分布式控制系統DCS研究

摘 要:分布式控制系統DCS是由過程控制級和過程監控級組成的以通信網絡為紐帶的多級計算機系統。本文主要闡述了DCS的發展史，結構，特點，優缺點，以及DCS的維護管理與故障處理原則。

關鍵詞:DCS結構 特點 維護管理 故障處理

中圖分類號:TP2文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)04(c)-0124-01

DCS是分布式控制系統的英文縮寫(Distributed Control System)，在自控行業又稱之為集散控制系統。即所謂的分布式控制系統，是相對于集中式控制系統而言的一種新型計算機控制系統，它是在集中式控制系統的基礎上發展、演變而來的。它是一個由過程控制級和過程監控級組成的以通信網絡為紐帶的多級計算機系統，綜合了計算機，通信、顯示和控制等技術，基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活以及組態方便。

1 DCS的發展歷史

DCS從1975年問世以來，經歷三次變革，20世紀70年代是專用的，由各DCS廠家自己開發的，也沒有動態流程圖，通訊網絡基本上都是輪詢方式的;80年代為通訊網絡較多使用令牌方式;90年代操作站出現了通用系統，90年代末通訊網絡有部分遵守TCP/IP協議，有的開始采用以太網。總的來看，變化主要體現在Ｉ／Ｏ板、操作站和通訊網絡。控制器相對來講變化要小一些。操作站主要表現在由專用機變化到通用機，如PC機和小型機的應用。目前它的操作系統一般采用UNIX，也有小系統采用NT，相比較來看UNIX的穩定性要好一些，NT則有死機現象。I/O板主要體現在現場總線的引入DCS系統。

2 DCS的結構

2.1 從結構上劃分，DCS包括過程級、操作級和管理級

過程級:主要由過程控制站、I/O單元和現場儀表組成，是系統控制功能的主要實施部分。

操作級:包括操作員站和工程師站，完成系統的操作和組態。操作站是局域網上的一個節點，具有兩個處理器的高性能操作站。是DCS系統的主要人機接口，具有獨立的電子單元，并且可互為備用，能滿足操作人員，管理人員，系統工程師及維護人員的各種工作。

管理級:主要是指工廠管理信息系統(MIS系統)，作為DCS更高層次的應用。

2.2 DCS的控制程序

DCS的控制決策是由過程控制站完成的，所以控制程序是由過程控制站執行的。

2.3 過程控制站的組成

DCS的過程控制站是一個完整的計算機系統，主要由電源、CPU(中央處理器)、網絡接口和I/O組成。

I/O:控制系統需要建立信號的輸入和輸出通道，這就是I/O。DCS中的I/O一般是模塊化的，一個I/O模塊上有一個或多個I/O通道，用來連接傳感器和執行器(調節閥)。

I/O單元:一個過程控制站是有幾個機架組成，每個機架可以擺放一定數量的模塊。CPU所在的機架被稱為CPU單元，同一個過程站中只能有一個CPU單元，其他只用來擺放I/O模塊的機架就是I/O單元。

3 DCS的特點

3.1 高可靠性

由于DCS將系統控制功能分散在各臺計算機上實現，系統結構采用容錯設計，因此某一臺計算機出現的故障不會導致系統其它功能的喪失。此外，由于系統中各臺計算機所承擔的任務比較單一，可以針對需要實現的功能采用具有特定結構和軟件的專用計算機，從而使系統中每臺計算機的可靠性也得到提高。

3.2 開放性

DCS采用開放式、標準化、模塊化和系列化設計，系統中各臺計算機采用局域網方式通信，實現信息傳輸，當需要改變或擴充系統功能時，可將新增計算機方便地連入系統通信網絡或從網絡中卸下，幾乎不影響系統其他計算機的工作。

3.3 靈活性

通過組態軟件根據不同的流程應用對象進行軟硬件組態，即確定測量與控制信號及相互間連接關系、從控制算法庫選擇適用的控制規律以及從圖形庫調用基本圖形組成所需的各種監控和報警畫面，從而方便地構成所需的控制系統。

4 DCS的優點與缺點

4.1 優點

DCS與常規儀表相比具有功能豐富、系統可靠性高、集中監視、操作和管理、性價比高、安裝工作量小、硬件結構采用積木式、控制方案易于修改等優點。

4.2 缺點

作為一項比較成熟的工程技術，DCS在全世界范圍內取得了巨大成功，但隨著時代的進步，各種新技術的推陳出新，人們對DCS 的要求也日益苛刻，所以DCS 逐漸呈現出一些不足，如系統接線工作特別繁重，因為每臺現場設備都需要用線纜連接至控制室，因而為以后的查線、維護帶來許多不便。

5 DCS系統的維護與管理

加強對系統的維護是防范系統故障發生提高系統安全可靠的重要保障。

5.1 日常維護

日常維護是DCS系統穩定高效運行的基礎，主要的維護工作有完善DCS系統管理制度，注意室溫變化，避免由于溫度、濕度急劇變化導致在系統設備上的凝露。加強防靜電措施和良好的屏蔽，避免電磁場對系統的干擾。

5.2 系統維護

每年對冗余電源、服務器、控制器、通訊網絡進行冗余測試。

5.3 故障維護

對DCS系統故障維護的關鍵是快速、準確地判斷出故障點的位置，利用DCS系統的自診斷功能和硬件故障指示燈來確認故障原因和故障所在，分清是儀表故障還是DCS系統故障。

6 DCS系統的故障處理原則

對DCS系統故障處理的關鍵是快速、準確地判斷出故障點的位置，注意以下故障處理原則:

(1)出現故障時，首先要排除是否為操作人員、維修人員操作不當引起的故障。如:使用方法不對，輸入數據錯誤等。

(2)檢查是否確實是DCS故障。DCS系統具有自診斷測試功能，根據故障指示燈來確認故障原因和故障所在。分清是儀表故障還是DCS系統故障，若是DCS系統故障，進一步判斷出是硬件故障還是軟件故障。

(3)進行DCS卡件更換時一定要確認能否在線更換，冗余卡件切換對工作是否有影響。因為在更換冗余電源卡時容易出現控制器不工作現象，存在由于主電源卡輸出電壓低，冗余電源卡拔掉后，控制器因主電源卡電壓低而不工作。

7 結語

從功能上看，生產自動化系統、動態監控系統和在線質量控制都可以由DCS實現。從層次結構看，DCS主要擔負過程控制和過程優化任務，完成生產調度和生產管理工作。通過對DCS的研究，并不斷發展創新，完善DCS的功能，使之更好地為企業生產自動化服務。

參考文獻

[1]凌志浩主編.DCS與現場總線控制系統.華東理工大學出版社，2008.

[2]王錦標編著.計算機控制系統.清華大學出版社，2008