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油库DCS控制系统
DCS控制系统
常州大学石油工程学院
储运专业
2011年9月25日
近年来，自动化控制系统特别是DCS在石油、化工、电力、冶金、轻纺等行业中得到广泛应用，在降低能源和原材料消耗、提高产品质量、确保安全生产、改善和加强企业管理等方面已取得了明显的经济和社会效益。
同时，生产过程的大型化、连续化、自动化发展趋势和在中控室内的集中控制，也增加了安全生产的复杂性。
DCS,（DistributedControlSystem）分散控制系统的简称，国内一般习惯称之为集散控制系统。
DCS是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机，通信、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。
DCS系统的产生背景
上世纪30年代40年代，工业自动化装置采用的是分散性控制系统。
也就是所有设备都是独立运行，不联网控制。
操作员根据生产需求进行计算后，将独立设备的特性调节到适合的程度，然后就开始工作。
之后采用了气动、电动模拟仪表组成过程控制系统，实现了一定程度上的集中监视、操作和分散控制。
较好的适应了工业生产的需求。
可是，随着生产规模和复杂程度的不断提高，原有的控制系统显得滞后、笨重、繁冗、因为一台仪表只有一种控制规律，要实现某些复杂的控制就很困难。
另外，控制仪表数量越来越多，用原来落后的仪表盘控制的话，控制盘越来越长，看得人眼睛都会花掉。
最致命的就是老系统之间不便于实现通信，很难分级控制和综合管理。
再一个就是它的系统变更比较麻烦，只有通过更换仪表和变更仪表连线才能实现。
第三次科技革命开始后，随着计算机技术的发展，人们开始尝试将计算机用于过程控制。
试图利用计算机所具有的功能特点，来克服常规模拟仪表的局限性。
但当时采用的办法是用一台计算机控制几十甚至上百个回路，这样做的危险性很高，如果计算机出现故障，会导致很严重的后果，这就是所谓的“危险集中”。
若采用双机双工系统，虽可以提高系统的可靠性，但成本太高，如果工厂的生产规模不大，则经济性很差，用户难以接受。
直到上世纪70年代开始，随着计算机技术的日渐成熟，大规模集成电路及微处理器的诞生后，人们开始思考是否能将“危险分散”。
就是原来靠一台大计算机完成的“艰巨”任务，能否用几十台微处理来完成？
这样的话，即使某一处理器坏了，也不至于会“牵一发而动全身”，从而使危险系数大大降低。
答案是肯定的。
至此DCS就诞生了。
进入九十年代以后，计算机技术突飞猛进，更多新的技术被应用到了DCS之中。
PLC是一种针对顺序逻辑控制发展起来的电子设备，它主要用于代替不灵活而且笨重的继电器逻辑。
现场总线技术在进入九十年代中期以后发展十分迅猛，以至于有些人已做出预测：
基于现场总线的FCS将取代DCS成为控制系统的主角。
DCS是分布式控制系统的英文缩写（DistributedControlSystem），在国内自控行业又称之为集散控制系统。
即所谓的分布式控制系统，或在有些资料中称之为集散系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。
在系统功能方面，DCS和集中式控制系统的区别不大，但在系统功能的实现方法上却完全不同。
首先，DCS的骨架—系统网络，它是DCS的基础和核心。
由于网络对于DCS整个系统的实时性、可靠性和扩充性，起着决定性的作用，因此各厂家都在这方面进行了精心的设计。
对于DCS的系统网络来说，它必须满足实时性的要求，即在确定的时间限度内完成信息的传送。
这里所说的“确定”的时间限度，是指在无论何种情况下，信息传送都能在这个时间限度内完成，而这个时间限度则是根据被控制过程的实时性要求确定的。
