今日頭條
官方微信
官方抖音
資訊頻道目前，在連續型流程生產(chǎn)自動(dòng)控制（PA）或習慣稱(chēng)之為工業(yè)過(guò)程控制中，有三大控制系統，即DCS（分散控制系統）、PLC（可編程邏輯控制器）和FCS（現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統）。
什么是DCS
DCS集散控制系統(Distributed Control System)是20世紀70年代中期發(fā)展起來(lái)的以微處理器為基礎的分散型計算機制系統。它是控制技術(shù)（Control）、計算機技術(shù)（Computer）、通信技術(shù)（Communication）、圖形顯示(Display)相結合的產(chǎn)物．該裝置是利用計算機技術(shù)對生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行集中監視、操作、管理和分散制的一種全新的分布式計算機控制系統。
DCS的特點(diǎn)
DCS是計算機技術(shù)、控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)高度結合的產(chǎn)物。DCS通常采用若干個(gè)控制器（過(guò)程站）對一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的眾多控制點(diǎn)進(jìn)行控制，各控制器間通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接并可進(jìn)行數據交換。操作采用計算機操作站，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )與控制器連接，收集生產(chǎn)數據，傳達操作指令。因此，DCS的主要特點(diǎn)歸結為一句話(huà)就是：分散控制集中管理。
分級遞階控制系統
在垂直和水平方向都是分級的。
最簡(jiǎn)單的DCS系統至少在垂直方向分兩級，即：操作管理級和過(guò)程控制級。在水平方向上各個(gè)過(guò)程控制級之間是相互協(xié)調的分級，它們把數據向上送達操作管理級，同時(shí)接收操作管理級的指令，各個(gè)水平分級間相互也進(jìn)行數據交換。DCS系統越大，其垂直方向和水平方向分級的范圍也越廣。
分級遞階控制系統的優(yōu)點(diǎn)是各個(gè)分級有各自的分工范圍，相互之間有協(xié)調，通常，這種協(xié)調由上一級來(lái)完成。
分散控制
分散是DCS的一個(gè)重要特點(diǎn)。
分散的含義不單是分散控制，還包含了其他意義。如：地域分散，功能分散，設備分散，危險分散等。分散的目的是為了使危險分散，提高設備的可利用率。
自治與協(xié)調性
DCS的各個(gè)組成部分是各自為政的自治系統，各自完成各自的功能，相互之間又有聯(lián)系，數據信息相互交換，各種條件相互制約，在系統的協(xié)調下工作。
分散過(guò)程控制裝置完成數據的采集、信號的處理、計算以及數據輸出等功能。操作管理裝置完成數據的顯示、操作監視和操縱信號的發(fā)送等功能。通信系統則完成操作管理裝置與分散過(guò)程控制裝置間的通信。
分散的基礎是被分散的系統是自治的系統；遞階分級的基礎是被分級的系統是協(xié)調的。
DCS的基本結構
DCS控制系統包括分散過(guò)程控制裝置、操作管理裝裝置、數據通信系統。
分散過(guò)程控制裝置
是集散控制系統與生產(chǎn)過(guò)程間的界面，生產(chǎn)過(guò)程的各種變量通過(guò)分散控制裝置轉化為操作監視的數據，而操作的各種信息也通過(guò)分散控制裝置送到執行機構。在分散控制站裝置內，進(jìn)行模擬量與數字量的相互轉換，完成控制算法的各種運算，對輸入量與輸出量進(jìn)行有關(guān)的軟件濾波及其他的一些運算。
