分布式控制系統
昵稱:分布式控制系統
概述:DCS是分布式控制系統的簡稱，在國內自動控制行業也稱為分布式控制系統。與集控系統相比，它是壹種新型的計算機控制系統，是在集控系統的基礎上發展和演變而來的。
系統主要技術概述
系統主要由現場控制站(I/O站)、數據通信系統、人機接口單元(操作員站OPS、工程師站ENS)、機櫃、電源等組成。該系統具有開放的體系結構，可以提供多層開放的數據接口。該硬件系統可靠性高，維護方便，技術先進，適用於惡劣的工業現場。底層的中文軟件平臺具有強大的處理功能，提供了方便配置復雜控制系統的能力和支持用戶自主開發專用先進控制算法的能力。易於配置和使用。支持多種現場總線標準，滿足未來擴展的需求。系統設計采用適當的冗余配置和模塊級診斷的自診斷功能，具有較高的可靠性。
系統中任何部件的故障都不會影響整個系統的工作。系統的參數、報警、自診斷等管理功能高度集中在CRT顯示和打印機打印上，控制系統在功能和物理上真正去中心化，整個系統的可用率至少達到99.9%；系統平均無故障時間654.38+萬小時，實現了核電、火電、熱電、石化、化工、冶金、建材等多個領域的完整監控。“域”的概念。大型控制系統被高速實時冗余網絡分成若幹相對獨立的子系統，每個子系統構成壹個域，每個域享有管理和運行數據，每個域是壹個功能齊全的DCS系統，從而更好地滿足用戶的需求。
網絡結構的可靠性、開放性和先進性。在系統操作層，采用冗余的100Mbps以太網；在控制層，采用冗余的100Mbps工業以太網，保證系統的可靠性；在現場信號處理層，12Mbps的PROFIBUS總線連接中央控制單元和現場信號處理模塊。標準客戶機/服務器結構。壹些分布式控制系統采用開放、可靠的客戶/服務器結構的操作系統。系統的操作層采用WINDOWS NT操作系統；控制站采用成熟的嵌入式實時多任務操作系統QNS，保證控制系統的實時性、安全性和可靠性。標準控制組態軟件。該系統采用IEC61131-3標準的控制組態工具，可滿足任何監控要求。擴展性和可裁剪性保證了經濟性。
歷史前沿
DCS自1975問世以來，經歷了30多年的發展。在過去的30年中，雖然DCS的系統架構沒有發生明顯的變化，但通過不斷的發展和改進，其功能和性能都有了很大的提高。總的來說，DCS正朝著更加開放、標準化和產品化的方向發展。
作為生產過程自動化領域的計算機控制系統，傳統的DCS只是壹個狹義的概念。如果認為DCS只是生產過程的自動化系統，就會得出壹個錯誤的結論，因為計算機控制系統的含義已經大大擴展了，不僅包括了過去DCS所包含的各種內容，而且下到現場的每壹個測量設備和執行機構，上至生產管理和企業管理的各個方面。傳統意義上的DCS僅指生產過程控制的自動化，而工業自動化系統的概念應該定位在整體解決方案的層面。只有從這個角度提出和解決問題，計算機自動化才能真正發揮應有的作用。
20世紀90年代以來，計算機技術突飛猛進，更多的新技術被應用到DCS中。PLC是為時序邏輯控制而開發的電子設備，主要用於替代不靈活、笨重的繼電器邏輯。自20世紀90年代中期以來，現場總線技術發展迅速，有人預言基於現場總線的FCS將取代DCS成為控制系統的主角。
但是現場總線不能代替DCS。原因如下:
1.由於現場總線的低速網絡特性，每條總線的儀表數量沒有達到壹個有理數。在實際應用中，壹條H1總線上只能安裝8米左右。這樣，現場總線節省電纜的優勢就非常有限了。
2.現場總線標準不統壹，誰也沒有絕對優勢，用戶無從選擇。
3.現場總線始終無法解決危險區域的本質安全特性問題。
系統結構