因此，衡量系统网络性能的指标并不是网络的速率，即通常所说的每秒比特数（bps），而是系统网络的实时性，即能在多长的时间内确保所需信息的传输完成。
系统网络还必须非常可靠，无论在任何情况下，网络通信都不能中断，因此多数厂家的DCS均采用双总线、环形或双重星形的网络拓扑结构。
为了满足系统扩充性的要求，系统网络上可接入的最大节点数量应比实际使用的节点数量大若干倍。
这样，一方面可以随时增加新的节点，另一方面也可以使系统网络运行于较轻的通信负荷状态，以确保系统的实时性和可靠性。
在系统实际运行过程中，各个节点的上网和下网是随时可能发生的，特别是操作员站，这样，网络重构会经常进行，而这种操作绝对不能影响系统的正常运行，因此，系统网络应该具有很强在线网络重构功能。
其次，这是一种完全对现场I/O处理并实现直接数字控制（DOS）功能的网络节点。
一般一套DCS中要设置现场I/O控制站，用以分担整个系统的I/O和控制功能。
这样既可以避免由于一个站点失效造成整个系统的失效，提高系统可靠性，也可以使各站点分担数据采集和控制功能，有利于提高整个系统的性能。
DCS的操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界面（HMI-HumanMachineInterface或operatorinterface）功能的网络节点。
系统网络是DCS的工程师站，它是对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络节点，其主要功能是提供对DCS进行组态，配置工作的工具软件（即组态软件），并在DCS在线运行时实时地监视DCS网络上各个节点的运行情况，使系统工程师可以通过工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定，使DCS随时处在最佳的工作状态之下。
与集中式控制系统不同，所有的DCS都要求有系统组态功能，可以说，没有系统组态功能的系统就不能称其为DCS。
作为生产过程自动化领域的计算机控制系统，传统的DCS仅仅是一个狭义的概念。
如果以为DCS只是生产过程的自动化系统，那就会引出错误的结论，因为现在的计算机控制系统的含义已被大大扩展了，它不仅包括过去DCS中所包含的各种内容，还向下深入到了现场的每台测量设备、执行机构，向上发展到了生产管理，企业经营的方方面面。
传统意义上的DCS现在仅仅是指生产过程控制这一部分的自动化，而工业自动化系统的概念，则应定位到企业全面解决方案，即totalsolution的层次。
只有从这个角度上提出问题并解决问题，才能使计算机自动化真正起到其应有的作用。
DCS从1975年问世以来，大约有三次比较大的变革，七十年代操作站的硬件、操作系统、监视软件都是专用的，由各DCS厂家自己开发的，也没有动态流程图，通讯网络基本上都是轮询方式的；八十年代就不一样了，通讯网络较多使用令牌方式；九十年代操作站出现了通用系统，九十年代末通讯网络有部份遵守TCP/IP协议，有的开始采用以太网。
总的来看，变化主要体现在Ｉ／Ｏ板、操作站和通讯网络。
控制器相对来讲变化要小一些。
操作站主要表现在由专用机变化到通用机，如PC机和小型机的应用。
但是目前它的操作系统一般采用UNIX，也有小系统采用NT，相比较来看UNIX的稳定性要好一些，NT则有死机现象。
I/O板主要体现在现场总线的引入DCS系统。
从理论上讲，一个DCS系统可以应用于各种行业，但是各行业有它的特殊性，所以DCS也就出现了不同的分支，有时也由于DCS厂家技术人员工艺知识的局限性而引起，如HONEYWELL公司对石化比较熟悉，其产品在石化行业应用较多，而ＢAILEY的产品则在电力行业应用比较普遍。
用户在选择DCS的时候主要是要注意其技术人员是否对该生产工艺比较熟悉；然后要看该系统适用于多大规模，比如NT操作系统的就适应于较小规模的系统；最后是价格，不同的组合价格会有较大的差异，而国产的DCS系统价格比进口的DCS至少要低一半，算上备品备件则要低得更多。
