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(fù)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?？刂戚敵瞿K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(fù)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。總的來說，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(dǎo)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(yù)測控制算法是通過預(yù)測模型預(yù)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)?？刂啤⒛Ｐ退惴刂?、動態(tài)矩陣控制等。目前，實用預(yù)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(yù)測控制器等等。這類預(yù)測控制器不是單純把卡爾曼濾波器置于以往預(yù)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。可見，現(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罉藴剩黄浯?，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(fù)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。