上篇 基础知识篇

第1章 绪论

1.1 分散控制系统概述

1.1.1 分散控制系统的概念

20世纪50年代末期，陆续出现了由计算机组成的控制系统，这些系统实现的功能不同，实现数字化的程度也不同。最初它用于生产过程的安全监视和操作指导，后来用于实现监督控制，但还没有直接用于控制生产过程。

20世纪60年代初期，计算机开始直接用于生产过程的数字控制。当时由于计算机造价很高，再加上硬件水平的限制，导致计算机的可靠性很低，实时性较差。因此，大规模集中式的直接数字控制系统（Direct Digital Control，DDC）基本上宣告失败。但人们从中体会到，直接数字控制系统的确具有许多模拟控制系统无法比拟的优点，如果能够解决系统的体系结构和可靠性问题，则计算机用于集中控制是大有希望的。

经过多年的探索，1975年出现了分散控制系统（Distributed Control System，DCS），这是一种结合了仪表控制系统和直接数字控制系统两者优势的全新控制系统，它很好地解决了直接数字控制系统存在的两个问题。如果直接数字控制系统是计算机进入控制领域后出现的新型控制系统，那么DCS则是网络进入控制领域后出现的新型控制系统。

在DCS出现的早期，人们还将其看作仪表系统，这可以从1983年对DCS的定义中看出：某一类仪器仪表（输入/输出设备、控制设备和操作员接口设备），它不仅可以完成指定的控制功能，还允许将控制、测量和运行信息在具有通信链路的、可由用户指定的一个或多个地点之间相互传递。

按照这个定义，可以将 DCS 理解为具有数字通信能力的仪表控制系统。从系统的结构形式看，DCS 确实与仪表控制系统类似，在现场端它仍然采用模拟仪表的变送单元和执行单元，在主控制室端是计算单元和显示、记录、给定值等单元。但实质上 DCS 和仪表控制系统有着本质的区别。首先，DCS 是基于数字技术的，除了现场的变送和执行单元外，其余的处理均采用数字方式；其次，DCS 的计算单元并不针对每一个控制回路设置一个计算单元，而是将若干个控制回路集中在一起，由一个现场控制站来完成这些控制回路的计算功能。这样的结构形式不只是为了成本上的考虑—与模拟仪表的计算单元相比，DCS 的现场控制站是比较昂贵的，采取一个控制站执行多个回路控制的结构形式，是由于 DCS 的现场控制站有足够的能力完成多个回路的控制计算。从功能上讲，由一个现场控制站执行多个控制回路的计算和控制功能更便于这些控制回路之间的协调，这在模拟仪表系统中是无法实现的。一个现场控制站应该执行多少个回路的控制与被控对象有关，系统设计师可以根据控制方法的要求具体安排在系统中使用多少个现场控制站，以及每个现场控制站中各安排哪些控制回路。在这一方面，DCS有着极大的灵活性。

ISA不仅在[S5.3]1983中给出了DCS的定义，还给出了许多不同角度的解释：

“物理上分立并分布在不同位置上的多个子系统，在功能上集成为一个系统。”它解释了DCS的结构特点。

“由操作台、通信系统和执行控制、逻辑、计算及测量等功能的远程或本地处理单元构成。”它指出了DCS的三大组成部分。

“分布的两个含义：（a）处理器和操作台物理上分布在工厂或建筑物的不同区域；（b）数据处理分散，多个处理器并行执行不同的功能。”它解释了分布的两个含义，即物理上的分布和功能上的分布。

“将工厂或过程控制分解为若干区域，每个区域由各自的控制器（处理器）进行管理控制，它们之间通过不同类型的总线连成一个整体。”它侧重描述了DCS各个部分之间的连接关系，它们是通过不同类型的总线实现连接的。

总结以上各方面的描述，可对DCS 总结出比较完整的定义：

☺ 它是以回路控制为主要功能的系统。

☺ 除变送和执行单元外，各种控制功能及通信、人机界面均采用数字技术。

☺ 以计算机的CRT、键盘、鼠标、轨迹球代替仪表盘形成系统人机界面。

☺ 回路控制功能由现场控制站完成，系统可有多台现场控制站，每台控制一部分回路。

☺ 人机界面由操作员站实现，系统可有多台操作员站。

☺ 系统中所有的现场控制站、操作员站均通过数字通信网络实现连接。

上述定义的前三项与 DDC 系统无异，而后三项则描述了 DCS 的特点，也是 DCS 与DDC之间最根本的不同。