操作管理裝置
是操作人員與集散控制系統間的界面，操作人員通過(guò)操作管理裝置了解生產(chǎn)過(guò)程的運行狀況，并通過(guò)它發(fā)出操作指令給生產(chǎn)系統。生產(chǎn)過(guò)程的各種參數在操作管理裝置上顯示，以便于操作人員監視和操作。
包括操作員站和工程師站，完成系統的操作和組態(tài)。以及工廠(chǎng)管理信息系統（MIS系統），這是DCS更高層次的應用。
數據通信系統
完成分散控制裝置與操作管理裝置之間的數據傳遞與交換，使之連成一個(gè)整體。通訊網(wǎng)絡(luò )有幾種不同的結構行式。如總線(xiàn)式、環(huán)形和星形?？偩€(xiàn)形在邏輯上也是環(huán)形的。星形的只適用于小系統。不論是環(huán)形還是總線(xiàn)形，一般都采用廣播式。其它一些協(xié)議方式已用的較少。通訊網(wǎng)絡(luò )的速率在10M和100M左右。
有的集散控制系統在分散控制裝置內又增加了現場(chǎng)級的控制裝置和現場(chǎng)總線(xiàn)的通信系統；有的集散控制系統在操作管理裝置內增加了綜合級的控制裝置和相應的通信系統。但從總的結構來(lái)看，都是由這三部分組成的。
DCS集散控制系統的硬件構成
1、控制站
控制站包括現場(chǎng)控制站和數據采集站等。有機柜、電源、控制計算機、其他部件。
現場(chǎng)控制單元的主要任務(wù)是進(jìn)行數據采集及處理，對被控對象實(shí)施閉環(huán)反饋控制、順序控制和批量控制。
用戶(hù)可以根據不同的應用需求，選擇配置不同的現場(chǎng)控制單元以構成現場(chǎng)控制站。以面向連續生產(chǎn)的過(guò)程控制為主，順序邏輯控制為輔，構成一個(gè)可以實(shí)現多種復雜控制方案的現場(chǎng)控制站；以順序控制、聯(lián)鎖控制功能為主的現場(chǎng)控制站；構成對大批量過(guò)程信號進(jìn)行總體信息采集的現場(chǎng)控制站。
2、操作站
DCS 操作站一般分為操作員站和工程師站兩種。
工程師站主要是技術(shù)人員與控制系統的人機接口，可以對應用系統進(jìn)行監視。工程師站為用戶(hù)提供了一個(gè)靈活的、功能齊全的工作平臺，通過(guò)組態(tài)軟件來(lái)實(shí)現用戶(hù)所要求的各種控制策略。有些小型DCS的工程師站可以用一個(gè)操作員站代替。
操作站的主要設備有操作臺、微處理機系統、外部存儲設備、圖形顯示設備、操作鍵盤(pán)和鼠標、打印輸出設備。
DCS的軟件系統
包括組態(tài)軟件、控制層軟件和監控軟件
（1）組態(tài)軟件：
安裝于工程師站。完成系統控制層軟件和監控軟件的組態(tài)功能。
根據實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程控制的需要，預先將DCS所提供的硬件設備和軟件功能模塊組織起來(lái)，以完成特定的任務(wù)。要做的組態(tài)主要包括：硬件配置、數據庫組態(tài)、控制算法組態(tài)、流程顯示及操作畫(huà)面組態(tài)、報表組態(tài)、編譯和下裝
（2）控制層軟件：
特指運行于現場(chǎng)控制站的控制器中的軟件，針對控制對象，完成控制功能。
其基本功能：I/O數據的采集、數據預處理、數據組織管理、控制運算及I/O數據的輸出。
（3）監控軟件
指操作員站或工程師站上的軟件，主要完成操作人員所發(fā)出的各個(gè)命令的執行、圖形與畫(huà)面的顯示、報警信息的顯示處理、對現場(chǎng)各類(lèi)檢測數據的集中處理。
DCS和PLC之間有什么不同
