自动化分散控制系统概述及其应用情况

李宝泉

LI Bao-quan

（吉林工业职业技术学院，吉林 132013）

0 引言

分散控制系统是在计算机监督控制系统、直接数字控制系统和计算机多级控制系统的基础上发展起来的，是生产过程的一种比较完善的控制与管理系统。在分散控制系统中,按地区把微处理机安装在测量装置与控制执行机构附近，将控制功能尽可能分散，管理功能相对集中。这种分散化的控制方式能改善控制的可靠性，不像在直接数字控制系统中那样，会由于计算机的故障而使整个系统失去控制。当管理级发生故障时，过程控制级控制回路仍具有独立控制能力，个别控制回路发生故障时也不致影响全局。相对集中的管理方式有利于实现功能标准化的模块化设计。与计算机多级控制系统相比，分散控制系统在结构上更加灵活、布局更为合理和成本更低。随着工业自动化技术的迅速发展，综合自动化控制系统的水平在不断提高从单机控制发展到分布式控制系统(DCS)。随着可编程控制器(PLC)性能不断完善,在DCS中得到了广泛的应用。

1 DCS的组成结构

1.1 DCS概述

DCS(Distributed Control System)即分布式控制系统，也就是常说的分散控制系统。当前DCS是结合了各类控制功能的完整系统，是目前应用最广泛，结构先进，性能高，功能完整的控制系统。

1.2 控制系统概述

控制是日常生活中经常接触到的问题，按工业生产过程变量的时间连续性和幅度连续性，工业生产的典型过程可分为三种：连续控制(ContinuousProcess)、离散过程(Discrete Process)和批量过程(Batch Process)。连续过程指的是这样一种工业过程：其产品一般都是流体的，如液体、气体等，过程的输入输出变量为时间连续和幅度连续的量，并且过程一旦建立，只生产一种产品。连续过程的变量一般是温度、压力、流量、质量及液位等。与连续过程相对应，离散过程指的是这样一种工业过程其产品是“固态“的、按件计量的，过程的输入输出变量为时间离散和幅度离散的量,如产品的数量、开关的状态等。批量过程，指的是一种间歇性多品种生产过程，即利用同样的生产装置,在不同的时间段,根据不同的配方和生产工艺生产出不同的产品。一个完整的生产过程,一般都是连续过程和离散过程的组合，批量过程中一般也包含有离散过程。

1.3 控制系统的基本组成

在一个控制系统中,必不可少的组成部分有三个：被控对象、设备或装置、人。其中控制装置是控制系统的核心，所以控制作用都是由控制装置实现的，一个控制系统能否顺利地实现其控制目标，完成复杂的控制功能，主要看控制装置是否稳定可靠并具有优异的性能。因此，人们在控制装置的研究方向上给予了巨大投入，而且，随着生产效率的不断提高，生产规模的不断扩大、产品质量要求的不断提高，控制装置的作用越来越显得重要,在某些情况下甚至超过了生产设备，因为在使用同样生产设备的情况下，通过改进控制装置就可实现生产效率和产品质量的提高。由于控制装置的重要性，在很多场合，人们不再以被控对象、控制装置和人这三部分的总和作为控制系统的定义，而是直接将控制装置定义为控制系统，即认为控制系统是由围绕实施控制所必须的测量、计算及执行等各个环节所组成的。这实际上是对直接控制系统的定义，而有人参与的控制则被定义为监督控制系统。

1.4 控制系统的人机界面

控制系统作为一个整体，人必须是控制系统的一个最重要的组成部分，从数学模型的推导、建立并预先设置在运算处理装置中，以便在线运行时实现控制功能，到直接参与控制系统的在线运行，对运算过程处理装置不能自动进行处理的控制问题，实施操作与调节或为运算处理装置给出设定值，都需要人的参与。而为了便于人了解被控对象的运行状态并进行人工的操作与调节，控制系统还必须提供人机界面。在任何一个控制系统中，人机界面都是必不可少的重要组成部分。人机界面包括测量值的显示，计算参数的显示，人工操作设备（如按钮、调节手柄等），还有对运算处理装置进行设定和控制算法预置的设备等。

1.5 DCS的基本构成

一个最基本的DCS包括四大部分：现场控制站，操作员站，工程师站和系统网络组成。除了上述四个基本的组成部分之外，还可包括完成某些专门功能的站、扩充生产管理和信息处理功能的信息网络，以及实现现场仪表、执行机构数字化的现场总线网络等。1）操作员站。操作员站主要完成人机界面的功能，一般采用通用计算机系统，如图形工作站或个人计算机等。2）现场控制站。现场控制站是DCS的核心，系统主要的控制功能由它来完成，同时要保证系统的性能与可靠性。现场控制站的硬件一般都采用专门的工业级计算机系统组成。为防止现场的信号对控制站的干扰，要隔离现场的计算机系统与现场的I/O单元。应用现场总线技术连接现场的I/O单元与主处理模块。3）工程师站。工程师站对DCS进行应用组态，主要是包括控制输入与输出量的定义，控制回路算法的设计，管理与控制人机界面，数据的记录与报表的定义等。4）系统网络。用于连接系统的各个站点，解决不同站点之间数据的传输，同时保证系统的实时性与可靠性。初期很多厂家设计了不同类型的网络，随着以太网的推出，许多厂家均采用该网络作为工业标准网络。5）现场总线网络。现场总线网络将传统的模拟式仪表的变送单元与执行单元之间传输的模拟信号变成数字信号，从而实现了系统与现场设备之间的计算机网络连接。6）高级管理网络。随着技术的发展，DCS已经从最初的底层控制功能，发展成为集数据采集、监督控制、生产管理与一体的综合监控自动化系统。

