分散控制系统技术

【摘 要】本文通过概述DCS控制系统的产生、发展趋势以及其体系结构,让读者对DCS控制系统有初步的了解.

【关 键 词】DCS控制系统；DDC数字控制；过程控制PCU

分散型计算机控制系统又名分布式计算机控制系统,简称分散型控制系统（DistributedControlSystem—DCS）.分散型控制系统综合了计算机（Computer）技术、控制（Control）技术、通信（Communication）技术、CRT显示技术即4C技术,集中了连续控制、批量控制、逻辑顺序控制、数据采集等功能.

一、DCS控制系统结构

系统操作层是DCS的基础,其主要设备是过程控制站（PCS）,PCS主要由输入输出单元（IOU）和过程控制单元（PCU）两部分组成.过程控制单元下与IOU连接,上与控制网络（CNET）连接,其功能一是直接数字控制（DDC）,即连续控制、逻辑控制、顺序控制和批量控制等；二是与控制网络通信,以便操作监控层对生产过程进行监控和操作；三是进行安全冗余处理,一旦发现PCS硬件或软件故障,就立即切换到备用件,保证系统不间断地安全运行操作监控层是DCS的中心,其主要设备是操作员站、工程师站、监控计算机站和计算机网关.

二、系统操作层分析

系统操作层又称控制站（CS）或过程控制站（PCS）主要由输入输出单元（IOU）、过程控制单元（PCU）和电源三部分组成.输入输出单元（IOU）是PCS的基础,由各种类型的输入输出处理板（IOP）组成,如模拟量输入板（4mA～20mADC,0～5VDC）、热电偶输入板、热电阻输入板、脉冲量输入板、数字量输入板、模拟量输出板（4mA～20mADC）、数字量输出板和串行通信接口板等.这些输入输出处理板的类型和数量可按生产过程信号类型和数量来配置；另外,与每块输入输出处理板配套的还有信号调整板（signalconditionercard,SCC）和信号端子板（signalterminalcard,STC）,其中SCC用作信号隔离、放大或驱动,STC用作信号接线.上述IOP、SCC和STC的物理划分因DCS而异,有的划分为三块板结构；有的划分为两块板结构,即IOP和SCC合并,外加一块STC；有的将IOP,SCC和STC三者合并一块物理模板,并附有接线端子.控制处理器板功能是运算、控制和实时数据处理；输入输出接口处理器板是PCU和IOP之间的接口；通信处理器板是PCS与控制网络（CNET）的通信网卡,实现PCS与CNET之间的信息交换；PCS采用冗余PCU和IOU,冗余处理器板承担PCU和IOU的故障分析与切换功能.上述4块板的物理划分因DCS而异,可以分为4、3、2块,甚至合并为1块.一般来说,现场控制站由现场控制单元组成.现场控制单元是DCS中直接与现场过程进行信息交互的I/O处理系统,用户可以根据不同的应用需求,选择配置不同的现场控制单元构成现场控制站.

三、控制层分析

控制层又称操作员站（OS）为32位（或64位）微处理机或小型机,主要由主机、彩色显示器、操作员专用键盘和打印机等组成.其中主机的内存容量、硬盘容量可由用户选择,彩色显示器可选触屏式或非触屏式,分辨率也可选择,一般用工业PC机（IPC）或工作站做OS主机,个别DCS制造厂配专用OS主机,前者是发展趋势,这样可增强操作员站的通用性及灵活性.一般DCS的直接控制层和操作监控层的设备（如PCS,OS,ES,SCS）都有定型产品供用户选择,即DCS制造厂为这两层提供了各种类型的配套设备.惟有生产管理层和决策层的设备无定型产品,一般由用户自行配置,当然要由DCS制造厂提供控制网络（CNET）与生产管理网络（MNET）之间的硬、软件接口,即计算机网关（CG1）.这是因为一般DCS的直接控制层和操作监控层不直接对外开放,必须由DCS制造厂提供专用的接口才能与外界交换信息,所以说DCS的开放是有条件的开放.异步事件响应、任务切换能力、中断响应能力、优先级中断和调度、同步能力实时数据是DCS最基本的资源,DCS的实时数据库是全局数据库,通常采用分布式数据库结构,因此,数据库系统在不同层次上采用的结构不同.由前面分析知道,DCS实时数据库是全局、分布式数据库,操作员站对DCS集中管理和操作的基础就是系统的网络通信,它是DCS的关键技术之一.

四、DCS系统的控制特点与发展趋势

随着计算机技术的发展及其在工业控制系统中的应用,DCS表现出十分优越的性能,将工业过程自动化提高到一个新的水平.这种方式在检测环节方面存在的问题是精度低、动态补偿能力差、无自诊断功能；同时由于各DCS开发商生产自己的专用平台,使得不同厂商的DCS不兼容,互操作性差.近年来,随着新技术、新器件、新方法、新应用的相互促进,在DCS关联领域有许多新进展,主要表现在如下一些方面.传统DCS的结构是封闭式的,使得不同制造商的DCS之间不兼容.这些智能现场仪表采用现场总线与DCS连接,目前大多沿用HART通信协议.在现阶段使现场总线与传统的DCS系统尽可能地协同工作,这种集成方案能够灵活地系统组态,得到更广泛的、富于实用价值的应用.现场总线集成于DCS的方式可从两个方面来考虑.：现场总线于DCS系统I/O总线上的集成；现场总线通过网关与DCS系统并行集成.