先進(jìn)的大中型過(guò)程控制基本上以采用PLC和DCS為主，包括將DCS概念拓展的FCS。而目前，新型的DCS與新型的PLC，都有向對方靠攏的趨勢。新型的DCS已有很強的順序控制功能；而新型的PLC，在處理閉環(huán)控制方面也不差，并且兩者都能組成大型網(wǎng)絡(luò )，DCS與PLC的適用范圍，已有很大的交叉。
之前我們介紹過(guò)PLC，自控系統發(fā)展到現在，DCS和PLC之間沒(méi)有一個(gè)嚴格的界線(xiàn)，在大多數人看來(lái)，大的系統就是DCS，小的系統就叫PLC?，F在我們就這兩個(gè)來(lái)找不同：
1、發(fā)展的來(lái)由
DCS從傳統的儀表盤(pán)監控系統發(fā)展而來(lái)。因此，DCS從先天性來(lái)說(shuō)較為側重儀表的控制，比如我們使用的YOKOGAWA CS3000 DCS系統甚至沒(méi)有PID數量的限制（PID,比例微分積分算法，是調節閥、變頻器閉環(huán)控制的標準算法，通常PID的數量決定了可以使用的調節閥數量）。
PLC從傳統的繼電器回路發(fā)展而來(lái)，最初的PLC甚至沒(méi)有模擬量的處理能力，因此，PLC從開(kāi)始就強調的是邏輯運算能力。
2、系統的可擴展性和兼容性
市場(chǎng)上控制類(lèi)產(chǎn)品繁多，無(wú)論DCS還是PLC，均有很多廠(chǎng)商在生產(chǎn)和銷(xiāo)售。對于PLC系統來(lái)說(shuō)，一般沒(méi)有或很少有擴展的需求，因為PLC系統一般針對于設備來(lái)使用。一般來(lái)講，PLC也很少有兼容性的要求，比如兩個(gè)或以上的系統要求資源共享，對PLC來(lái)講也是很困難的事。而且PLC一般都采用專(zhuān)用的網(wǎng)絡(luò )結構，比如西門(mén)子的MPI總線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò )，甚至增加一臺操作員站都不容易或成本很高。
DCS在發(fā)展的過(guò)程中也是各廠(chǎng)家自成體系，但大部分的DCS系統，比如橫河、YOKOGAWA、霍尼維爾、ABB等等，雖說(shuō)系統內部（過(guò)程級）的通訊協(xié)議不盡相同，但操作級的網(wǎng)絡(luò )平臺不約而同的選擇了以太網(wǎng)絡(luò )，采用標準或變形的TCP/IP協(xié)議。這樣就提供了很方便的可擴展能力。在這種網(wǎng)絡(luò )中，控制器、計算機均作為一個(gè)節點(diǎn)存在，只要網(wǎng)絡(luò )到達的地方，就可以隨意增減節點(diǎn)數量和布置節點(diǎn)位置。另外，基于windows系統的OPC、DDE等開(kāi)放協(xié)議，各系統也可很方便的通訊，以實(shí)現資源共享。
3、數據庫
DCS一般都提供統一的數據庫。換句話(huà)說(shuō)，在DCS系統中一旦一個(gè)數據存在于數據庫中，就可在任何情況下引用，比如在組態(tài)軟件中，在監控軟件中，在趨勢圖中，在報表中……而PLC系統的數據庫通常都不是統一的，組態(tài)軟件和監控軟件甚至歸檔軟件都有自己的數據庫。為什么常說(shuō)西門(mén)子的S7400要到了414以上才稱(chēng)為DCS？因為西門(mén)子的PCS7系統才使用統一的數據庫，而PCS7要求控制器起碼到S7 414-3以上的型號。
4、時(shí)間調度
PLC的程序一般不能按事先設定的循環(huán)周期運行。PLC程序是從頭到尾執行一次后又從頭開(kāi)始執行。（現在一些新型PLC有所改進(jìn)，不過(guò)對任務(wù)周期的數量還是有限制。）而DCS可以設定任務(wù)周期。比如，快速任務(wù)等。同樣是傳感器的采樣，壓力傳感器的變化時(shí)間很短，我們可以用200ms的任務(wù)周期采樣，而溫度傳感器的滯后時(shí)間很大，我們可以用2s的任務(wù)周期采樣。這樣，DCS可以合理的調度控制器的資源。
