模塊化結構設計的，所以DCS的開發實際上就是將系統提供的各種基本模塊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。

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，其高度模塊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采用總線連接，以實現信息交互。

現場控制單元的硬件配置需要完成以下內容：

插件的配置根據系統的要求和控制規模配置主機插件(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、通信插件和網絡、關鍵I/O插件都可以實現冗余配置。

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，即一個現場控制單元還包括若干數字輸入/輸出擴展單元，相互間采用總線連成一體。

就本質而言，現場控制單元的結構形式和配置要求與模塊化plc的硬件配置是一致的。

操作站

操作站以來顯示并記錄來自各控制單元的過程數據，是人與生產過程信息交互的操作接口。典型的操作站包括主機系統、顯示設備、鍵盤輸入設備、信息存儲設備和打印輸出設備等，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、報表打印功能、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，具有數據采集和處理、監控畫面顯示、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，還應具備系統的組態、控制目標的修改等功能。從硬件設備上看，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。

02

DCS的軟件系統

DCS的軟件體系如圖2所示，通常可以為用戶提供相當豐富的功能軟件模塊和功能軟件包，控制工程師利用DCS提供的組態軟件，將各種功能軟件進行適當的“組裝連接”(即組態)，生成滿足控制系統的要求各種應用軟件。

現場控制單元的軟件系統

如圖3，現場控制單元的軟件主要包括以實時數據庫為中心的數據巡檢、控制算法、控制輸出和網絡通信等軟件模塊組成。

實時數據庫

起到了中心環節的作用，在這里進行數據共享，各執行代碼都與它交換數據，用來存儲現場采集的數據、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。數據巡檢模塊用以實現現場數據、故障信號的采集，并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、執行器控制模塊等等。控制輸出模塊主要實現控制信號以故障處理的輸出。

操作站的軟件系統

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件支持，這些軟件包括操作系統、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如下功能：實時數據庫、網絡管理、歷史數據庫管理、圖形管理、歷史數據趨勢管理、數據庫詳細顯示與修改、記錄報表生成與打印、人機接口控制、控制回路調節、參數列表、串行通信和各種組態等。