分散控制系統(tǒng)

　　集散控制系統(tǒng)簡稱DCS，也可直譯為“分散控制系統(tǒng)”或“分布式計算機控制系統(tǒng)”。它采用控制分散、操作和管理集中的基本設(shè)計思想，采用多層分級、合作自治的結(jié)構(gòu)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(yè)都獲得了極其廣泛的應(yīng)用。

　　DCS通常采用分級遞階結(jié)構(gòu)，如圖3.1所示，每一級由若干子系統(tǒng)組成，每一個子系統(tǒng)實現(xiàn)若干特定的有限目標，形成金字塔結(jié)構(gòu)。

　　可靠性是DCS發(fā)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(yīng)用高可靠性的硬件設(shè)備和生產(chǎn)工藝；二是廣泛采用冗余技術(shù)；三是在軟件設(shè)計上廣泛實現(xiàn)系統(tǒng)的容錯技術(shù)、故障自診斷和自動處理技術(shù)等。當今大多數(shù)集散控制系統(tǒng)的MTBF可達幾萬甚至幾十萬小時。

　　集散控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

　　近年來，在DCS關(guān)聯(lián)領(lǐng)域有許多新進展，主要表現(xiàn)在如下一些方面。

　　(1)系統(tǒng)功能向開放式方向發(fā)展 傳統(tǒng)DCS的結(jié)構(gòu)是封閉式的，不同制造商的DCS之間難以兼容。而開放式的DCS將可以賦予用戶更大的系統(tǒng)集成自主權(quán)，用戶可根據(jù)實際需要選擇不同廠商的設(shè)備連同軟件資源連入控制系統(tǒng)，達到最佳的系統(tǒng)集成。這里不僅包括DCS與DCS的集成，更包括DCS與PLC、FCS及各種控制設(shè)備和軟件資源的廣義集成。

　　(2)儀表技術(shù)向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展 工業(yè)控制設(shè)備的智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，可以促使過程控制的功能進一步分散下移，實現(xiàn)真正意義上的“全數(shù)字”、“全分散”控制。另外，由于這些智能儀表具有的精度高、重復性好、可靠性高，并具備雙向通信和自診斷功能等特點，致使系統(tǒng)的安裝、使用和維護工作更為方便。

　　(3)工控軟件正向先進控制方向發(fā)展 廣泛應(yīng)用各種先進控制與優(yōu)化技術(shù)是挖掘并提升DCS綜合性能最有效、最直接、也是最具價值的發(fā)展方向，主要包括先進控制、過程優(yōu)化、信息集成、系統(tǒng)集成等軟件的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。在未來，工業(yè)控制軟件也將繼續(xù)向標準化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和開放性發(fā)展方向。

　　(4)系統(tǒng)架構(gòu)向FCS方向發(fā)展 單純從技術(shù)而言，現(xiàn)階段現(xiàn)場總線集成于DCS可以有三種方式：① 現(xiàn)場總線于DCS系統(tǒng)I/O總線上的集成――通過一個現(xiàn)場總線接口卡掛在DCS的I/O總線上，使得在DCS控制器所看到的現(xiàn)場總線來的信息就如同來自一個傳統(tǒng)的DCS設(shè)備卡一樣。例如Fisher-Rosemount公司推出的DeltaV系統(tǒng)采用的就是此種集成方案。② 現(xiàn)場總線于DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層的集成――就是在DCS更高一層網(wǎng)絡(luò)上集成現(xiàn)場總線系統(tǒng)，這種集成方式不需要對DCS控制站進行改動，對原有系統(tǒng)影響較小。如Smar公司的302系列現(xiàn)場總線產(chǎn)品可以實現(xiàn)在DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層集成其現(xiàn)場總線功能。③ 現(xiàn)場總線通過網(wǎng)關(guān)與DCS系統(tǒng)并行集成――現(xiàn)場總線和DCS還可以通過網(wǎng)關(guān)橋接實現(xiàn)并行集成。如SUPCON的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，利用HART協(xié)議網(wǎng)橋連接系統(tǒng)操作站和現(xiàn)場儀表，從而實現(xiàn)現(xiàn)場總線設(shè)備管理系統(tǒng)操作站與HART協(xié)議現(xiàn)場儀表之間的通信功能。