5、網(wǎng)絡(luò )結構
一般來(lái)講，DCS慣常使用兩層網(wǎng)絡(luò )結構，一層為過(guò)程級網(wǎng)絡(luò )，大部分DCS使用自己的總線(xiàn)協(xié)議，比如橫河的Modbus、西門(mén)子和ABB的Profibus、ABB的 CAN bus等，這些協(xié)議均建立在標準串口傳輸協(xié)議RS232或RS485協(xié)議的基礎上?，F場(chǎng)IO模塊，特別是模擬量的采樣數據（機器代碼，213/掃描周期）十分龐大，同時(shí)現場(chǎng)干擾因素較多，因此應該采用數據吞吐量大、抗干擾能力強的網(wǎng)絡(luò )標準?；赗S485串口異步通訊方式的總線(xiàn)結構，符合現場(chǎng)通訊的要求。 IO的采樣數據經(jīng)CPU轉換后變?yōu)檎螖祿驅?shí)形數據，在操作級網(wǎng)絡(luò )（第二層網(wǎng)絡(luò )）上傳輸。因此操作級網(wǎng)絡(luò )可以采用數據吞吐量適中、傳輸速度快、連接方便的網(wǎng)絡(luò )標準，同時(shí)因操作級網(wǎng)絡(luò )一般布置在控制室內，對抗干擾的要求相對較低。因此采用標準以太網(wǎng)是最佳選擇。TCP/IP協(xié)議是一種標準以太網(wǎng)協(xié)議，一般我們采用100Mbit/s的通訊速度。
PLC系統的工作任務(wù)相對簡(jiǎn)單，因此需要傳輸的數據量一般不會(huì )太大，所以常見(jiàn)的PLC系統為一層網(wǎng)絡(luò )結構。過(guò)程級網(wǎng)絡(luò )和操作級網(wǎng)絡(luò )要么合并在一起，要不過(guò)程級網(wǎng)絡(luò )簡(jiǎn)化成模件之間的內部連接。PLC很少使用以太網(wǎng)。
6、應用對象的規模
PLC一般應用在小型自控場(chǎng)所，比如設備的控制或少量的模擬量的控制及聯(lián)鎖，而大型的應用一般都是DCS。當然，這個(gè)概念不太準確，但很直觀(guān)，習慣上我們把大于600點(diǎn)的系統稱(chēng)為DCS，小于這個(gè)規模叫做PLC。我們的熱泵及QCS、橫向產(chǎn)品配套的控制系統一般就是稱(chēng)為PLC。
PLC與DCS發(fā)展到今天，事實(shí)上都在向彼此靠攏，嚴格的說(shuō)，現在的PLC與DCS已經(jīng)不能一刀切開(kāi)，很多時(shí)候之間的概念已經(jīng)模糊了。
第四代DCS系統
受信息技術(shù)（網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)、計算機硬件技術(shù)、嵌入式系統技術(shù)、現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)、各種組態(tài)軟件技術(shù)、數據庫技術(shù)等）發(fā)展的影響，以及用戶(hù)對先進(jìn)的控制功能與管理功能需求的增加，各DCS廠(chǎng)商以Honeywell（霍尼韋爾）、Emerson（艾默生）、Foxboro（?？怂共_）、橫河、ABB為代表紛紛提升其DCS系統的技術(shù)水平，并不斷豐富其內容。
第四代DCS的最主要標志是兩個(gè)“I”開(kāi)頭的單詞：Information（信息）和Integration（集成）。
第四代DCS的體系結構
第四代DCS的體系結構主要分四層：現場(chǎng)儀表層、控制裝置單元層、工廠(chǎng)（車(chē)間）層和企業(yè)管理層。
一般DCS廠(chǎng)商主要提供下面的三層功能，而企業(yè)管理層則通過(guò)提供開(kāi)放的數據庫接口連接第三方的管理軟件平臺（ERP、CRM、SCM等）。所以說(shuō)當今DCS主要提供工廠(chǎng)（車(chē)間）級的所有控制和管理功能，并集成全企業(yè)的信息管理功能。
