工业自动控制的DCS分散控制系统，关于DCS很全面的介绍

时间：2022-02-20作者：陕西华伟达自动化系统工程有限公司浏览：361

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目前，在连续工艺生产中自动控制（PA）或者习惯称之为工业过程控制，有三个控制系统，即DCS(分散控制系统)，PLC(可编程逻辑控制器)和FCS（现场总线控制系统）。

什么是DCS

   

DCS集散控制系统(Distributed Control System)它是一20世纪70年代中期开发的基于微处理器的分散计算机系统。它是一种控制技术（Control）、计算机技术（Computer）、通信技术（Communication）、图形显示(Display)结合产品．该装置是一种全新的分布式计算机控制系统，利用计算机技术集中监控、操作、管理和分散生产过程。

DCS的特点

DCS它是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合的产物。DCS生产过程中的许多控制点通常由几个控制器（过程站）控制，每个控制器通过网络连接，并可以进行数据交换。操作采用计算机操作站，通过网络连接到控制器，收集生产数据，传达操作说明。DCS其主要特点是：分散控制集中管理。

分级递阶控制系统

在垂直和水平方向都是分级的。

较简单的DCS系统至少在垂直方向上分为两个级别，即操作管理级别和过程控制级别。在水平方向上，每个过程控制级别之间都是相互协调的级别。它们将数据交付到操作管理级别，并接收操作管理级别的指令，并在每个级别之间进行数据交换。DCS系统越大，垂直方向和水平方向的分级范围就越广。

分级递阶控制系统的优点是每个分级都有自己的分工范围，相互协调，通常由上一级完成。

分散控制

分散是DCS一个重要特征。

分散的意义不仅仅是分散控制，还有其他意义。如区域分散、功能分散、设备分散、危险分散等。分散的目的是分散危险，提高设备的利用率。

自治与协调

DCS每个组成部分都是自体系，完成各自的功能，相互联系，数据和信息相互交换，各种条件相互限制，在系统的协调下工作。

分散过程控制装置完成数据采集、信号处理、计算和数据输出。操作管理装置完成数据显示、操作监控和操作信号发送。通信系统完成操作管理装置与分散过程控制装置之间的通信。

分散的基础是分散的系统是自治的系统；分级系统是协调的。

DCS的基本结构

CS控制系统包括分散过程控制装置、操作管理装置、数据通信系统。

分散过程控制装置

它是集散控制系统与生产过程之间的界面。生产过程中的各种变量通过分散控制装置转换为操作监控数据，操作中的各种信息也通过分散控制装置发送给执行机构。在分散控制站设备中，模拟量和数字量相互转换，完成控制算法的各种操作，过滤输入输出相关的软件和其他操作。

操作管理装置

它是操作人员与配送控制系统之间的界面。操作人员通过操作管理装置了解生产过程的运行情况，并向生产系统发出操作指令。生产过程中的各种参数显示在操作管理装置上，方便操作人员监控和操作。

包括操作员站和工程师站，完成系统的操作和组态。以及工厂管理信息系统（MIS系统)，这是DCS更高层次的应用。

数据通信系统

完成分散控制装置与操作管理装置之间的数据传输和交换，使其连接成一个整体。通信网络有几种不同的结构模式。如总线、环形和星形。总线在逻辑上也是环形的。星形只适用于小系统。无论是环形还是总线形，通常都是广播。其他协议使用较少。通信网络的速度为10M和100M左右。

部分配送控制系统在配送控制装置中增加了现场级控制装置和现场总线通信系统；一些配送控制系统在操作管理装置中增加了综合控制装置和相应的通信系统。但从总体结构来看，它由这三个部分组成。

DCS集散控制系统的硬件组成

1、控制站

控制站包括现场控制站和数据采集站。**柜、电源、计算机控制等部件。

现场控制单元的主要任务是收集和处理数据，实现闭环反馈控制、顺序控制和批量控制。

用户可以根据不同的应用程序需求选择配置不同的现场控制单元成现场控制站。现场控制站主要面向连续生产过程控制，辅以顺序逻辑控制，形成现场控制站，可实现各种复杂的控制方案；现场控制站主要具有顺序控制和联锁控制功能；构成大批量过程信号的整体信息收集。