　　一直以來DCS的重點在于控制，它以“分散”作為關(guān)鍵字。但現(xiàn)代發(fā)展更著重于全系統(tǒng)信息綜合管理，今后“綜合”又將成為其關(guān)鍵字，向?qū)崿F(xiàn)控制體系、運行體系、計劃體系、管理體系的綜合自動化方向發(fā)展，實施從最底層的實時控制、優(yōu)化控制上升到生產(chǎn)調(diào)度、經(jīng)營管理，以至最高層的戰(zhàn)略決策，形成一個具有柔性、高度自動化的管控一體化系統(tǒng)。

　　DCS的硬件體系結(jié)構(gòu)

　　考察DCS的層次結(jié)構(gòu)，DCS級和控制管理級是組成DCS的兩個最基本的環(huán)節(jié)。

　　過程控制級具體實現(xiàn)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(xiàn)場控制站、過程接口單元等等，但它們的結(jié)構(gòu)形式大致相同，可以統(tǒng)稱為現(xiàn)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(jiān)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(jié)構(gòu)設(shè)計的，所以DCS的開發(fā)實際上就是將系統(tǒng)提供的各種基本模塊按實際的需要組合成為一個系統(tǒng)，這個過程稱為系統(tǒng)的組態(tài)。

　　(1)現(xiàn)場控制單元

　　現(xiàn)場控制單元一般遠離控制中心，安裝在靠近現(xiàn)場的地方，其高度模塊化結(jié)構(gòu)可以根據(jù)過程監(jiān)測和控制的需要配置成由幾個監(jiān)控點到數(shù)百個監(jiān)控點的規(guī)模不等的過程控制單元。

　　現(xiàn)場控制單元的結(jié)構(gòu)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(xiàn)場控制單元及其與控制管理級之間采用總線連接，以實現(xiàn)信息交互。

　　現(xiàn)場控制單元的硬件配置需要完成以下內(nèi)容：

　　插件的配置 根據(jù)系統(tǒng)的要求和控制規(guī)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(shè)備；

　　硬件冗余配置 對關(guān)鍵設(shè)備進行冗余配置是提高DCS可靠性的一個重要手段，DCS通?？梢詫χ鳈C插件、電源插件、通信插件和網(wǎng)絡(luò)、關(guān)鍵I/O插件都可以實現(xiàn)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(yīng)的規(guī)定。另外，現(xiàn)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(jié)構(gòu)形式，即一個現(xiàn)場控制單元還包括若干數(shù)字輸入/輸出擴展單元，相互間采用總線連成一體。

　　就本質(zhì)而言，現(xiàn)場控制單元的結(jié)構(gòu)形式和配置要求與模塊化PLC的硬件配置是一致的。

　　(2)操作站

　　操作站以來顯示并記錄來自各控制單元的過程數(shù)據(jù)，是人與生產(chǎn)過程信息交互的操作接口。典型的操作站包括主機系統(tǒng)、顯示設(shè)備、鍵盤輸入設(shè)備、信息存儲設(shè)備和打印輸出設(shè)備等，主要實現(xiàn)強大的顯示功能（如模擬參數(shù)顯示、系統(tǒng)狀態(tài)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(tài)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(tǒng)功能上看，前者主要實現(xiàn)一般的生產(chǎn)操作和監(jiān)控任務(wù)，具有數(shù)據(jù)采集和處理、監(jiān)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(yīng)具備系統(tǒng)的組態(tài)、控制目標的修改等功能。從硬件設(shè)備上看，多數(shù)系統(tǒng)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(qū)分。

　　DCS的軟件系統(tǒng)

　　DCS的軟件體系如圖3.2所示，通?？梢詾橛脩籼峁┫喈斬S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(tài)軟件，將各種功能軟件進行適當?shù)?ldquo;組裝連接”（即組態(tài)），生成滿足控制系統(tǒng)的要求各種應(yīng)用軟件。

　　(1)現(xiàn)場控制單元的軟件系統(tǒng)

　　現(xiàn)場控制單元的軟件主要包括以實時數(shù)據(jù)庫為中心的數(shù)據(jù)巡檢、控制算法、控制輸出和網(wǎng)絡(luò)通信等軟件模塊組成。