從結構上看，DCS包括過程層、操作層和管理層。過程級主要由過程控制站、I/O單元和現場儀表組成，是系統控制功能的主要實現部分。操作層包括:操作員站和工程師站，完成系統的操作和組態。管理層主要指工廠管理信息系統(MIS)。作為DCS更高層次的應用，目前國內造紙行業應用到這壹層次的系統很少。
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行的(也有控制邏輯在IO模塊中執行的情況，比如順序控制邏輯可以在FOXBORO的DI/DO模塊中執行)。
過程控制站的組成:
DCS的過程控制站是壹個完整的計算機系統，主要由電源、CPU(中央處理器)、網絡接口和I/O組成。
I/O:控制系統需要建立信號的輸入輸出通道，即I/O..DCS中的I/O壹般是模塊化的，壹個I/O模塊有壹個或多個I/O通道連接傳感器和執行器(控制閥)。
I/O單元:通常，壹個過程控制站由幾個機架組成，每個機架可以容納壹定數量的模塊。CPU所在的機架稱為CPU單元，同壹工藝工位只能有壹個CPU單元。僅用於放置I/O模塊的其他機架是I/O單元。
系統特征
(1)高可靠性由於DCS將系統控制功能分散在每臺計算機上，系統結構采用容錯設計，壹臺計算機的故障不會導致系統其他功能的喪失。此外，由於系統中每臺計算機承擔的任務相對簡單，所以對於要實現的功能，可以使用具有特定結構和軟件的專用計算機，從而也提高了系統中每臺計算機的可靠性。
(2)開放式DCS采用開放、標準化、模塊化和串行的設計方式。系統中各計算機通過局域網進行通信，實現信息傳輸。當系統功能需要改變或擴展時，新增加的計算機可以很容易地連接到系統通信網絡或從系統通信網絡中移除，幾乎不影響系統中其他計算機的工作。
(3)靈活性:組態軟件可以根據不同的過程應用對象進行軟硬件配置，即確定測量和控制信號以及它們之間的連接關系，從控制算法庫中選擇適用的控制規律，從圖形庫中調用基本圖形組成所需的各種監視和報警畫面，從而方便地組成所需的控制系統。
(4)易於維護功能單壹的小型或微型專用計算機，具有維護簡單方便的特點。當壹個部件或壹臺計算機出現故障時，可以在線更換，不影響整個系統的運行，故障可以很快排除。
(5)協調:各種數據通過通信網絡在工作站之間傳輸，整個系統的信息共享和協調，完成控制系統的整體功能和優化。
(6)完整的控制功能和豐富的控制算法，集連續控制、順序控制和批量控制於壹體，可實現串級、前饋、解耦、自適應、預測控制等先進控制，並可方便地添加所需的特殊控制算法。DCS的組成非常靈活，可以由專用管理計算機站、操作員站、工程師站、記錄站、現場控制站和數據采集站組成，也可以由通用服務器、工業控制計算機和可編程控制器組成。在底層的過程控制層，數據采集和控制壹般由分散的現場控制站和數據采集站在本地實現，並通過數據通信網絡傳輸到生產監控計算機。生產監控層對來自過程控制層的數據進行集中操作和管理，如各種優化計算、統計報告、故障診斷、顯示和報警等。隨著計算機技術的發展，DCS可以根據需要通過網絡連接更高性能的計算機設備，實現更高級的集中管理功能，如計劃調度、倉儲管理、能源管理等。
相關介紹
隨著計算機和網絡技術的飛速發展，自動控制系統的結構也發生了變化。世界上最新的控制系統，即現場總線控制系統(FCS)，於20世紀90年代投入實際應用，並正在迅速發展。現場總線控制系統是當前自動化技術的壹個熱點，越來越受到國內外自動化設備制造商和用戶的重視。現場總線控制系統的出現將帶來自動化領域過程控制系統的又壹次革命，其深度和廣度將超過歷史上任何時期，從而開創自動化的新時代。