2、操作站

DCS 操作站一般分为操作员站和工程师站。

工程师站主要是技术人员和控制系统的人机接口，可以监控应用系统。工程师站通过组态软件实现用户所需的各种控制策略，为用户提供了灵活、功能齐全的工作平台。一些小的DCS工程师站可以用操作员站代替。

操作站的主要设备包括操作台、微处理系统、外部存储设备、图形显示设备、操作键盘和鼠标、打印输出设备。

DCS的软件系统

包括组态软件、控制层软件和监控软件

(1)组态软件:

安装在工程师站。完成系统控制层软件和监控软件的组态功能。

根据实际生产过程控制的需要，提前控制DCS为完成特定任务，组织提供的硬件设备和软件功能模块。要做的组态主要包括:硬件配置、数据库组态、控制算法组态、流程显示和操作图片组态、报表组态、编译和下装

(2)控制层软件：

特指运行于现场控制站的控制器中的软件，针对控制对象，完成控制功能。

其基本功能：I/O数据采集、数据预处理、数据组织管理、控制操作I/O输出数据。

(3)监控软件

指操作员站或工程师站上的软件，主要完成操作人员发出的各项命令的执行、图形和图片的显示、报警信息的显示和现场各种检测数据的集中处理。

DCS和PLC两者有什么区别？

基本采用先进的大中型过程控制PLC和DCS主，包括将DCS概念拓展的FCS。目前，新的DCS与新型的PLC，都有向对方靠拢的趋势。DCS顺序控制功能强；新型PLC，闭环控制还不错，两者都可以形成大型网络，DCS与PLC适用范围，已有很大的交叉。

我们之前介绍过PLC，自控系统发展至今，DCS和PLC两者之间没有严格的界限大多数人看来，大系统是DCS，小系统叫PLC。现在我们就这两个来找区别：

1.发展起源

DCS从传统的仪表盘监控系统开发。DCS先天性更注重仪器的控制，比如我们用的YOKOGAWA CS3000 DCS甚至没有系统PID数量的限制（PID,比例微积分算法是调节阀和变频器闭环控制的标准算法PID调节阀的数量决定了可用的数量)。

PLC从传统的继电器电路发展而来，较初PLC因此，没有模拟量的处理能力，PLC逻辑操作能力从一开始就被强调。

2.系统的可扩展性和兼容性

无论市场上有多少控制产品，无论么DCS还是PLC，均有很多厂商在生产和销售。对于PLC就系统而言，由于扩展的需求一般不是或很少，因此PLC该系统通常用于设备。一般来说，PLC也很少有兼容性要求，比如两个或两个以上的系统需要资源共享PLC也很难。PLC一般采用西门子等特殊网络结构MPI总线网络，甚至增加一个操作员站都不容易或成本高。

DCS在发展过程中，制造商也有自己的系统，但大多数制造商DCS横河、YOKOGAWA、霍尼维尔、ABB等等，虽然系统内部（流程级）的通信协议不同，但操作级网络平台选择了标准或变形的以太网络TCP/IP协议。这提供了一个非常方便的可扩展性。在这个网络中，控制器和计算机作为节点存在，只要网络到达，节点的数量和位置就可以随意增加或减少。此外，基于windows系统的OPC、DDE在开放协议中，各系统也可以方便地通信，实现资源共享。

3、数据库

DCS统一提供统一的数据库。换句话说，在DCS一旦系统中的数据存在于数据库中，可以在任何情况下引用，如组态软件、监控软件、趋势图和报告……而PLC该系统的数据库通常不统一，组态软件、监控软件甚至归档软件都有自己的数据库。为什么经常说西门子S7400到414以上才叫DCS？因为西门子PCS7系统使用统一的数据库，PCS7要求控制器至少到S7 414-3以上型号。