DCS分散控制系统原理
集散控制系统（Distributedcontrolsystem）是以微处理器为基础的对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统，简称DCS系统。
该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一，人-机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散。
DCS系统在现代化生产过程控制中起着重要的作用。
集散控制系统的基本组成
1现场控制级
又称数据采集装置，主要是将过程非控变量进行数据采集和预处理，而且对实时数据进一步加工处理，供CRT操作站显示和打印，从而实现开环监视，并将采集到的数据传输到监控计算机。
输出装置在有上位机的情况下，能以开关量或者模拟量信号的方式，向终端元件输出计算机控制命令。
这一个级别直接面对现场，跟现场过程相连。
比如阀门、电机、各类传感器、变送器、执行机构等等。
它们都是工业现场的基础设备、同样也是DCS的基础。
在DCS系统中，这一级别的功能就是服从上位机发来的命令，同时向上位机反馈执行的情况。
拿军队来举例的话，可以形容为最底层的士兵。
它们只要能准确地服从命令，并且准确地向上级汇报情况即完成使命。
至于它与上位机交流，就是通过模拟信号或者现场总线的数字信号。
由于模拟信号在传递的过程或多或少存在一些失真或者受到干扰，所以目前流行的是通过现场总线来进行DCS信号的传递。
（1）进行过程数据采集：
即对被控设备中的每个过程量和状态信息进行快速采集，使
进行数字控制、开环控制、设备监测、状态报告的过程等获得所需要的输入的信息。
（2）进行直接数字的过程控制：
根据控制组态数据库、控制算法模块来实施实时的过
程量（如开关量、模拟量等）的控制。
（3）进行设备监测和系统的测试、诊断：
把过程变量和状态信息取出后，分析是否可
以接受以及是否可以允许向高层传输。
进一步确定是否对被控装置实施调节；并根据状态
信息判断计算机系统硬件和控制板件的性能（功能），在必要时实施报警、错误或诊断报告
等措施。
（4）实施安全性、冗余化方面的措施：
一旦发现计算机系统硬件或控制板有故障，就
立即实施备用件的切换，保证整个系统安全运行。
例如，由中国石化总公司和航空航天部联合研制的友力-2000集散控制系统的过程控制
级就是由监测站或（和）控制站组成。
可以完成A/D、D/A转换，信号调理，开关量的输入/
输出，并把采集到的现场数据由A/D转换，信号调理或某些信号的直接输入，经过整理、
分析，实时地通过高速数据公路传递到上一层计算机中，对于要求控制的量实施实时的调
节控制，当发现某一CPU板或数据采集板或信号输出板等出现故障就立即向上报告。
并根
据条件实施切换，以确保系统的正常工作。
2过程管理级
又称现场控制单元或基本控制器，是DCS系统中的核心部分。
生产工艺的调节都是靠它来实现。
比如阀门的开闭调节、顺序控制、连续控制等等。
上面说到现场控制级是“士兵”，那么给它发号施令的就是过程控制级了。
它接受现场控制级传来的信号，按照工艺要求进行控制规律运算，然后将结果作为控制信号发给现场控制级的设备。
所以，过程控制级要具备聪明的大脑，能将“士兵”反馈的军情进行分析，然后做出命令，以使“士兵”能打赢“战争”。
这个级别不是最高的，相当于军队里的“中尉”。
它也一样必须将现场的情况反馈给更高级别的“上校”也就是下面讲的过程管理级。
DCS的人机接口装置，普遍配有高分辨率、大屏幕的色彩CRT、操作者键盘、打印机、大容量存储器等。
操作员通过操作站选择各种操作和监视生产情况、
这个级别是操作人员跟DCS交换信息的平台。
是DCS的核心显示、操作跟管理装置。
操作人员通过操作站来监视和控制生产过程，可以通过屏幕了解到生产运行情况，了解每个过程变量的数字跟状态。