1.6 DCS软件

DCS软件主要是包括现场控制站软件、操作员站软件与工程师站软件，以及用于连接各个站点之间的网络软件。现场控制站上的软件主要完成各种控制功能,包括回路控制、逻辑控制、顺序控制以及这些控制所必须的现场I/O处理；操作员站上的软件主要完成运行操作人员所发出的各个命令的执行、图形与画面的显示、报警的处理、对现场各类检测数据的集中处理等；工程师站软件则主要完成系统的组态功能和系统运行期间的状态监视功能。

1.7 DCS物理结构与硬件构成

1）现场控制站的物理结构及其硬件构成。现场控制站主要是包括过程量I/O输入输出模块、主控模块、电源、通信网络设备及现场信号电缆相连接的端子排等部件；2）网络的物理结构及网络硬件。在网络硬件方面，包括网络线、网络接口板、网络连接器、集线器、交换器、路由器、重复器与网关及网桥等设备。

2 DCS在电力工程中的应用概况

2.1 DCS在主控系统中的应用

整个控制系统按功能分为数据采集系统、模拟量控制系统、旁路控制系统、炉膛安全监控系统、顺序控制系统、电气量监视控制系统,其中旁路控制系统纳入MCS控制范围。随主机设备供货的汽轮机数字电液控制系统(DEH)给水泵用小汽轮机数字电液控制系统(MEH)与DCS采用相同的硬件设备，网络配置和操作员站采用一体化设计。

2.2 系统的硬件

系统主要由工程师站、运行员操作站、网络交换机、控制处理机以及I/O卡件组成。分散控制系统主要包括：1）应用处理机。作为处理机站，它主要完成计算和管理功能。作为文件服务器站，它们处理来自文件服务器站本身或其他站的文件请求，同时为应用处理机进行存储服务。应用处理机和其他系统站协调工作，提供了数据输入输出和操作员接口的必要手段；2）工作站处理机。操作站处理机和与它连接的外部设备一起，在用户和所有系统功能之间提供一个界面，即作为系统站和操作员之间的接口。它从用于处理机和其它系统站接受图形和文本信息并产生视频信号，在视频监视器上显示；3）控制处理机。可与I/O现场总线组件和设备相连，完成控制功能。它是一个可选的容错站，和与它相连的现场总线组件一起,可按组态好的控制方案对过程进行控制。它可实现连续控制、梯型逻辑控制和顺序控制等功能。完成数据采集、检测、报警和传送信息的功能；4）现场总线组件。现场总线组件是现场传感器执行器与控制处理机的接口，可连接到运行I/O Series系列的综合控制软件的控制处理机或PC机上。对现场设备使用的电气输入/输出信号进行适当地转，使得通过现场总线能与这些装置通讯。现场总线组件可与控制处理机或PC机一起就地安装,也可安装在远程的地方。

2.3 应用系统的软件描述

现场MSC设计的一般原则：1）火电厂热工控制信号主要是一些模拟信号，根据信号的特点和工程的实际需要，进行惯性滤波处理，以减少干扰信号对控制的影响；2）跟踪、无扰切换、方向闭锁、防积分饱和功能；3）多控制输出平衡回路设计。为了实现多个控制驱动装置投自动时的无扰，在控制总量一定的情况下，一路控制输出变化时，其余控制输出能自动调整以保证控制总量的不变，多控制输出系统为达到优良的控制品质，需要有满足要求的多输出平衡回路；4）超驰控制功能。MSC系统中的超驰控制功能实现在特殊的情况下，切断调节器的正常输出，自动将控制输出切换到预设值，而调节器转为跟踪状态，当超驰控制消失时，调节器恢复正常工作。对于安全保护的超驰控制,要求优先级高于正常自动和手动操作。

3 结束语

本文阐述了DCS的发展概况，体系结构（软硬件结构,网络结构）等内容。还结合实际工程项目分析了系统应用情况，并且从硬件和软件方面进行了详细的描述，通过 本文的阐述表明系统的优化检修需要一种先进的设备管理模式，而且在电力行业中具有一定的推广空间。但是也可以认识到它的推行依赖于对设备状态的掌握和积累，依赖于各种相关先进的应用和完善。从以上研究成果看，熟悉DCS系统各方面情况的基础，基本达到了对系统的研究效果,同时通过具体应用角度对其有了进一步研究，为其进一步改造和发展提供理论依据和实际经验。

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