4、时间调度

PLC的程序一般不能按事先设定的循环周期运行。PLC程序从头到尾执行一次，然后从头开始执行。(现在有一些新的。PLC但任务周期的数量仍然有限。DCS设置任务周期。例如，快速任务等。压力传感器的变化时间很短，我们可以使用200ms我们可以使用2的任务周期采样，温度传感器滞后时间很长s的任务周期采样。这样，DCS控制器的资源可以合理调度。

5、网络结构

一般来讲，DCS通常使用两层网络结构，一层是过程级网络，大部分是DCS使用自己的总线协议，如横河协议Modbus、西门子和ABB的Profibus、ABB的 CAN bus这些协议都是基于标准串口传输协议RS232或RS在485协议的基础上。IO模块，特别是模拟采样数据(机器代码，213/扫描周期)非常庞大，现场干扰因素较多，应采用数据吞吐量大、抗干扰能力强的网络标准。RS485串口异步通信总线结构符合现场通信要求。IO采样数据经CPU转换后变为整形数据或实形数据，在操作级网络（*二层网络）上传输。因此操作级网络可以采用数据吞吐量适中、传输速度快、连接方便的网络标准，同时因操作级网络一般布置在控制室内，对抗干扰的要求相对较低。因此采用标准以太网是较佳选择。TCP/IP一般来说，我们使用100个标准以太网协议Mbit/s通信速度。

PLC系统的工作任务比较简单，所以需要传输的数据量一般不会太大，所以很常见PLC该系统是一层网络结构。过程级网络和操作级网络要么合并，要么简化成模块之间的内部连接。PLC以太网很少使用。

6.应用对象的规模

PLC一般用于小型自控场所，如设备控制或少量模拟控制和联锁，大型应用一般用于DCS。当然，这个概念不是很准确，但很直观。习惯上，我们称600点以上的系统为DCS，小于这个规模叫做PLC。我们的热泵和QCS、横向产品配套控制系统一般称为PLC。

   PLC与DCS今天，事实上，他们都在互相靠近。严格地说，现在PLC与DCS不能一刀切开，很多时候之间的概念已经模糊了。

*四代DCS系统

受信息技术（网络通信技术、计算机硬件技术、嵌入式系统技术、现场总线技术、各种组态软件技术、数据库技术等）的影响，以及用户对先进控制功能和管理功能需求的增加DCS厂商以Honeywell(霍尼韦尔)，Emerson(艾默生)，Foxboro横河(福克斯波罗)ABB为代表纷纷提升DCS该系统的技术水平不断丰富其内容。

*四代DCS较重要的标志是两个I开头的单词：Infor ** tion（信息）和Integration（集成）。

*四代DCS的体系结构

*四代DCS系统结构主要分为现场仪表层、控制装置单元层、工厂(车间)层和企业管理层四层。

一般DCS制造商主要提供以下三层功能，而企业管理层通过提供开放的数据库接口连接第三方管理软件平台（ERP、CRM、SCM等等。所以今天DCS主要提供工厂（车间）级的所有控制和管理功能，整合全企业的信息管理功能。

*四代DCS技术特点

（1）DCS充分体现信息化和集成化

信息和集成的基本描述DCS系统正在发生变化。我们可以收集整个工厂车间和过程的信息和数据。用户希望这些大量的数据能够以适当的方式反映出来，并帮助决策过程，以便用户能够的地方获得他真正需要的数据。

信息化体现在各个方面DCS该系统不再是一个基于控制功能的控制系统，而是一个充分发挥信息管理功能的综合平台系统。DCS从现场到设备，从设备到车间，从车间到工厂，从工厂到企业集团。这些信息充分反映了全面性、准确性、实时性和系统性。基本上大部分DCS提供过去的常规DCS功能、SCADA功能以及MES（制造执行系统）的大部分功能。与ERP不同，MES它汇集了相关的硬件或软件组件，用于管理和优化从订单到成品生产活动的整个过程和使用实时准确的制造信息导、传授、响应并报告车间发生的各项活动，同时向企业决策支持过程提供有关生产活动的任务评价信息。MES的功能包括车间的资源分配、过程管理、质量控制、维护管理、数据采集、性能分析及物料管理。

