DCS控制系统及工业控制技术研究

0 引言

    DCS控制系统融合了计算机技术、控制技术和网络通信技术等，是特点丰富、在实践中逐渐形成的控制系统。它在工业自动化领域应用广泛，并取得了良好的应用效果。计算机技术的发展给工业控制技术的创新和发展带来了良好的环境和契机，当前，DCS控制系统及工业控制技术呈现出嵌入式、自动化等发展趋势。

1 DCS控制系统

    1．1 概念

    DCS即分布式计算机控制系统，全称为Distributed ControlSystem。DCS技术集4c技术(Computer、Control、Communication、CRT)于一体，Computer包含信号的处理技术和控制算法，Control包括传感器等控制部件，Communication包括计算机网络数据传输以及通信，CRT则实现了人机交互。DCS控制系统利用计算机技术做到了现场装置的分散控制，从而实现了对生产过程的集中管理、控制和操作。DCS控制系统由计算机技术、测量控制技术、通信网络技术以及信号处理技术的综合发展而形成。DCS控制技术实际上是吸收了仪表控制系统以及集中式计算机控制系统二者的优点发展成为系统技术的，它具有较强的适应性和应用能力。

    1．2 体系结构

    DCS控制系统体系结构是分布式的，从整体的逻辑而言，它是分支树的结构，纵向包括过程控制、控制管理和生产管理3层结构形式，而整个系统由集中管理、分散监控以及网络通信3个部分构成。集中管理部分包括工程师站、操作员站以及工厂管理站，工程师站负责系统管理组态控制以及系统的生成；操作员站实际上属于人机接口，实现了对生产工艺的操作和控制：工厂管理站则实现了对计算机的管理、生产的调度管理、生产经营管理以及分析决策等。分散监控实现了对现场模拟量、数字量以及脉冲输入输出的转换处理，从而使各种控制回路的运算以及控制结果直接输出。系统中的网络通信部分包括局域网以及控制网络和网络之间接口设备的管理，它实现了不同功能站之间数据、指令等信息的传输。DCS控制系统中的软件是其重要组成部分，实时、多任务的操作系统，数据库的管理系统，通信软件，控制组态软件以及相关的应用软件共同组成了用户所需的使用系统。

    1．3 技术特点

    分布式控制系统以标准化、模块化和系列化的设计，通过过程控制、控制管理以及生产管理等级别构成了以通信网络为中心的集中显示的操作管理系统，控制较为分散，配置相对灵活，组态方便。DCS控制系统具有良好的自主性，表现在工作站通过网络接口进行连接，不同的工作站能独立工作，并采用微型的计算机系统，易扩充系统的存储量；软件配置齐全，具有较高的独立运行能力；同时，微处理器的发展也实现了可监视的装置运行模式。

    DCS控制系统还具有良好的协调性能。各个工作站点以通信网络为传输形式，实现了对DCS总体功能以及相应系统的优化处理，通过实时而安全的工业控制局域网络，建立了共享的系统沟通渠道，进而将信息系统扩展成为综合的自动化控制系统。

    DCS控制系统还具有友好性特点。系统软件面向工业控制的技术人员设计，采用简捷的人机会话系统，同时构建了实时的菜单功能。同时，组态软件的应用又提高了系统的扩展性。系统软件和硬件采用了开放式、标准化和模块化的设计方式，从而使相应的控制系统具有较强的适应性、灵活性、可发展性及可扩充性。DCS控制系统还具有较高的可靠性、效率性和可用性。系统结构采用容错设计，从而在任一单元失效的状况下保证了系统运行的完整性：系统硬件采用双重化模式；系统中的程序分段以及模块化设计、积木式结构，可进行程序的回溯或是指令的重复执行。同时，严格挑选元器件还能进一步降低故障概率。

2 工业控制技术

    2．1 现场总线

    现场总线为近年发展起来的数据总线，它实现了工业现场的智能化仪器、执行器和控制器等设备之间的数字通信，以及相应的现场设备与高级控制系统之间的信息传递。现场总线技术的发展对传统DCS控制系统是一个挑战，它将DCS转变成了FCS，即现场系统，同时创新了过程控制，从而采用更为公开而标准化的方式突破了DCS系统专用通信网络的局限。同时，现场总线将DCS控制系统的集散体系结构转变成为了全分布式的结构，实现了现场的全过程控制。现场总线具有开放性、分散性以及数字通信等特点。

