[科普中国]-集散控制

定义

分布式控制系统（DCS，Distributed Control System），习惯称为集散控制系统。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机（Computer）、通讯（Communication）、显示（CRT）和控制（Control）等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。

集散控制技术集散控制技术是以通信网络为基础，综合应用计算机、通信、显示和控制等技术，实现生产过程集中管理、分散控制的多级计算机监控技术。1

集散控制系统集散控制系统以多台微处理机分散应用于过程控制，通过通信网络、CRT显示器、键盘、打印机等设备又实现高度集中的操作、显示和报警管理。这种实现集中管理、分散控制的新型控制装置，自1975年问世以来，发展十分迅速，目前已经得到了广泛的应用。2

集散控制系统（DCS，Distributed Control System）是指对生产过程集中操作、管理、监视和分散控制的一种全新的分布式控制系统。该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，通过CRT装置、通信总线等，进行集中操作、显示、报警。整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中管理的优点，克服了常规仪表功能的单一、人-机联系差，以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既在管理、操作和显示三方面集中，又在功能、负荷和危险性三方面分散。DCS是在20世纪七八十年代发展起来的，是一种新型的控制系统。2

发展阶段集散控制系统推出以来，结构和性能日益完善，其发展大体可分为三个阶段：

第一阶段：1975~1976年，集散系统的诞生时期。

第二阶段：1977~1984年，集散系统飞速发展时期。随着信息处理技术和计算机网路技术的发展，一方面更新集散系统的原有硬件和软件，另一方面积极开发高一层次的信息管理系统。

第三阶段：1985年至今，综合信息管理系统的推出。在原有的过程控制层和过程控制管理层的基础上增加了第三层，即综合信息管理层，更多地关心高层信息的格式、传输、处理、存储、共享等问题。3

主要基础集散控制系统的主要基础是4C技术，也就是计算机（Computer）、控制（Control）、通信（Conmmunication）以及CRT显示技术，主要是在微处理器的基础上对生产过程来进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统。4

组成虽然集散控制系统的品种繁多，但系统的基本组成是相似的，一般由五大部分组成。

**1.过程控制单元。**又可称为基本控制器或是闭环控制站，它是集散控制系统的核心，主要完成算式运算功能、顺序控制功能、连续控制功能、过程I/O功能、数据处理功能报警检查功能和通信功能等。该单元在各种集散系统中差别较大、控制通路2~64个，固有算法7~212种，类型有PID、选择性控制、非线性增益、位式控制、多项式系数、函数计算、史密斯预估。工作周期为0.1~2s。2

**2.过程输入/输出接口。**它直接与生产过程相连接，实现对过程变量进行数据采集，主要完成数据采集和预处理，并对实时数据进一步加工，为操作站提供数据，实现对过程变量和状态监测、打印，实现开环监视，或为控制回路运算提供辅助数据和信息。2

**3.操作员站。**它是操作人员进行过程监视、过程控制操作的主要设备。操作员站提供良好的人机交互界面，用以实现集中显示、集中操作和集中管理等功能。有的操作员站可以进行系统组态的部分或全部上作，兼具工程师站的功能。2

**4.高速数据通路。**它又可称为高速通信总线、大道、公路，是一种具有高速通信能力的信息总线，一般采用双绞线、同轴电缆或光导纤维构成。为了实现集散控制系统各站之间数据的合理传送，通信系统必须采用一定的网络结构，并遵循一定的网络通信协议。2

**5.管理计算机。**它是集散控制系统的主机，习惯上称它为上位机，它监视全系统的各单位，管理全系统的所有信息，具有进行大型复杂运算的能力以及对输入、多输出控制功能，以实现系统的最优控制和全厂的优化管理。2

特点集散控制系统具有集中管理和分散控制的显著特征，成为了当前主流的过程工业自动化控制与管理设备，它的主要特点可以分为以下几个方面。2

**1.功能分散。**功能分散是指对过程参数的运算处理、检测、控制策略的实现、控制信息的输出以及过程参数的实时控制等都是在现场的控制单元中自动进行，从而实现了功能的高度分散。一方面，控制和数据采集设备可以尽可能地接近现场安装，避免了模拟信号的远距离传输，提高了运行的可靠性；另一方面，所有的过程控制单元都由自身的计算机管理，使系统发生故障时影响面小，危险分散，提高了系统的安全性。2