FCS可以說是第五代過程控制系統，由PLC(可編程控制器)或DCS(分布式控制系統)發展而來。FCS與PLC、DCS有著千絲萬縷的聯系，但又有著本質的區別。本文分析了PLC、DCS和FCS的特點、性能和區別。
1 PLC、DCS和FCS控制系統的基本特點
目前，在連續過程生產的工業過程控制中有三種控制系統，即PLC、DCS和FCS。它們的基本特征如下:
1.1 PLC
(1)開關控制到順序控制和算術處理的發展是自下而上的。
(2)邏輯控制、定時控制、計數控制、步進(順序)控制、連續PID控制、數據控制——PLC具有數據處理能力、通信、聯網等多功能。
(3)壹臺PC機可作為主站，多臺同類型PLC可作為從站。
(4)壹個PLC也可以作為主站，多個同類型的PLC可以作為從站，組成壹個PLC網絡。這比用PC做主站方便多了:有用戶編程的時候，不需要知道通信協議，按照指令格式寫就行了。
(5)PLC網絡既可以作為獨立的DCS/TDCS，也可以作為DCS/TDCS的子系統。
(6)主要用於工業過程中的順序控制，新型PLC還具有閉環控制功能。
1.2 DCS
(1)分布式控制系統(DCS)和分布式控制系統(TDCS)是集4C(通信、計算機、控制、CRT)技術於壹體的監控技術，是第四代過程控制系統。既有計算機控制系統控制公式先進、精度高、響應快等優點，又有儀表控制系統安全可靠、維護方便等要求。
(2)自上而下的樹狀拓撲大系統，其中通信是關鍵。
(3)是樹形拓撲，是平行連續的鏈路結構，從中繼站到現場儀表也有大量電纜並行運行。
(4)模擬信號，A/D-D/A，與微處理器混合。它由幾臺計算機和壹些智能儀器的智能元件組成，逐漸用數字信號代替模擬信號。
(5)儀器的壹對線連接到I/O，儀器由控制站掛到局域網LAN。
(6)DCS是控制(工程師站)、操作(操作員站)和現場儀表(現場測控站)三級結構。缺點是成本高，各公司產品不能互通互操作，大型DCS系統各公司不壹樣。
(7)用於大規模連續過程控制，如石化和大型電廠機組的集中控制。
1.3英尺/秒
(1)FCS是第五代過程控制系統，是20世紀自動化控制系統的發展方向。它是3C技術(通信、計算機、控制)的集成。基本任務是:本質(本質)安全、危險區域、可變過程、困難和異常環境。
(2)全數字化、智能化和多功能化，取代模擬單壹功能的儀器、儀表和控制裝置。
(3)使用兩根導線連接分散的現場儀表和控制裝置，而不是每臺儀表使用兩根導線。“現場控制”取代“分散控制”；數據傳輸采用“總線”方式。
(4)從控制室到現場設備的雙向數字通信總線是壹個互聯、雙向、串行多節點、開放的數字通信系統，而不是單向、單點、並行、封閉的模擬系統。
(5)用分散虛擬控制站代替集中控制站。
(6)將微機處理器轉移到現場自動控制設備上，使設備具有數字計算和數字通訊能力，信號傳輸精度高，傳輸距離遠。實現信號傳輸全數字化、控制功能分散化、標準統壹開放化。
(7)可以接入局域網，然後與互聯網通信。它既是通信網絡，又是控制網絡。
(8)3類FCS的典型應用:1)石油化工等連續過程自動控制，其中“本質安全防爆”技術絕對重要；2)離散過程動作的自動控制，如汽車制造機器人和汽車；3)樓宇自動化等多點控制。
這三種控制系統，尤其是DCS和PLC，已經在電站得到了廣泛的應用，效果也很好。
2三大控制系統的區別
2.1差額
2.1.1 DCS或PLC
PLC系統和DCS系統在結構上差別不大，只是功能的側重點不同。DCS側重於閉環控制和數據處理。PLC以邏輯控制和開關控制為主，也可以實現模擬控制。
