DCS控制系统概述

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1、DCS发展概述

DCS是分布式控制系统的英文缩写(Distributed Control System)，在国内自控领域又称为集散控制系统。

集散控制系统(DCS)是一种以微处理器为基础的分散型综合控制系统，DCS系统综合了计算机技术、网络通讯技术、自动控制技术、冗余及自诊断技术，采用了多层分级的结构，适用现代化生产的控制与管理需求，目前已成为工业过程控制的主流系统。集散控制系统把计算机、仪表和电控技术融合在一起，结合相应的软件，可以实现数据自动采集、处理、工艺画面显示、参数超限报警、设备故障报警和报表打印等功能，并对主要工艺参数形成了历史趋势记录，随时查看，并设置了安全操作级别，既方便了管理，又使系统运行更加安全可靠。

DCS在控制上的最大特点是依靠各种控制、运算模块的灵活组态，可实现多样化的控制策略以满足不同情况下的需要，使得在单元组合仪表实现起来相当繁琐与复杂的命题变得简单。随着企业改革的高柔性、高效益的要求，以经典控制理论为基础的控制方案已经不能适应，以多变量预测控制为代表的先进控制策略的提出和成功应用之后，先进过程控制受到了过程工业界的普遍关注。

需要强调的是，广泛应用各种先进控制与优化技术是挖掘并提升DCS综合性能最有效、最直接、也是最具价值的发展方向。仪表技术向数字化、智能化、网络化方向发展工业控制设备的智能化、网络化发展，可以促使过程控制的功能进一步分散下移，实现真正意义上的“全数字”、 “全分散”控制。另外，由于这些智能仪表具有的精度高、重复性好、可靠性高，并具备双向通信和自诊断功能等特点，致使系统的安装、使用和维护工作更为方便。

DCS被誉为现代工业的“大脑”和“神经中枢”，国防武器装备、石油石化、核电、电网等很多重要领域，都要依靠它去指挥运转。然而，过去很长一段时间里，我国工业自动化控制系统被ABB、西门子、霍尼韦尔等国际巨头所垄断。当重要工业“大脑”受制于人，国家安全势必遭受极大威胁。

近年来，国际上电力网络攻击事件频发，造成设施损毁、大规模停电，甚至社会动荡。DCS是火电机组的“神经中枢”，其核心软硬件严重依赖欧美等国，存在重大安全隐患和断供风险，严重威胁我国电力生产安全。然而，目前我国核心元器件和基础软件产业仍处于起步阶段。实现DCS国产化，构建自主创新体系，是关系我国电力生产和国计民生重大战略选择。DCS国产化关键在于软硬件的国产化，核心在于电子元器件的自主研制与基础软件的内核全面自主可控。

国产品牌DCS起步较早。1981年开始我国企业开始逐步推广使用DCS。1985年是国产工控行业的起步之年，上海新华控制技术(集团)有限公司成立，主要深耕于火电控制行业。1993年，浙江中控技术股份有限公司（浙江中控）、南京科远自动化集团股份有限公司（科远自动化）、杭州和利时自动化有限公司（和利时）先后成立，分别推出了国产化DCS，拉开了我国DCS国产化的序幕。

目前国内发电行业所使用的DCS分为进口和国产品牌。进口品牌DCS主要有：EMERSON公司OVATION及WDPF系统、ABB公司SYMPHONY及AC800系统、西门子公司T2000及T3000系统、施耐德I/A'S系统和GE公司新华OptimumC系统等。国产品牌DCS有科远股份NT6000系统、国核自仪NuCONN200系统、国电智深EDPF-NT系统、上海新华TiSNetPAC系统、和利时HOLLiASMACS系统、浙江中控ECS-700系统和四方继保CSPA-2000系统等。

据不完全统计，进口品牌DCS在国内火电市场300MW、600MW、1000MW等级机组的占有率分别约为45%~50%、80%、75%，其中600MW等级机组大规模建设时国产品牌DCS尚不成熟，因此600MW机组进口DCS占有率高于1000MW。国产品牌DCS主要应用于300MW及以下机组，占比约50%左右，600MW及以上机组占比在20%~25%。