DCS的集成性则体现在两个方面：功能的集成（如上面所述）和产品的集成。过去的DCS厂商基本上是以自主开发为主，提供的系统也是自己的系统。当今的DCS厂商更强调系统的集成性和解决方案能力，DCS中除保留传统DCS所实现的过程控制功能之外，还集成了PLC（可编程逻辑控制器），RTU（远程终端设备），FCS（现场总线），各种多回路调节器，各种智能采集或控制单元等。此外各DCS厂商不再把开发组态软件或制造各种硬件单元视为核心技术，而是纷纷把DCS的各个组成部分采用第三方集成方式或OEM方式。

（2）DCS变成真正的混合控制系统

过去我们区分DCS和PLC主要通过被控对象的特点（过程控制逻辑控制）来进行划分。但是，*四代的DCS已经将这种划分模糊化了。几乎所有的*四代DCS都包容了过程控制、逻辑控制和批处理控制，实现了混合控制。这也是为了适应用户的真正控制需求。因为，多数的工业企业绝不能简单地划分为单一的过程控制和逻辑控制需求，而是由过程控制为主或逻辑控制为主的分过程组成的。我们要实现整个生产过程的优化，提高整个工厂的效率，就必须把整个生产过程纳入统一的分布集成信息系统。

（3）DCS包含FCS功能并进一步分散化

过去一段时间，一些学者和厂商把DCS和FCS（现场总线控制系统）对立起来。其实，真正推动FCS进步的仍然是世界主要几家DCS厂商。所有的*四代DCS都包含了各种形式的现场总线接口，可以支持多种标准的现场总线仪表、执行机构等。此外，各DCS还改变了原来机柜架式安装I/O模件、相对集中的控制站结构，取而代之的是进一步分散的I/O模块（导轨安装），或小型化的I/O组件（可以现场安装）或中小型的PLC。

（4）DCS已经走过高技术产品时代，进入低成本时代。配置灵活，适应各种系统应用。

DCS在上世纪九十年代还是技术含量高、应用相对复杂、价格也相当昂贵的工业控制系统。随着应用的普及， DCS已经变成大家熟悉的，价格合理的常规控制产品。*四代DCS的另一个显著特征就是各系统纷纷采用现成的软件技术和硬件（I/O处理）技术，采用灵活的规模配置，大大降低系统的成本与价格。 *四代DCS不仅经济地应用于大中型系统，而且应用于小系统也很合适。

（5）DCS平台开放性与应用服务专业化

二十年来，工业自动化界讨论非常多的一个概念就是开放性。过去由于通信技术的相对落后，开放性是困扰用户的一个重要问题。 而当代网络技术、数据库技术、软件技术、现场总线技术的发展为开放系统提供了可能。各DCS厂家竞争的加剧，促进了细化分工与合作，各厂家放弃了原来自己独立开发的工作模式，变成集成与合作的开发模式，所以开放性自动实现了。

*四代DCS全部支持某种程度的开放性。开放性体现在DCS可以从三个不同层面与第三方产品相互连接：在企业管理层支持各种管理软件平台连接；在工厂车间层支持第三方先进控制产品、SCADA平台、MES产品、BATCH处理软件、同时支持多种网络协议（以太网为主）；在装置控制层可以支持多种DCS单元（系统）、PLC、RTU、各种智能控制单元等以及各种标准的现场总线仪表与执行机构。

值得注意的是开放性的确有很多好处，但是在考虑开放性的同时，首先要充分考虑系统的安全性和可靠性，因为，生产过程的故障停车或事故造成的损失可能比开放性选择产品所节省的成本要高得多。

一直以来DCS的重点在于控制，它以“分散”作为关键字。但现代发展更着重于全系统信息综合管理，今后“综合”又将成为其关键字，向实现控制体系、运行体系、计划体系、管理体系的综合自动化方向发展，实施从较底层的实时控制、优化控制上升到生产调度、经营管理，以至较高层的战略决策，形成一个具有柔性、高度自动化的管控一体化系统。


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