DCS或PLC系統的關鍵是通信。也可以說，數據高速公路是集散控制系統DCS和PLC的主幹。因為它的任務是在系統的所有組件之間提供通信網絡，所以數據高速公路本身的設計決定了整體的靈活性和安全性。數據高速公路的介質可以是壹對雙絞線、同軸電纜或光纜。
DCS的特點是:(1)控制功能強。可以實現復雜的控制規律，如串級、前饋、解耦、自適應、最優和非線性控制。也可以實現順序控制。(2)系統具有高可靠性。(CRT操作站具有良好的人機界面。(4)軟硬件采用模塊化積木式結構。(5)系統易於開發。(6)采用組態軟件，編程簡單，操作方便。(7)性價比好。
通過數據高速公路的設計參數，我們可以基本了解壹個具體的DCS或PLC系統的相對優缺點。
(1)系統能處理多少I/O信息？
(2)系統能處理多少控制回路信息？
(3)有多少用戶和設備(CRT、控制站等。)它能適應嗎。
(4)如何徹底檢查傳輸數據的完整性。
(5)數據高速公路的最大允許長度是多少？
(6)數據高速公路能支持多少分支？
(7)數據高速公路能否支持硬件(可編程控制器、計算機、數據記錄設備等)。)其他廠家生產的。為了確保通信的完整性，大多數DCS或PLC制造商可以提供冗余的數據高速公路。
為了保證系統的安全性，使用了復雜的通信協議和錯誤檢測技術。所謂通信協議，就是保證傳輸數據接收和傳輸的壹套規則。
目前，DCS和PLC系統壹般采用兩種通信方式，即同步和異步。同步通信依靠時鐘信號來調整數據的發送和接收，而異步網絡采用無時鐘的報告系統。
2.1.2英尺/秒
FCS具有(1)良好的開放性、互操作性和互換性。(2)全數字通信。(3)智能化和功能自主化。(4)高度分散。(5)適用性強。
功能界別有三個要點:
(1)FCS系統的核心是總線協議，即總線標準。
利用雙絞線、光纜或無線電傳輸數字信號，減少了大量導線，提高了可靠性和抗幹擾能力。FCS從傳感器、變送器到調節器始終是壹個數字信號，這使得我們很容易處理更復雜、更精確的信號，數字通信的誤碼功能可以檢測傳輸中的誤碼。
FCS可以將PID控制完全分散到現場設備中。基於現場總線的FCS是全分布式、全數字化、全開放、可互操作的新壹代生產過程自動化系統，將取代現場壹對壹的4 ~ 20 mA模擬信號線，給傳統的工業自動化控制系統架構帶來革命性的變化。
根據IEC61158的定義，現場總線是安裝在制造或過程區域的現場設備與控制室的自動控制設備之間的數字化、雙向傳輸、多分支的通信網絡。現場總線使測控設備具有數字計算和數字通信能力，提高了信號測量、傳輸和控制的精度，改善了系統和設備的功能和性能。IEC/TC65的SC65C/WG6工作組從1984年開始致力於推出全球單壹現場總線標準，經歷了16年的艱難歷程，到1993年推出IEC61158-2，隨後標準制定壹片混亂。2000年初發布的IEC61158現場總線國際標準有八個子集，即:
①1型IEC技術報告(ffh 1)；②2型控制網(美國Rockwell公司支持)；③ Type 3 Profibus(德國西門子公司支持)；④4型P-NET(丹麥過程數據公司支持)；⑤5型FFHSE(原FFH2)高速以太網(美國Fisher Rosemount支持)；⑥6型Swift-Net(美國波音公司支持)；⑦7型WorldFIP(法國阿爾斯通支持)；⑧8型Interbus(美國鳳凰接觸公司支持)。
除了IEC61158的八種現場總線，IEC TC17B通過了三種總線標準:SDS(智能分布式系統)；ASI(執行器傳感器接口)；設備網絡.此外，ISO公布了ISO 11898 CAN標準。其中，Device NET於2002年10月8日被我國批準為國家標準，並於2003年4月6日開始實施。