　　實時數(shù)據(jù)庫起到了中心環(huán)節(jié)的作用，在這里進行數(shù)據(jù)共享，各執(zhí)行代碼都與它交換數(shù)據(jù)，用來存儲現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)、控制輸出以及某些計算的中間結(jié)果和控制算法結(jié)構(gòu)等方面的信息。數(shù)據(jù)巡檢模塊用以實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)、故障信號的采集，并實現(xiàn)必要的數(shù)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(tài)生成，不同的系統(tǒng)，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(shù)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(zhí)行器控制模塊等等。控制輸出模塊主要實現(xiàn)控制信號以故障處理的輸出。

　　(2)操作站的軟件系統(tǒng)

　　DCS中的操作站用以完成系統(tǒng)的開發(fā)、生成、測試和運行等任務(wù)，這就需要相應(yīng)的系統(tǒng)軟件支持，這些軟件包括操作系統(tǒng)、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(yīng)用軟件應(yīng)能實現(xiàn)如下功能：實時數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)管理、歷史數(shù)據(jù)庫管理、圖形管理、歷史數(shù)據(jù)趨勢管理、數(shù)據(jù)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(diào)節(jié)、參數(shù)列表、串行通信和各種組態(tài)等。

　　DCS的組態(tài)（開發(fā)與生成）

　　DCS的開發(fā)過程主要是采用系統(tǒng)組態(tài)軟件依據(jù)控制系統(tǒng)的實際需要生成各類應(yīng)用軟件的過程。組態(tài)軟件功能包括基本配置組態(tài)和應(yīng)用軟件組態(tài)?；九渲媒M態(tài)是給系統(tǒng)一個配置信息，如系統(tǒng)的各種站的個數(shù)、它們的索引標志、每個控制站的最大點數(shù)、最短執(zhí)行周期和內(nèi)存容量等。應(yīng)用軟件的組態(tài)則包括比較豐富的內(nèi)容，主要包括以下幾個方面。

　　(1)控制回路的組態(tài)

　　控制回路的組態(tài)在本質(zhì)上就是利用系統(tǒng)提供的各種基本的功能模塊，來構(gòu)成各種各樣的實際控制系統(tǒng)。目前各種不同的DCS提供的組態(tài)方法各不相同，歸納起來有指定運算模塊連接方式、判定表方式、步驟記錄方式等等。

　　指定運算模塊連接方式是通過調(diào)用各種獨立的標準運算模塊，用線條連接成多種多樣的控制回路，最終自動生成控制軟件，這是一種信息流和控制功能都很直觀的組態(tài)方法。判定表方式是一種純粹的填表形式，只要按照組態(tài)表格的要求，逐項填入內(nèi)容或回答問題即可，這種方式很利于用戶的組態(tài)操作。步驟記入方式是一種基于語言指令的編寫方式，編程自由度大，各種復雜功能都可通過一些技巧實現(xiàn)，但組態(tài)效率較低。另外，由于這種組態(tài)方法不夠直觀，往往對組態(tài)工程師在技術(shù)水平和組態(tài)經(jīng)驗有較高的要求。

　　(2)實時數(shù)據(jù)庫生成

　　實時數(shù)據(jù)庫是DCS最基本的信息資源，這些實時數(shù)據(jù)由實時數(shù)據(jù)庫存儲和管理。在DCS中，建立和修改實時數(shù)據(jù)庫記錄的方法有多種，常用的方法是用通用數(shù)據(jù)庫工具軟件生成數(shù)據(jù)庫文件，系統(tǒng)直接利用這種數(shù)據(jù)格式進行管理或采用某種方法將生成的數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為DCS所要求的格式。

　　(3)工業(yè)流程畫面的生成

　　DCS是一種綜合控制系統(tǒng)，它必須具有豐富的控制系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)畫面顯示功能。顯然，不同的控制系統(tǒng)，需要顯示的畫面是不一樣的?？偟膩碚f，結(jié)合總貌、分組、控制回路、流程圖、報警等畫面，以字符、棒圖、曲線等適當?shù)男问奖硎境龈鞣N測控參數(shù)、系統(tǒng)狀態(tài)，是DCS組態(tài)的一項基本要求。此外，根據(jù)需要還可顯示各類變量目錄畫面、操作指導畫面、故障診斷畫面、工程師維護畫面和系統(tǒng)組態(tài)畫面。

