DCS前世今生（2）

舞长安

1、DCS的分层体系结构DCS按功能分层的层次结构充分体现了其分散控制和集中管理的设计思想，DCS从下至上依次分为直接控制层、操作监控层、生产管理层和决策管理层，如图4。
1.1 现场装置管理层次的直接控制层 ( 过程控制级 )   
在这一级上，过程控制计算机直接与现场各类装置 ( 如变送器、执行器、记录仪表等 )相连，对所连接的装置实施监测、控制，同时它还向上与第二层的计算机相连，接收上层的管理信息，并向上传递装置的特性数据和采集到的实时数据。  
1.2 过程管理层 ( 操作监控层 )
在这一级上的过程管理计算机主要有监控计算机、操作站、工程师站。它综合监视过程各站的所有信息、集中显示操作，控制回路组态和参数修改，优化过程处理等。  
1.3 生产管理层 ( 产品管理级 )      
在这一级上的管理计算机根据产品各部件的特点，协调各单元级的参数设定，是产品的总体协调员和控制器。      
1.4 决策管理层 ( 工厂总体管理和经营管理层 )
这一级居于中央计算机上，并与办公室自动化连接起来，担负起全厂的总体协调管理，包括各类经营活动、人事管理等。
2、DCS分层结构中各层的功能
2.1 直接控制级  
直接控制层是集散型控制系统的基础，其主要任务有。  
(1)  进行过程数据采集：即对被控设备中的每个过程量和状态信息进行快速采集，使进行数字控制、开环控制、设备监测、状态报告的过程等获得所需要的输入的信息。  
(2)  进行直接数字的过程控制：根据控制组态数据库、控制算法模块来实施实时的过程量 ( 如开关量、模拟量等 ) 的控制。  
(3)  进行设备监测和系统的测试、诊断：把过程变量和状态信息取出后，分析是否可以接受以及是否可以允许向高层传输。进一步确定是否对被控装置实施调节；并根据状态信息判断计算机系统硬件和控制板件的性能 ( 功能 ) ，在必要时实施报警、错误或诊断报告等措施。  
(4)  实施安全性、冗余化方面的措施：一旦发现计算机系统硬件或控制板有故障，就立即实施备用件的切换，保证整个系统安全运行。  
2.2 过程管理级  
在过程管理级主要是应付单元内的整体优化，并对其下层产生确切的命令，在这一层可完成的功能有。  
(1)  优化过程控制：这可以根据过程的数学模型以及所给定的控制对象来进行，优化控制只有在优化执行条件确保的条件下方能达到，即使在不同策略条件下仍能完成对控制过程的优化。  
(2)  自适应回路控制：在过程参数希望值的基础上，通过数字控制的优化策略。当现场条件发生改变时，经过过程管理级计算机的运算处理就得到新的设定值和调节值，并把调节值传送到直接过程控制层。  
(3)  优化单元内各装置，使它们密切配合：这主要是根据单元内的产品、原材料、库存以及能源的使用情况，以优化准则来协调相互之间的关系。  
(4)  通过获取直接控制层的实时数据以进行单元内的活动监视、故障检测存档、历史数据的存档、状态报告和备用。
2.3 生产管理级  
产品规划和控制级完成一系列的功能，要求有比系统和控制工程更宽的操作和逻辑分析功能，根据用户的订货情况、库存情况、能源情况来规划各单元中的产品结构和规模。并且可使产品重新计划，随时更改产品结构，这一点是工厂自动化系统高层所需要的，有了产品重新组织和柔性制造的功能就可以应付由于用户订货变化所造成的不可预测的事件。由此，一些较复杂的工厂在这一控制层就实施了协调策略。此外，对于统观全厂生产和产品监视以及产品报告也都在这一层来实现，并与上层交互传递数据。在中小企业的自动化系统中，这一层可能就充当最高一级管理层。
2.4 工厂经营管理级  
经营管理级居于工厂自动化系统的最高一层，它管理的范围很广，包括工程技术方面、经济方面、商业事务方面、人事活动方面以及其他方面的功能。把这些功能都集成到软件系统中，通过综合的产品计划，在各种变化条件下，结合多种多样的材料和能量调配，以达到最优地解决这些问题。在这一层中，通过与公司的经理部、市场部、计划部以及人事部等办公室自动化相连接，来实现整个制造系统的最优化。