第四代DCS的技術(shù)特點(diǎn)
（1）DCS充分體現信息化和集成化
信息和集成基本描述了當今DCS系統正在發(fā)生的變化。我們已經(jīng)可以采集整個(gè)工廠(chǎng)車(chē)間和過(guò)程的信息數據，用戶(hù)希望這些大量的數據能夠以合適的方式體現，并幫助決策過(guò)程，讓用戶(hù)以他明白的方式，在他方便的地方得到他真正需要的數據。
信息化體現在各DCS系統已經(jīng)不是一個(gè)以控制功能為主的控制系統，而是一個(gè)充分發(fā)揮信息管理功能的綜合平臺系統。DCS提供了從現場(chǎng)到設備，從設備到車(chē)間，從車(chē)間到工廠(chǎng)，從工廠(chǎng)到企業(yè)集團整個(gè)信息通道。這些信息充分體現了全面性、準確性、實(shí)時(shí)性和系統性?；旧洗蟛糠諨CS提供了過(guò)去常規DCS功能、SCADA功能以及MES（制造執行系統）的大部分功能。與ERP不同，MES匯集了車(chē)間中用以管理和優(yōu)化從下定單到產(chǎn)成品的生產(chǎn)活動(dòng)全過(guò)程的相關(guān)硬件或軟件組件，它控制和利用實(shí)時(shí)準確的制造信息來(lái)指導、傳授、響應并報告車(chē)間發(fā)生的各項活動(dòng)，同時(shí)向企業(yè)決策支持過(guò)程提供有關(guān)生產(chǎn)活動(dòng)的任務(wù)評價(jià)信息。MES的功能包括車(chē)間的資源分配、過(guò)程管理、質(zhì)量控制、維護管理、數據采集、性能分析及物料管理。
DCS的集成性則體現在兩個(gè)方面：功能的集成（如上面所述）和產(chǎn)品的集成。過(guò)去的DCS廠(chǎng)商基本上是以自主開(kāi)發(fā)為主，提供的系統也是自己的系統。當今的DCS廠(chǎng)商更強調系統的集成性和解決方案能力，DCS中除保留傳統DCS所實(shí)現的過(guò)程控制功能之外，還集成了PLC（可編程邏輯控制器），RTU（遠程終端設備），FCS（現場(chǎng)總線(xiàn)），各種多回路調節器，各種智能采集或控制單元等。此外各DCS廠(chǎng)商不再把開(kāi)發(fā)組態(tài)軟件或制造各種硬件單元視為核心技術(shù)，而是紛紛把DCS的各個(gè)組成部分采用第三方集成方式或OEM方式。
（2）DCS變成真正的混合控制系統
過(guò)去我們區分DCS和PLC主要通過(guò)被控對象的特點(diǎn)（過(guò)程控制邏輯控制）來(lái)進(jìn)行劃分。但是，第四代的DCS已經(jīng)將這種劃分模糊化了。幾乎所有的第四代DCS都包容了過(guò)程控制、邏輯控制和批處理控制，實(shí)現了混合控制。這也是為了適應用戶(hù)的真正控制需求。因為，多數的工業(yè)企業(yè)絕不能簡(jiǎn)單地劃分為單一的過(guò)程控制和邏輯控制需求，而是由過(guò)程控制為主或邏輯控制為主的分過(guò)程組成的。我們要實(shí)現整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化，提高整個(gè)工廠(chǎng)的效率，就必須把整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程納入統一的分布集成信息系統。
（3）DCS包含FCS功能并進(jìn)一步分散化