无论国产或合资品牌DCS，硬件方面，其使用的中央处理器（CPU）、模数转换器/数模转换器（ADC/DAC）、微控制单元（MCU）、现场可编程门阵列（FPGA）和千兆物理接口收发器（PHY）等核心元器件均采用进口产品，严重依赖国外厂商。软件方面，DCS上位机、下位机应用软件均具有自主知识产权，但其多基于进口操作系统自主开发，DCS上位机应用软件、现场总线软件基于Windows系统开发，控制器嵌入式操作系统、上位机桌面操作系统、数据库等关键软件须获国外厂商授权。

目前，已有多家生产厂家，通过自主可控系统研发，器件选择、测试、现场试用，不断的筛选迭代，逐步完成了元器件的国产化替代，控制系统软件向Linux平台的迁移，实现了软件的全部自主可控。

DCS集散控制系统一般由五部份构成：控制器；I/0板；操作站；通讯网络；图形及编程软件，以下分别进行介绍：

1. 控制器：DCS集散控制系统的控制器主要由CPU、ROM、RAM、E2PROM、地址设定开关等部件组成。Cpu既中央处理器，主要功能有：程序控制、操作控制、时序控制、数据加工，是DCS控制器的大脑；ROM、RAM、E2PROM三者都是内存，区别在功能上不同。ROM是只读内存，RAM可随机读写，而串行E2PROM是可擦除可写入的存储器，三者视功能选择；地址设定开关有很多种，比如像光地址设定开关、无线遥控地址设定开关、流量设定开关等，视功能选择不同的地址开关。
2. I/O板：I/O是input/output的缩写，即输入输出端口。I/O板有很多通信端口，像我们常用的RS485、RS232、RJ45、USB等通信端口。每个设备都有一个专用的I/O地址，用来处理输入输出信息。I/O板时是不可或缺的用来处理输入输出信息的功能模块。
3. 操作站：DCS集散控制系统的操作站位于控制站的上层，通过数据通信与下位机各站点交换信息。操作站的人机界面都配有全局图画和局部画面。它便于工作人员对生产过程从全局到局部的集中监控和操作。根据用户的设计需求来设计方便工作人员管理的流程图。
4. 通讯网络：DCS系统的通讯网络是建立在计算机技术和和网络通讯技术的基础之上的，是DCS集散控制系统的重要支柱。DCS网络以网络节点为最小单位，源节点对数据进行编码，通过传输介质(像光纤、双绞线的通讯电缆)传输到目标节点。因此传输介质、通讯协议和网络结构三者对DCS通讯网络的构成起主导作用。
5. 图形及编程软件：DCS传统的上位机控制界面系统一般都是用图形化编程软件来实现的，每种编程软件都有自己的功能模块和图库，如FIX7.0来对工艺流程来进行编程组态。

DCS系统的特点：

1. 高可靠性：因DCS系统基于多台计算机控制，且系统架构采用了硬件冗余，网络容错设计，即使某个硬件出现故障，系统也能在ms级恢复，不会影响系统的正常运行。
2. 开放性：因DCS系统采用开放式，标准化，模块化，网络化设计，当需要增加或者改变一些功能时，可以通过增改硬件配置的方式实现要求。
3. 灵活性：当控制要求变更时，可以通过编程软件实现各种逻辑控制，复杂的算法，图形化显示等功能要求。
4. 控制功能强大：DCS系统的控制算法丰富，具有多种PID控制功能，如串级控制，前馈控制等，支持高级语言，可以编写更为复杂的算法。

2、DCS结构组成

DCS的主要特点归结为一句话就是“集中管理，分散控制”。

DCS通常采用若干个控制器（过程站）对一个生产过程中的众多控制点进行控制，各控制器间通过网络连接并可进行数据交换。生产控制操作采用计算机操作站，通过网络与控制器连接，收集生产数据，传达操作指令。

对于DCS系统的组成方式我将它分成三级，第一级是现场级，第二级是控制级，第三级是操作级，其中还有一个比较重要的组成就是通讯，通讯贯穿整个系统，从一到三，哪一个级别都缺少不得。