因此，目前要實現這些總線類型的兼容和互操作幾乎是不可能的。開放現場總線控制系統的互操作性對於特定類型的現場總線，只要遵循同類型現場總線的總線協議，就是開放的、可互操作的。換句話說，無論什麽廠商的產品，都不是現場總線公司的產品。只要遵循同類型總線的總線協議，產品開放互操作，就可以形成總線網絡。
此外，FCS還可以通過網關與企業的上級管理網絡連接，使管理者掌握第壹手信息，為決策提供依據。因此，現場總線具有開放性、互操作性、高度分散的系統結構、靈活的網絡拓撲、高度智能化的現場設備、高度的環境適應性等突出特點。
(2)FCS系統基於數字化智能現場設備。
控制功能分散到現場儀表，控制室的儀表裝置主要完成數據處理、監視控制、優化控制、協調控制和管理自動化等功能。
數字化智能現場設備是FCS系統的硬件支持和基礎。原因很簡單。FCS系統實現自動控制設備和現場設備之間的雙向數字通信現場總線信號系統。現場設備必須遵循統壹的總線協議，即相關的通信協議，具有數字通信功能，並能實現雙向數字通信。此外，現場總線的壹大特點是增加了現場級控制功能。
(3)3)FCS系統的本質是現場信息處理。
對於壹個控制系統，無論是使用DCS還是現場總線，系統都需要處理至少相同數量的信息。事實上，采用現場總線後，可以從現場獲得更多的信息。現場總線系統的信息量沒有減少，甚至沒有增加，而傳輸信息的電纜卻大大減少了。這就要求壹方面要大大提高電纜傳輸信息的能力，另壹方面要在現場處理大量的信息，減少現場與控制室之間的信息往返。可以說現場總線的本質是信息處理的場景。
數據采集、數據處理、控制運算和數據輸出功能由現場智能儀表完成。現場儀表的數據(包括采集數據和診斷數據)通過現場總線傳輸到控制室的控制設備。控制室的控制設備用於監控各現場儀表的運行狀態，保存智能儀表上傳的數據，完成少數現場儀表無法完成的高級控制功能。
2.2典型系統的比較
通過使用現場總線，用戶可以大大減少現場布線，單個現場儀表可以實現多變量通信，不同廠家生產的設備可以完全互操作，現場級控制功能增加，系統集成大大簡化，維護非常簡單。
在傳統的過程控制儀表系統中，每個現場設備需要使用壹對專用電纜或雙絞線來傳輸4mA~20mA信號。在現場總線系統中，從每個現場設備到接線盒的雙絞線仍然可以使用，但只使用壹根雙絞線來完成從現場接線盒到中央控制室的數字通信。
采用現場總線控制系統可以節省多少電纜，編輯就不做詳細計算了。
2.3應用差異
以上比較側重於純技術比較。我們來比較壹下DCS和FCS系統在具體應用中的區別。前提是將DCS系統與典型的、理想的FCS系統進行比較。
具體對比:
(1)DCS系統是壹個大系統，其控制器功能強大，在系統中起著重要作用，而數據高速公路是系統的關鍵。所以整體投資必須壹步到位，之後很難再擴大。然而，FCS功能的徹底分散化、現場信息處理以及數字化智能現場設備的廣泛采用，使得控制器的功能和重要性相對弱化。因此，FCS系統投資起點低，可使用、可擴展、可投入運行。
(2)DCS系統是壹個封閉系統，各公司產品基本不兼容。FCS系統是壹個開放的系統，不同廠家、不同品牌的各種產品基本上可以同時接入同壹個現場總線，從而達到最佳的系統集成。
(3)3)DCS系統的信息都是由二進制或模擬信號形成的，必須由D/A轉換成A/D..而FCS系統在現場壹次完成D/A和A/D轉換，實現全數字通信，精度大大提高到0.65438±0%。而且FCS系統可以將PID閉環控制功能加載到現場設備中，縮短了控制周期，提高了運行速度，改善了調節性能。