過(guò)去一段時(shí)間，一些學(xué)者和廠(chǎng)商把DCS和FCS（現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統）對立起來(lái)。其實(shí)，真正推動(dòng)FCS進(jìn)步的仍然是世界主要幾家DCS廠(chǎng)商。所有的第四代DCS都包含了各種形式的現場(chǎng)總線(xiàn)接口，可以支持多種標準的現場(chǎng)總線(xiàn)儀表、執行機構等。此外，各DCS還改變了原來(lái)機柜架式安裝I/O模件、相對集中的控制站結構，取而代之的是進(jìn)一步分散的I/O模塊（導軌安裝），或小型化的I/O組件（可以現場(chǎng)安裝）或中小型的PLC。
（4）DCS已經(jīng)走過(guò)高技術(shù)產(chǎn)品時(shí)代，進(jìn)入低成本時(shí)代。配置靈活，適應各種系統應用。
DCS在上世紀九十年代還是技術(shù)含量高、應用相對復雜、價(jià)格也相當昂貴的工業(yè)控制系統。隨著(zhù)應用的普及， DCS已經(jīng)變成大家熟悉的，價(jià)格合理的常規控制產(chǎn)品。第四代DCS的另一個(gè)顯著(zhù)特征就是各系統紛紛采用現成的軟件技術(shù)和硬件（I/O處理）技術(shù)，采用靈活的規模配置，大大降低系統的成本與價(jià)格。 第四代DCS不僅經(jīng)濟地應用于大中型系統，而且應用于小系統也很合適。
（5）DCS平臺開(kāi)放性與應用服務(wù)專(zhuān)業(yè)化
二十年來(lái)，工業(yè)自動(dòng)化界討論非常多的一個(gè)概念就是開(kāi)放性。過(guò)去由于通信技術(shù)的相對落后，開(kāi)放性是困擾用戶(hù)的一個(gè)重要問(wèn)題。 而當代網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、數據庫技術(shù)、軟件技術(shù)、現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展為開(kāi)放系統提供了可能。各DCS廠(chǎng)家競爭的加劇，促進(jìn)了細化分工與合作，各廠(chǎng)家放棄了原來(lái)自己獨立開(kāi)發(fā)的工作模式，變成集成與合作的開(kāi)發(fā)模式，所以開(kāi)放性自動(dòng)實(shí)現了。
第四代DCS全部支持某種程度的開(kāi)放性。開(kāi)放性體現在DCS可以從三個(gè)不同層面與第三方產(chǎn)品相互連接：在企業(yè)管理層支持各種管理軟件平臺連接；在工廠(chǎng)車(chē)間層支持第三方先進(jìn)控制產(chǎn)品、SCADA平臺、MES產(chǎn)品、BATCH處理軟件、同時(shí)支持多種網(wǎng)絡(luò )協(xié)議（以太網(wǎng)為主）；在裝置控制層可以支持多種DCS單元（系統）、PLC、RTU、各種智能控制單元等以及各種標準的現場(chǎng)總線(xiàn)儀表與執行機構。
值得注意的是開(kāi)放性的確有很多好處，但是在考慮開(kāi)放性的同時(shí)，首先要充分考慮系統的安全性和可靠性，因為，生產(chǎn)過(guò)程的故障停車(chē)或事故造成的損失可能比開(kāi)放性選擇產(chǎn)品所節省的成本要高得多。
一直以來(lái)DCS的重點(diǎn)在于控制，它以“分散”作為關(guān)鍵字。但現代發(fā)展更著(zhù)重于全系統信息綜合管理，今后“綜合”又將成為其關(guān)鍵字，向實(shí)現控制體系、運行體系、計劃體系、管理體系的綜合自動(dòng)化方向發(fā)展，實(shí)施從最底層的實(shí)時(shí)控制、優(yōu)化控制上升到生產(chǎn)調度、經(jīng)營(yíng)管理，以至最高層的戰略決策，形成一個(gè)具有柔性、高度自動(dòng)化的管控一體化系統。
來(lái)源：傳感器技術(shù)
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號