3、 DCS的基本构成
一个最基本的 DCS 应包括四个大的组成部分：至少一台现场控制站，至少一台操作员站一台工程师站 ( 也可利用一台操作员站兼做工程师站 ) ，一条系统网络。一个典型的DCS体结构如图5所示。

3.1 操作员站  
操作员站主要完成人机界面的功能，一般采用桌面型通用计算机系统，如图形工作站或个人计算机等。其配置与常规的桌面系统相同，但要求有大尺寸的显示器 (CRT 或液晶屏 )和性能好的图形处理器，有些系统还要求每台操作员站使用多屏幕，以拓宽操作员的观察范围。为了提高画面的显示速度，一般都在操作员站上配置较大的内存。  
3.2  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。系统的性能、可靠性等重要指标也都要依靠现场控制站保证，因此对它的设计、生产及安装都有很高的要求。现场控制站的硬件一般都采用专门的工业级计算机系统，其中除了计算机系统所必需的运算器 ( 即主 CPU) 、存储器外，还包括了现场测量单元、执行单元的输入 / 输出设备，即过程量I/O 或现场 I/O 。在现场控制站内部，主 CPU 和内存等用于数据的处理、计算和存储的部分被称为逻辑部分，而现场 I/O 则被称为现场部分，这两个部分是需要严格隔离的，以防止现场的各种信号，包括干扰信号对计算机的处理产生不利的影响。现场控制站内的逻辑部分和现场部分的连接，一般采用与工业计算机相匹配的内部并行总线，如 Multibus 、 VME 、STD 、 ISA 、 PCI04 、 PCI 和 Compact PCI 等。  
由于并行总线结构比较复杂，用其连接逻辑部分和现场部分很难实现有效的隔离，成本较高，很难方便地实现扩充，现场控制站内的逻辑部分和现场 I/O 之间的连接方式转向了串行总线。  
串行总线的优点是结构简单，成本低，很容易实现隔离，而且容易扩充，可以实现远远距离的 I/O 模块连接。近年来，现场总线技术的快速发展更推进了这个趋势，目前直接使用现场总线产品作为现场 I/O 模块和主处理模块的连接已很普遍，如 CAN 、 Profibus 、Devicenet 、 Lonwrks 及 FF 等。由于 DCS 的现场控制站有比较严格的实时性要求，需要在确定的时间期限内完成测量值的输入、运算和控制量的输出，因此现场控制站的运算速度和现场 I/O 速度都应该满足很高的设计指标。一般在快速控制系统 ( 控制周期最快可达到50ms) 中，应该采用较高速的现场总线，而在控制速度要求不是很高的系统中，可采用较低速的现场总线，这样可以适当降低系统的造价。  
3.3 工程师站  
工程师站是 DCS 中的一个特殊功能站，其主要作用是对 DCS 进行应用组态。应用组态是 DCS 应用过程当中必不可少的一个环节，因为 DCS 是一个通用的控制系统，在其上可实现各种各样的应用，关键是如何定义一个具体的系统完成什么样的控制，控制的输入 /输出量是什么，控制回路的算法如何，在控制计算中选取什么样的参数，在系统中设置哪些人机界面来实现人对系统的管理与监控，还有诸如报警、报表及历史数据记录等各个方面功能的定义，所有这些都是组态所要完成的工作，只有完成了正确的组态，一个通用的DCS 才能够成为一个针对一个具体控制应用的可运行系统。  
组态工作是在系统运行之前进行的，或说是离线进行的，一旦组态完成，系统就具备了运行能力。当系统在线运行时，工程师站可起到一个对 DCS 本身的运行进行状态进行监视的作用能及时发现系统出现的异常，并及时进行处置。在DCS在线运行当中，也允许进行组态，并对系统的一些定义进行修改和添加，这种操作被称为在线组态，同样，在线组态也是工程师站的一项重要功能。  