这一级别在军队中算是很高的“上校”了。
它所掌握的“大权”可以根据需要随时进行手动自动切换、修改设定值，调整控制信号、操纵现场设备，以实现对生产过程的控制。
在过程管理级主要是应付单元内的整体优化，并对其下层产生确切的命令，在这一层
可完成的功能有。
（1）优化过程控制：
这可以根据过程的数学模型以及所给定的控制对象来进行，优化
控制只有在优化执行条件确保的条件下方能达到，即使在不同策略条件下仍能完成对控制
过程的优化。
（2）自适应回路控制：
在过程参数希望值的基础上，通过数字控制的优化策略。
当现
场条件发生改变时，经过过程管理级计算机的运算处理就得到新的设定值和调节值，并把
调节值传送到直接过程控制层。
（3）优化单元内各装置，使它们密切配合：
这主要是根据单元内的产品、原材料、库
存以及能源的使用情况，以优化准则来协调相互之间的关系。
例如，MACS-Ⅱ集散控制系统的过程管理级由多台操作站和工程师站组成。
操作站相
互备份，完成数据、图形、状态的显示；历史数据的存档，故障声响报警，故障记录打印，
故障状态显示，定时报表打印；实时动态调整回路参数，优化控制参数等过程控制功能。
在工程师站上可进行控制优化，通过重新对控制回路的组态，由高速公路下装到直接过程
控制级以改变回路的控制算法，实施优化策略。
3生产管理级
产品规划和控制级完成一系列的功能，要求有比系统和控制工程更宽的操作和逻辑分
析功能，根据用户的订货情况、库存情况、能源情况来规划各单元中的产品结构和规模。
并且可使产品重新计划，随时更改产品结构，这一点是工厂自动化系统高层所需要的，有
了产品重新组织和柔性制造的功能就可以应付由于用户订货变化所造成的不可预测的事
件。
由此，一些较复杂的工厂在这一控制层就实施了协调策略。
此外，对于统观全厂生产
和产品监视以及产品报告也都在这一层来实现，并与上层交互传递数据。
在中小企业的自
动化系统中，这一层可能就充当最高一级管理层。
4经营管理级
又称上位机，功能强、速度快、容量大。
通过专门的通信接口与高速数据通路相连，综合监视系统各单元，管理全系统的所有信息。
这是全厂自动化系统的最高一层。
只有大规模的集散控制系统才具备这一级。
相当于军队中的“元帅”，他们所面向的使用者是厂长、经理、总工程师等行政管理或运行管理人员。
它的权限很大，可以监视各部门的运行情况，利用历史数据和实时数据预测可能发生的各种情况，从企业全局利益出发，帮助企业管理人员进行决策，帮助企业实现其计划目标。
经营管理级居于工厂自动化系统的最高一层，它管理的范围很广，包括工程技术方面、经济方面、商业事务方面、人事活动方面以及其他方面的功能。
把这些功能都集成到软件系统中，通过综合的产品计划，在各种变化条件下，结合多种多样的材料和能量调配，以达到最优地解决这些问题。
在这一层中，通过与公司的经理部、市场部、计划部以及人事部等办公室自动化相连接，来实现整个制造系统的最优化。
在经营管理这一层，其典型的功能为：
（1）市场分析。
（2）用户信息的收集。
（3）订货统计分析。
（4）销售与产品计划。
（5）合同事宜。
（6）接收订货与期限监测。
（7）产品制造协调。
（8）价格计算。
（9）生产能力与订货的平衡。
（10）订货的分发。
（11）生产与交货期限的监视。
（12）生产，订货和合同的报告。
（13）财政方面的报告等。
DCS系统的硬件结构
DCS的硬件系统主要由集中操作管理装置、分散过程控制装置和通信接口设备等组成。
通过通信网络将这些硬件设备连接起来，共同实现数据采集、分散控制和集中监视、操作及管理等功能。
1DCS操作站
DCS操作站具有操作员功能、工程师功能、通信功能和高级语言功能等，其中工程师功能中包括系统组态、系统维护、系统通用（Utility）功能。
实际的DCS操作站是典型的计算机，它与控制站不同，有着丰富的外围设备和人机界面。
70年代中期，CRT显示器技术已成熟，以外部存储器温氏硬盘为特征，第二代DCS操作站还具有如下特点：