    2．2 嵌入式技术

    现场总线推动了工业控制技术的创新和变革，但它不能代替人解决生产过程中发生的实际问题，为此，相关人员进行了大量的技术开发，嵌入式技术应运而生。

    (1)嵌入式技术推动了相应产品的更新。嵌入式技术是指将芯片、模块以及小型的控制系统嵌入产品内部从而形成一体化产品的技术形式，它在机电设备以及办公自动化产品中得到了广泛的应用。

    (2)嵌入式工业控制机包括STD总线工业控制机、ISA总线工业PC(过程控制)机及可编程逻辑控制器(PLC)等。由于现场总线引起的传统工业设备和仪器的更新换代以及FCS对DCS系统的取代是一个长期的过程，因此嵌入式技术仍具有较强的生命力。1)STD总线工业控制机。STD总线工业控制机采用了组合式、模块化、小型化和标准化的开放式结构体系，从而很能适应传统工业技术改造和工业过程控制，因而在冶金、化工、医药、食品、交通、机械等领域得到了广泛的应用。STD总线工业控制机主要用于中小企业低成本的过程控制以及大型企业的专用设备，具有较大的市场发展空间。

    2)ISA总线工业PC机。ISA总线工业PC机采用与工业现场结构相适应的结构体系，内部采用了嵌入式的模板结构，可随意插拔，因而使用便利，容易维护和升级，在工业控制领域得到了广泛的应用。ISA总线工业PC机适用于小型的集中式过程控制，也可作为控制系统的监控机、开放式结构的DCS的现场站、MIS的管理机以及实验室的桌面机等。在DCS系统的升级发展中，ISA总线工业PC机能从中受益，成为FCS系统的组成部分。

    3)可编程逻辑控制器。PLC是嵌入式的工业控制机，它通过将相应的模块嵌入到公共母版上构成了整机，而整机能在专用设备和系统中应用，且具有十分灵活的使用形式。PLC主要用于开关和顺序控制，它可靠性较高、体积小、价格低、功能完善、易于维护、编程方便，这些特点使其发展并不受到FCS升级的影响，其仍将在工业控制领域广泛应用。

    2．3 企业综合自动化

    当前，过程控制、MIS(Management Information System，管理信息系统)和Internet在相应领域迅速发展，而三者之间的结合将带来更大的影响力，从而促进整个行业的综合自动化进程。

    过程控制和MIS相结合实现了测控管一体化。

    首先，MIS应与过程控制相结合。传统的管理信息系统虽具有良好的人事、财务、质量、设备和经营管理软件支撑，但数据要依靠人工报表和人工输入，耗费了大量的时间，还可能导致数据不准确，难以发挥其应有的作用。因此，MIS技术应与过程控制技术相结合而发展。

    其次，过程控制的优化和调度需要MIS。工业过程控制，无论是FCS、DCS还是DDC，虽能按照给定的目标参数值进行准确控制，但难以实现优化。因此，应依靠MIS系统给出相关的参数，从而进行调整和控制。具体的实践表明，MIS与过程控制本身都有实现二者结合发展的必要性。

    最后，MIS和过程控制的结合实现了企业的测控管一体化。MIS和过程控制的结合能将底层的测控以及上层的信息管理联系在一起，同时，控制系统的开放式体系以及规范化的互联网络为企业的测控管一体化系统奠定了良好的基础。

    三项技术结合实现了企业综合自动化发展。

    当前，过程控制、MIS、Internet技术相结合的条件已经形成。三项技术中，MIS为核心和纽带，相应技术的结合为企业的发展和管理提供了创新和变革，推动了企业以及相关行业的全面综合自动化体系形成，从而得以促进企业的持续发展。

3 结语

    随着计算机技术、控制技术和网络通信技术的发展，DCS控制系统及与其有关的工业控制技术也在飞速进步，它们在工业生产、过程控制等领域发挥了极其重要的作用， 因此对其进行深入研究是十分有必要的。