　　(4)歷史數(shù)據(jù)庫的生成

　　所有DCS都支持歷史數(shù)據(jù)存儲和趨勢顯示功能，歷史數(shù)據(jù)庫通常由用戶在不需要編程的條件下，通過屏幕編輯編譯技術(shù)生成一個數(shù)據(jù)文件，該文件定義了各歷史數(shù)據(jù)記錄的結(jié)構(gòu)和范圍。歷史數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)一般按組劃分，每組內(nèi)數(shù)據(jù)類型、采樣時間一樣。在生成時對各數(shù)據(jù)點的有關(guān)信息進行定義。

　　(5)報表生成

　　DCS的操作員站的報表打印功能也是通過組態(tài)軟件中的報表生成部分進行組態(tài)，不同的DCS在報表打印功能方面存在較大的差異。一般來說，DCS支持如下兩類報表打印功能：一是周期性報表打印，二是觸發(fā)性報表打印，用戶根據(jù)需要和喜好生成不同的報表形式。

　　DCS中的先進控制技術(shù)

　　在實際過程控制系統(tǒng)中，基于PID控制技術(shù)的系統(tǒng)占80%以上，PID回路運用優(yōu)劣在實現(xiàn)裝置平穩(wěn)、高效、優(yōu)質(zhì)運行中起到舉足輕重的作用，各DCS廠商都以此作為搶占市場的有力競爭砝碼，開發(fā)出各自的PID自整定軟件。另外，根據(jù)DCS的控制功能，在基本的PID算法基礎(chǔ)上，可以開發(fā)各種改進算法，以滿足實際工業(yè)控制現(xiàn)場的各種需要，諸如帶死區(qū)的PID控制、積分分離的PID控制、微分先行的PID控制、不完全微分的PID控制、具有邏輯選擇功能的PID控制等等。

　　與傳統(tǒng)的PID控制不同，基于非參數(shù)模型的預測控制算法是通過預測模型預估系統(tǒng)的未來輸出的狀態(tài)，采用滾動優(yōu)化策略計算當前控制器的輸出。根據(jù)實施方案的不同，有各種算法，例如，內(nèi)?？刂?、模型算法控制、動態(tài)矩陣控制等。目前，實用預測控制算法已引入DCS，例如IDCOM控制算法軟件包已廣泛應(yīng)用于加氫裂化、催化裂化、常壓蒸餾、石腦油催化重整等實際工業(yè)過程。此外，還有霍尼韋爾公司的HPC，橫河公司的PREDICTROL，山武霍尼韋爾公司在TDC-3000LCN系統(tǒng)中開發(fā)的基于卡爾曼濾波器的預測控制器等等。這類預測控制器不是單純把卡爾曼濾波器置于以往預測控制之前進行噪聲濾波，而是把卡爾曼濾波器作為最優(yōu)狀態(tài)推測器，同時進行最優(yōu)狀態(tài)推測和噪聲濾波。

　　先進控制算法還有很多。目前，國內(nèi)、外許多控制軟件公司和DCS廠商都在競相開發(fā)先進控制和優(yōu)化控制的工程軟件包，希望在組態(tài)軟件中嵌入先進控制和優(yōu)化控制策略。

　　OPC技術(shù)及其應(yīng)用簡介

　　當大量現(xiàn)場信息由智能儀表或通過現(xiàn)場總線直接進入計算機控制系統(tǒng)后，存在著計算機內(nèi)部應(yīng)用程序?qū)ΜF(xiàn)場信息的共享與交互問題。由于缺乏統(tǒng)一的連接標準，工控軟件往往需要為硬件設(shè)備開發(fā)專用的驅(qū)動程序。這樣一旦硬件設(shè)備升級換代，就需要對相應(yīng)的驅(qū)動程序進行更改，增加了系統(tǒng)的維護成本。即使計算機中的SCADA有獨立的驅(qū)動程序，但一般也不允許同時訪問相同的設(shè)備，否則很容易造成系統(tǒng)崩潰?？梢姡F(xiàn)場控制層作為企業(yè)整個信息系統(tǒng)的底層部分，必然需要與過程管理層和經(jīng)營決策層進行集成，這樣也存在著監(jiān)控計算機如何與其它計算機進行信息溝通和傳遞的問題。由于控制系統(tǒng)往往是不同廠商開發(fā)的專用系統(tǒng)，相互之間兼容性差，與高層的商業(yè)管理軟件之間又缺乏有效的通信接口，因此通信規(guī)范問題成為了制約控制系統(tǒng)突破“信息孤島”的瓶頸。