(4)DCS能對整個過程進行控制和監視，並能進行自我診斷、維護和配置。但由於其自身的致命弱點，其I/O信號采用傳統的模擬信號，因此無法在DCS工程師站上對現場儀表(包括變送器和執行器)進行遠程診斷、維護和配置。FCS采用全數字化技術，數字化智能現場設備發送多元信息，不僅僅是單變量信息，還具有檢測信息錯誤的功能。FCS采用雙向數字通信現場總線信號系統。因此，它可以遠程診斷、維護和配置現場設備(包括變送器和執行器)。
(5)與DCS相比，FCS可以節省相當數量的隔離器、端子櫃、I/O端子、I/O卡、I/O文件和I/O櫃，還可以節省I/O設備和設備間的空間和占地面積。同時，FCS可以減少大量的電纜和鋪設電纜的橋梁，也可以節省設計、安裝和維護費用。
(6)與DCS相比，FCS由於其標準化的結構和性能，配置簡單，便於安裝、操作和維護。
3 PLC和DCS的前景
大家都知道FCS是從PLC或者DCS發展而來的，現在FCS系統應用廣泛。那麽，PLC和DCS的未來會怎樣？
PLC最早出現於20世紀60年代末的美國，目的是代替繼電器，執行邏輯、定時、計數等順序控制功能，建立靈活的程序控制系統。1976正式命名定義:PLC(可編程邏輯控制器)是壹種用於數字控制的專用電子計算機。它利用可編程存儲器存儲指令，執行邏輯、順序、定時、計數和演算等功能，並通過模擬和數字輸入輸出元件控制各種機器或工作程序。經過30多年的發展，PLC已經非常成熟和完善，具有強大的計算、處理和數據傳輸功能。並定義為可編程控制器PLC。PLC在FCS系統中的地位似乎已經確定，沒有太多爭論。作為壹個站，PLC掛在高速總線上。充分發揮PLC處理開關量的優勢。此外，電廠的輔助車間，如水處理車間、循環水車間、除灰除渣車間、輸煤車間等。大多數是基於順序控制的。PLC對於順序控制有其獨特的優勢。輔助車間的控制系統應基於遵循現場總線通信協議的PLC或可與FCS通信和交換信息的PLC。
現場總線的應用是工業過程控制發展的主流之壹。可以說，FCS的開發和應用是自動化領域的壹場革命。利用現場總線技術構建低成本的現場總線控制系統，促進了現場儀表的智能化、控制功能的分散化和控制系統的開放式，符合工業控制系統技術的發展趨勢。
總之，計算機控制系統的發展在經歷了基於基座的氣動儀表控制系統、電氣單元組合的模擬儀表控制系統、集中式數字控制系統和分布式控制系統(DCS)之後，將向現場總線控制系統(FCS)發展。雖然基於現場總線的FCS發展很快，但是在FCS的發展上還有很多工作要做，比如統壹標準、智能儀表等。另外，傳統控制系統的維護和改造仍然需要DCS，所以FCS完全取代傳統DCS需要壹個漫長的過程，DCS本身也在不斷發展和完善。可以肯定的是，與DCS、工業以太網、先進控制等新技術相結合的FCS將具有強大的生命力。工業以太網和現場總線技術作為壹種靈活、方便、可靠的數據傳輸方式，已經越來越多地應用於工業領域，並將在控制領域占據更加重要的地位。
4結論
未來在工業過程控制系統中，數字技術將向智能化、開放性、網絡化、信息化發展，同時工業控制軟件也將向標準化、網絡化、智能化、開放性發展。所以FCS、數字集散控制DCS、PLC的出現不會消亡，DCS、PLC系統會更加智能化、開放化、網絡化、信息化。或者只是將曾經作為控制系統中心的DCS移到現場總線上的某個位置。這樣，DCS或PLC處於控制系統中心的局面從此將被打破。未來的控制系統將是以FCS為控制系統的核心，以DCS和PLC為控制系統的新型標準化、智能化、開放式、網絡化和信息化的控制系統。