操作站和工程师站（或称工作站）分开，也有公司将操作站的历史数据存储用硬盘（历史模件）和高级语言应用站（应用模件）分别独立挂在通信网络上；操作系统除采用DOS系统以外，有的产品采用Unix等操作系统；实时数据库储存性能逐渐完善；在人机界面方面，逐渐过渡为以GUI图形用户界面为平台并采用鼠标，组态时制作流程图和控制回路图等采用菜单、窗口、CAD技术等，使人机界面友好。
第三代DCS操作站是在个人计算机（PC）及Windows操作系统普及和通用监控图形软件已商品化的基础上诞生的，面对用户要求的DCS系统应具有开放性、便于系统集成和操作、与Windows一致等。
目前大多数DCS操作站已采用高档PC机或工控机，WindowsNT（或Windows98）操作系统，客户机/服务器（C/S）结构，DDE（动态数据交换）或OPC（用于过程控制对象链接嵌入）接口技术，以太网接口与管理网络相连。
在采用通用监控图形软件（如iFIX、Intouch等）这一点上，各DCS厂家做法不一，有的以此为平台，形成“软DCS”操作站，这多用于中小型DCS，或以此类软件为核心，进行二次开发；大多数DCS厂家对原来的组态软件进行改造，使之符合上述特点，满足系统开放要求。
操作站要实现其多项功能，必须完成数据组织和存储两方面任务，如与工位号相关的一些数据，在操作站中要对由控制站某端与现场仪表相连的、由物理位置而决定的工位规定工位号（即特征号或标签Tag）和工位说明（可以用汉字），使之与工艺对象一致，以保证工艺操作人员的操作。
工位号可以在整个DCS系统中通用。
其他还有系统配置、操作标记、趋势记录、历史数据管理、总貌画面组态、控制站组态、工艺单元或区域组态等，这些均组织成文件，最终形成数据库，存储在硬盘的相应区域，使数据具有独立性和共享性，保证数据的完整性和安全性。
DCS系统组态、操作站组态、控制站组态均有相应软件，为DCS用户的工程设计人员提供人机界面。
在工程设计中，第一代、第二代DCS均采用先让DCS用户的工程设计人员填写工作单或绘制组态图（或称SAMA图），再在操作站或工程师站上键入生成，形成应用软件，同时拷贝出软盘的方式。
在第三代DCS中，逐步向无纸化和在PC机上完成工程设计的方式过渡。
操作员的操作主要依靠流程图画面和标准的总貌画面、分组画面等，采用标准键盘、鼠标和操作员专用键盘，这是DCS的特点，要经过专门培训才能被工艺操作人员接受。
在多屏幕的情况下，操作的最后有效原则、各屏幕画面等同化显示及按工位号调用或按专用键调出画面的速度或画面定时刷新问题，报警按时序显示记录问题，都陆续得到解决。
操作站死机现象时有发生，当然这与DCS制造工艺、用户使用操作等都有关系，但从操作站的操作系统上解决问题才是彻底的方法。
目前，这个问题已经不严重，但要彻底解决，还有待时日。
操作员站
运行在PC硬件平台、NT操作系统下的通用操作站的出现，给DCS用户带来了许多方便。
由于通用操作站的适用面广，相对生产量大，成本下降，因而可以节省用户的经费，维护费用也比较少。
为了实现监视和管理等功能，操作站必须配置以下设备：
1、操作台，也就是高档电脑桌；2、微处理机系统，就是高档电脑；3、外部存储设备，简单说就是大容量硬盘；4、图形显示设备，就是电脑显示器；5、操作键盘跟鼠标；6打印输出设备。
操作员站主要完成人机界面的功能，一般采用桌面型通用计算机系统，如图形工作站或个人计算机等。
其配置与常规的桌面系统相同，但要求有大尺寸的显示器（CRT或液晶屏）和性能好的图形处理器，有些系统还要求每台操作员站使用多屏幕，以拓宽操作员的观察范围。
为了提高画面的显示速度，一般都在操作员站上配置较大的内存。
2DCS控制站
现场控制站
现场控制站中的主要设备是现场控制单元。
现场控制单元式DCS直接与生产过程进行信息交互的IO处理系统，它的主要任务是进行数据采集及处理，对被控对象实施闭环反馈控制、顺序控制和批量控制。