一般在一个标准配置的DCS系统中，都配有一台专用的工程师站，也有些小型系统不配置专门的工程师站，而将其功能合并到某台操作员站中，在这种情况下，系统只在离线状态具有工程师站，而在在线状态下就没有了工程师站的功能。当然也可以将这种具有操作员站和工程师站双重功能的站设置成可随时切换的方式，根据需要使用该站来完成不同的功能。
3.4 服务器及其他功能站      
在现代的 DCS 结构中，除了现场控制站和操作员站以外，还可以有许多执行特定功能的计算机，如专门记录历史数据的历史站；进行高级控制运算功能的高级计算站；进行生产管理的管理站等。这些站也都通过网络实现与其他各站的连接，形成一个功能完备的复杂的控制系统。  
随着 DCS 的功能不断向高层扩展，系统已不再局限于直接控制，而是越来越多地加入了监督控制乃至生产管理等高级功能，因此当今大多数 DCS 都配有服务器。服务器的主要功能是完成监督控制层的工作，如整个生产装置乃至全厂的运行状态监视、对生产过程各个部分出现的异常情况的及时发现并及时处置、向更高层的生产调度和生产管理，直至企业经营等管理系统提供实时数据和执行调节控制操作等。或者简单讲，服务器就是完成监督控制，或称 SCADA 功能的主节点。  
在一个控制系统中，监督控制功能是必不可少的，虽然控制系统的控制功能主要靠系统的直接控制部分完成，但是这部分正常工作的条件是生产工况平稳、控制系统各部分工作在正常状态下。而一旦出现异常情况，就必须实行人工干预，使系统回到正常状态，这就是 SCADA 功能的最主要作用。在规模较小，功能较简单的 DCS 系统中，可以利用操作员站实现系统的 SCADA 功能，而在系统规模较大，功能复杂时，则必须设立专门的服务器节点。
3.5 系统网络        
DCS 的另一个重要的组成部分是系统网络，它是连接系统各个站的桥梁。由于 DCS是由各种不同功能的站组成的，这些站之间必须实现有效的数据传输，以实现系统总体的功能，因此系统网络的实时性、可靠性和数据通信能力关系到整个系统的性能，特别是网络的通信规约，关系到网络通信的效率和系统功能的实现，因此都是由各个 DCS 厂家专门精心设计的，以太网逐步成为事实上的工业标准，越来越多的 DCS 厂家直接采用了以太网作为系统网络。  
在以太网的发展初期，是为满足事务处理应用需求而设计的应用系统，其网络介质访问的特点比较适宜传输信息的请求随机发生，每次传输的数据量较大而传输的次数不频繁，因网络访问碰撞而出现的延时对系统影响不大。而在工业控制系统中，数据传输的特点是需要周期性的进行传输，每次传输的数据量不大而传输次数比较频繁，而且要求在确定的时间内完成传输，这些应用需求的特点并不适宜使用以太网，特别是以太网传输的时间不确定性，更是其在工业控制系统中应用的最大障碍。但是由于以太网应用的广泛性和成熟性，特别是它的开放性，使得大多数 DCS 厂家都先后转向了以太网。近年来，以太网的传输速率有了极大的提高，从最初的 10Mbit/s 发展到现在的 100Mbit/s 甚至达到 10Gbit/s ，这为改进以太网的实时性创造了很好的条件。尤其是交换技术的采用，有效地解决了以太网在多节点同时访问时的碰撞问题，使以太网更加适合工业应用。许多公司还在提高以太网的实时性和运行于工业环境的防护方面做了非常多的改进。因此当前以太网已成为 DCS 等各类工业控制系统中广泛采用的标准网络，但在网络的高层规约方面，目前仍然是各个 DCS厂家自有的技术。  
3.6 现场总线网络  
早期的 DCS 在现场检测和控制执行方面仍采用了模拟式仪表的变送单元和执行单元，在现场总线出现以后，这两个部分也被数字化，因此 DCS 将成为一种全数字化的系统。在以往采用模拟式变送单元和执行单元时，系统与现场之间是通过模拟信号线连接的，而在实现全数字化后，系统与现场之间的连接也将通过计算机数字通信网络，即通过现场总线实现连接，这将彻底改变整个控制系统的面貌。