分散控制系統(tǒng)技術研究

【摘 要】本文通過概述DCS控制系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展趨勢以及其體系結構，讓讀者對DCS控制系統(tǒng)有初步的了解。

【關鍵詞】DCS控制系統(tǒng)；DDC數(shù)字控制；過程控制PCU

分散型計算機控制系統(tǒng)又名分布式計算機控制系統(tǒng)，簡稱分散型控制系統(tǒng)（Distributed Control System —DCS）。分散型控制系統(tǒng)綜合了計算機（Computer）技術、控制（Control）技術、通信（Communication）技術、CRT顯示技術即4C技術，集中了連續(xù)控制、批量控制、邏輯順序控制、數(shù)據(jù)采集等功能。

一、DCS控制系統(tǒng)結構

系統(tǒng)操作層是DCS的基礎，其主要設備是過程控制站（PCS），PCS主要由輸入輸出單元（IOU）和過程控制單元（PCU）兩部分組成。過程控制單元下與IOU連接，上與控制網(wǎng)絡（CNET）連接，其功能一是直接數(shù)字控制（DDC），即連續(xù)控制、邏輯控制、順序控制和批量控制等；二是與控制網(wǎng)絡通信，以便操作監(jiān)控層對生產(chǎn)過程進行監(jiān)控和操作；三是進行安全冗余處理，一旦發(fā)現(xiàn)PCS硬件或軟件故障，就立即切換到備用件，保證系統(tǒng)不間斷地安全運行操作監(jiān)控層是DCS的中心，其主要設備是操作員站、工程師站、監(jiān)控計算機站和計算機網(wǎng)關。

二、系統(tǒng)操作層分析

系統(tǒng)操作層又稱控制站（CS）或過程控制站（PCS）主要由輸入輸出單元（IOU）、過程控制單元（PCU）和電源三部分組成。 輸入輸出單元（IOU）是PCS的基礎，由各種類型的輸入輸出處理板（IOP）組成，如模擬量輸入板（4mA～20mA DC，0～5V DC）、熱電偶輸入板、熱電阻輸入板、脈沖量輸入板、數(shù)字量輸入板、模擬量輸出板（4mA～20mA DC）、數(shù)字量輸出板和串行通信接口板等。這些輸入輸出處理板的類型和數(shù)量可按生產(chǎn)過程信號類型和數(shù)量來配置；另外，與每塊輸入輸出處理板配套的還有信號調(diào)整板（signal conditioner card， SCC）和信號端子板（signal terminal card， STC），其中SCC用作信號隔離、放大或驅(qū)動，STC用作信號接線。上述IOP、SCC和STC的物理劃分因DCS而異，有的劃分為三塊板結構；有的劃分為兩塊板結構，即IOP和SCC合并，外加一塊STC；有的將IOP，SCC和STC三者合并一塊物理模板，并附有接線端子。控制處理器板功能是運算、控制和實時數(shù)據(jù)處理；輸入輸出接口處理器板是PCU和IOP之間的接口；通信處理器板是PCS與控制網(wǎng)絡（CNET）的通信網(wǎng)卡，實現(xiàn)PCS與CNET之間的信息交換；PCS采用冗余PCU和IOU，冗余處理器板承擔PCU和IOU的故障分析與切換功能。上述4塊板的物理劃分因DCS而異，可以分為4、3、2塊，甚至合并為1塊。一般來說，現(xiàn)場控制站由現(xiàn)場控制單元組成?，F(xiàn)場控制單元是DCS中直接與現(xiàn)場過程進行信息交互的I/O處理系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)不同的應用需求，選擇配置不同的現(xiàn)場控制單元構成現(xiàn)場控制站。

三、控制層分析

控制層又稱操作員站（OS）為32位（或64位）微處理機或小型機，主要由主機、彩色顯示器、操作員專用鍵盤和打印機等組成。其中主機的內(nèi)存容量、硬盤容量可由用戶選擇，彩色顯示器可選觸屏式或非觸屏式，分辨率也可選擇，一般用工業(yè)PC機（IPC）或工作站做OS主機，個別DCS制造廠配專用OS主機，前者是發(fā)展趨勢，這樣可增強操作員站的通用性及靈活性。一般DCS的直接控制層和操作監(jiān)控層的設備（如PCS，OS，ES，SCS）都有定型產(chǎn)品供用戶選擇，即DCS制造廠為這兩層提供了各種類型的配套設備。惟有生產(chǎn)管理層和決策層的設備無定型產(chǎn)品，一般由用戶自行配置，當然要由DCS制造廠提供控制網(wǎng)絡（CNET）與生產(chǎn)管理網(wǎng)絡（MNET）之間的硬、軟件接口，即計算機網(wǎng)關（CG1）。這是因為一般DCS的直接控制層和操作監(jiān)控層不直接對外開放，必須由DCS制造廠提供專用的接口才能與外界交換信息，所以說DCS的開放是有條件的開放。異步事件響應、任務切換能力、中斷響應能力、優(yōu)先級中斷和調(diào)度、同步能力實時數(shù)據(jù)是DCS最基本的資源，DCS的實時數(shù)據(jù)庫是全局數(shù)據(jù)庫，通常采用分布式數(shù)據(jù)庫結構，因此，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在不同層次上采用的結構不同。由前面分析知道，DCS實時數(shù)據(jù)庫是全局、分布式數(shù)據(jù)庫，操作員站對DCS集中管理和操作的基礎就是系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信，它是DCS的關鍵技術之一。

四、DCS系統(tǒng)的控制特點與發(fā)展趨勢

隨著計算機技術的發(fā)展及其在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應用，DCS表現(xiàn)出十分優(yōu)越的性能，將工業(yè)過程自動化提高到一個新的水平。這種方式在檢測環(huán)節(jié)方面存在的問題是精度低、動態(tài)補償能力差、無自診斷功能；同時由于各DCS開發(fā)商生產(chǎn)自己的專用平臺，使得不同廠商的DCS不兼容，互操作性差。近年來，隨著新技術、新器件、新方法、新應用的相互促進，在DCS關聯(lián)領域有許多新進展，主要表現(xiàn)在如下一些方面。傳統(tǒng)DCS的結構是封閉式的，使得不同制造商的DCS之間不兼容。這些智能現(xiàn)場儀表采用現(xiàn)場總線與DCS連接，目前大多沿用HART通信協(xié)議。在現(xiàn)階段使現(xiàn)場總線與傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)盡可能地協(xié)同工作，這種集成方案能夠靈活地系統(tǒng)組態(tài)，得到更廣泛的、富于實用價值的應用?，F(xiàn)場總線集成于DCS的方式可從兩個方面來考慮。：現(xiàn)場總線于DCS系統(tǒng)I/O總線上的集成；現(xiàn)場總線通過網(wǎng)關與DCS系統(tǒng)并行集成。