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。
它可以是以面向连续生产的过程控制为主，辅以顺序逻辑控制，构成的一个可以实现多种复杂控制方案的现场控制站；也可以是以顺序控制、连锁控制功能为主的现场控制站；还可以是一个对大批量过程信号进行总体信息采集的现场控制站。
现场控制站是一个可以独立运行的计算机检测控制系统。
由于它是专为过程检测、控制而设计的通用型设备，所以其机柜、电源、输入输出通道和控制计算机等，与一般的计算机系统有所不同。
现场控制站是DCS的核心，系统主要的控制功能由它来完成。
系统的性能、可靠性等
重要指标也都要依靠现场控制站保证，因此对它的设计、生产及安装都有很高的要求。
现
场控制站的硬件一般都采用专门的工业级计算机系统，其中除了计算机系统所必需的运算
器（即主CPU）、存储器外，还包括了现场测量单元、执行单元的输入/输出设备，即过程量
I/O或现场I/O。
在现场控制站内部，主CPU和内存等用于数据的处理、计算和存储的部分
被称为逻辑部分，而现场I/O则被称为现场部分，这两个部分是需要严格隔离的，以防止
现场的各种信号，包括干扰信号对计算机的处理产生不利的影响。
现场控制站内的逻辑部
分和现场部分的连接，一般采用与工业计算机相匹配的内部并行总线，如Multibus、VME、STD、ISA、PCI04、PCI和CompactPCI等。
由于并行总线结构比较复杂，用其连接逻辑部分和现场部分很难实现有效的隔离，成
本较高，很难方便地实现扩充，现场控制站内的逻辑部分和现场I/O之间的连接方式转向
了串行总线。
串行总线的优点是结构简单，成本低，很容易实现隔离，而且容易扩充，可以实现远
距离的I/O模块连接。
近年来，现场总线技术的快速发展更推进了这个趋势，目前直接使
用现场总线产品作为现场I/O模块和主处理模块的连接已很普遍，如CAN、Profibus、
Devicenet、Lonwrks及FF等。
由于DCS的现场控制站有比较严格的实时性要求，需要在
确定的时间期限内完成测量值的输入、运算和控制量的输出，因此现场控制站的运算速度
和现场I/O速度都应该满足很高的设计指标。
一般在快速控制系统（控制周期最快可达到
50ms）中，应该采用较高速的现场总线，而在控制速度要求不是很高的系统中，可采用较低
速的现场总线，这样可以适当降低系统的造价。
DCS系统中，控制站继承了DDC技术，它是一个完整的计算机，实际运行中可以在不与操作站及网络相连的情况下，完成过程控制策略，保证生产装置正常运行。
从计算机系统结构来说，控制站属于过程控制专用计算机，其特点是第一代采用8位微处理器，第二代采用16位微处理器，第三代采用32位微处理器，这对于中小型DCS控制器来说比较确切。
大型DCS控制站对中央处理器要求较高，必须为专用的处理器，准16位和准32位运算方式；第二代DCS控制站采用精减指令系统（ReducedInstructionSetComputer,RISC）；第三代DCS控制站采用多CPU分别用于控制运算、冗余切换、通信等操作。
控制站作为一个完整的计算机，它的主要I/O设备为现场的输入、输出处理设备，以及过程输入/输出（PI/O），包括信号变换与信号调理，A/D、D/A转换。
它在第二代和第三代产品中已陆续采用了嵌入式技术，并采用单片机等完成量程调整、远程I/O数据传输、小型化、减少PI/O卡硬件规格等功能，直至连接智能化的现场变送器或接受采用现场总线技术的数字信号。
在信号变换过程中采用隔离技术以防止来自现场的干扰信号，这是至关重要的；与现场连接的端子及输入、输出信号的物理位置的方便确认也是用户非常关心的。
这些在DCS控制站的更新换代中，都有很大改进。
在这方面，原来生产自动化仪表的厂家表现尤佳，所以说DCS是继承了自动化仪表技术的计算机系统。
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