现场级：现场级主要是现场的仪表及相应的执行机构，组建DCS系统的目的就是实现生产过程的自动化，那么就需要对很多的生产参数进行实时监控，如温度、压力、流量、液位等等，并对一些执行机构进行控制，如调节阀，开关阀，各种循环泵。现场级的作用就是采集这些设备的实时参数，并将这些参数反馈给控制级，对于现场级来说，就相当于我们的眼睛和手，收集并执行。

过程控制级：主要由过程控制器、I/O组件和现场仪表组成，是系统控制功能的主要现场实施部分。过程控制级就是相当于整个DCS系统的核心了，是一个完整的计算机系统由电源、CPU、网络接口、各种模块组成。过程控制站的网络接口是同上一级的操作员站和工程师站的连接通道。操作员的操作控制信息和工程师站的组态程序都是通过这一通道发送到过程控制站，过程控制站收集整理的现场数据也是通过这一通道传递到操作员站上。过程控制站同I/O模块之间通过内部总线连接。

过程控制级将现场级传送过来的数据进行解析，并通过系统内部的相应程序给出相应的控制方式，可以说，控制级就相当于我们的大脑，需要对我们所看到的信息进行处理，然后将想做的事情通过神经传送给我们的手脚，也就是说，接收现场级的信息，进行计算，再输出给现场级的执行机构。

操作维护级：包括操作员站，工程师站，以及数据维护站，完成系统的操作，组态，以及数据的存储。操作级实际上也可以叫做上位机，对于系统的处理结构，我们需要通过相应的组态软件，实时的查看，同时我们有很多人为控制的设备，比如手动开关某个阀门，或者手动启动某些循环泵，这都是需要我们操作员在电脑组态软件上进行操作的。

操作级可以分为多个的权限对系统的操作级别进行限制，有操作员级别，一台用于操作、监视、报警、趋势显示、记录和打印报表的PC机。操作员站通常装有操作软件以完成上述功能，并且是通过以太网同过程控制站相连。另一种就是工程师级别，一台用于组态过程控制软件，诊断、监视过程控制站运行情况，供DCS工程师开发、测试、维护DCS系统使用的计算机。工程师级别的权限可以进到系统的核心，更改系统的控制方式等等。

管理层级：主要是指工厂管理信息系统（MIS系统），企业资源计划即ERP（Enterprise Resource Planning），作为DCS更高层次的应用。

3、上位机与下位机

DCS系统“集中-分散（集散）系统”是指上位机集中、下位机分散的系统。 这里又有一个概念上位机和下位机，什么是上位机和下位机呢？

在工业自动化中，plc和工控机是人们最常用的两种控制设备,它们是自动化系统的基本设备。plc是一种专门设计、通用、易于使用的顺序控制设备。IPC是一种基于PC总线的增强型工业计算机，可作为工业控制器，在工业环境中可靠地运行，如西门子的ipc工业控制机等。

PLC和工控机各自的定位不同。PLC适合低成本自动化项目和作为大型DCS系统的I/O站，工控机在中规模小范围自动化工程中有很好的性能价格比。

一般理解的上位机就是工控机，运行组态软件，监控控制系统。组态就是搭建系统软件和硬件环境，再简单地说，组态就是用已有的简单功能组合出更复杂的功能。而下位机一般都是PLC，也可以是DSP或者智能仪表。上位机组态偏重GUI（图形用户界面），下位机组态偏重算法。上下位机都需要编程，都有专门的开发系统。

上位机是指人可以直接发出操控命令的计算机，一般是PC，屏幕上显示各种信号变化（液压，水位，温度等）。下位机是直接控制设备获取设备状况的的计算机，一般是PLC/MC单片机之类的，从而控制相关设备的元件和驱动装置。

上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。下位机不时读取设备状态数据（一般模拟量），转化成数字信号反馈给上位机。

另外下位机是接收到主设备命令才执行的执行单元，即从设备。但是下位机也能直接智能化处理测控执行，而上位机不参与具体的控制、仅仅进行管理（数据的储存、显示、打印......人机界面等方面）。

简而言之，上位机包括操作员站、工程师站、历史站等，国产化采用中国电子长城计算机/服务器，搭载麒麟操作系统。下位机由系统控制器、I/O模件等组成的。

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