　　OPC（OLE for Process Control）的出現(xiàn)，建立了一套符合工業(yè)控制要求的通信接口規(guī)范，使控制軟件可以高效、穩(wěn)定地對硬件設(shè)備進行數(shù)據(jù)存取操作，應(yīng)用軟件之間也可以靈活地進行信息交互，極大提高了控制系統(tǒng)的互操作性和適應(yīng)性

　　從軟件的角度來說，OPC可以看成是一個“軟件總線”的標準。首先，它提供了不同應(yīng)用程序間（甚至可以是通過網(wǎng)絡(luò)連接起來的不同工作站上的應(yīng)用程序之間）實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ罉藴?；其次，它還針對過程控制的需要定義了在通道中進行傳輸和交換的格式。OPC標準的體系結(jié)構(gòu)為客戶/服務(wù)器模式，即將軟件分為OPC服務(wù)器和OPC 客戶。OPC服務(wù)器提供必要的OPC數(shù)據(jù)訪問標準接口；OPC客戶通過該標準接口來訪問OPC數(shù)據(jù)。

　　運用OPC標準開發(fā)的軟件由于都基于共同的數(shù)據(jù)及接口標準，因此相互之間具有很強的通用性。這在工業(yè)控制領(lǐng)域中，具有十分現(xiàn)實的意義。OPC服務(wù)器可由不同供應(yīng)商提供，其代碼決定了服務(wù)器訪問物理設(shè)備的方式、數(shù)據(jù)處理等細節(jié)。但這些對OPC客戶程序來說都是透明的，只需要遵循相同的規(guī)范或方法就能讀取服務(wù)器中的數(shù)據(jù)。同樣，軟件供應(yīng)商則只需將自己的軟件加上OPC接口，即能從OPC服務(wù)器中取得數(shù)據(jù)，而不需關(guān)心底層的細節(jié)。通過OPC接口，OPC客戶程序可以和一個或多個不同的OPC服務(wù)器連接。如圖3.4，同時一個OPC服務(wù)器也可以與多個客戶程序相連，形成多對多的關(guān)系。任何支持OPC的產(chǎn)品都可以實現(xiàn)與系統(tǒng)的無縫集成。由于OPC技術(shù)基于DCOM，所以客戶程序和服務(wù)器可以分布在不同的主機上，形成網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)控系統(tǒng)。

　　OPC技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，無論供應(yīng)商還是最終用戶都可以從中得到巨大的益處。首先，OPC技術(shù)把硬件和應(yīng)用軟件有效地分離開，硬件廠商只需要提供一套軟件組件，所有OPC客戶程序都可以使用這些組件，無需重復開發(fā)驅(qū)動程序。一旦硬件升級，只需修改OPC服務(wù)器端I/O接口部分，無需改動客戶端程序。其次，工控軟件只要開發(fā)一套OPC接口就可采用統(tǒng)一的方式對不同硬件廠商的設(shè)備進行存取操作。這樣，軟硬件廠商可以專注于各自的核心部分，而不是兼容問題。

　　對于最終用戶而言，由于無需擔心互操作性，在選擇和更換軟硬件時有了更多的余地，使異構(gòu)計算機系統(tǒng)集成將變得很簡單。用戶可以將重點放在整個系統(tǒng)的功能及應(yīng)用上，這也意味著成本的降低。此外，OPC組件的使用也十分方便，用戶只需進行簡單的組態(tài)即可。

　　OPC服務(wù)器在底層控制系統(tǒng)中采用統(tǒng)一的標準，實現(xiàn)了應(yīng)用程序與現(xiàn)場設(shè)備的有效連接，發(fā)揮著重要的橋梁作用，同時也促進了企業(yè)現(xiàn)場控制層和生產(chǎn)過程管理層、經(jīng)營決策層的集成。