**2.分级递阶结构。**它是从系统工程出发，考虑系统控制功能分散、提高可靠性、强化系统应用灵活性、危险分散、降低投资成本、便于维修和技术更新等而得出的。分级递阶结构通常分为四级。第一级是过程控制级，根据上层决策直接控制过程或对象的状态；第二级是优化控制级，根据上层给定的目标函数或约束条件、系统辨识的数学模型得出优化控制策略，对过程控制进行设定点控制；第三级为自适应控制级，根据运行经验，补偿工况变化对控制规律的影响，维持系统在最佳状态；第四级为工厂管理级，其任务是决策、管理、计划、调度和调节，根据系统总任务或总目标。规定各级任务并决策协调各级任务。2

**3.信息综合与集中管理。**集中监视可以提供丰富的显示手段和显示方式，给出全局和局部的运行信息，更好地监视和管理生产过程。集中管理与操作可以保证操作的一致性，改变系统运行条件的操作是由专门人员进行，减少了误操作的可能。2

先进控制技术编辑

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。随着企业提出的高柔性、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。5

在实际过程控制系统中，基于PID控制技术的系统占80%以上，PID回路运用优劣在实现装置平稳、高效、优质运行中起到举足轻重的作用，各DCS厂商都以此作为抢占市场的有力竞争砝码，开发出各自的PID自整定软件。另外，根据DCS的控制功能，在基本的PID算法基础上，可以开发各种改进算法，以满足实际工业控制现场的各种需要，诸如带死区的PID控制、积分分离的PID控制、微分先行的PID控制、不完全微分的PID控制、具有逻辑选择功能的PID控制等等。5

与传统的PID控制不同，基于非参数模型的预测控制算法是通过预测模型预估系统的未来输出的状态，采用滚动优化策略计算当前控制器的输出。根据实施方案的不同，有各种算法，例如，内模控制、模型算法控制、动态矩阵控制等。目前，实用预测控制算法已引入DCS，例如IDCOM控制算法软件包已广泛应用于加氢裂化、催化裂化、常压蒸馏、石脑油催化重整等实际工业过程。此外，还有霍尼韦尔公司的HPC，横河公司的PREDICTROL，山武霍尼韦尔公司在TDC-3000LCN系统中开发的基于卡尔曼滤波器的预测控制器等等。这类预测控制器不是单纯把卡尔曼滤波器置于以往预测控制之前进行噪声滤波，而是把卡尔曼滤波器作为最优状态推测器，同时进行最优状态推测和噪声滤波。5

先进控制算法还有很多。目前，国内、外许多控制软件公司和DCS厂商都在竞相开发先进控制和优化控制的工程软件包，希望在组态软件中嵌入先进控制和优化控制策略。5

发展趋势编辑

近年来，在DCS关联领域有许多新进展，主要表现在如下一些方面。

（1）系统功能向开放式方向发展 传统DCS的结构是封闭式的，不同制造商的DCS之间难以兼容。而开放式的DCS将可以赋予用户更大的系统集成自主权，用户可根据实际需要选择不同厂商的设备连同软件资源连入控制系统，达到最佳的系统集成。这里不仅包括DCS与DCS的集成，更包括DCS与PLC、FCS及各种控制设备和软件资源的广义集成。

（2）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。

（3）工控软件正向先进控制方向发展 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，主要包括先进控制、过程优化、信息集成、系统集成等软件的开发和产业化应用。在未来，工业控制软件也将继续向标准化、网络化、智能化和开放性发展方向。

（4）系统架构向FCS方向发展 单纯从技术而言，现阶段现场总线集成于DCS可以有三种方式：① 现场总线于DCS系统I/O总线上的集成――通过一个现场总线接口卡挂在DCS的I/O总线上，使得在DCS控制器所看到的现场总线来的信息就如同来自一个传统的DCS设备卡一样。例如Fisher-Rosemount公司推出的DeltaV系统采用的就是此种集成方案。② 现场总线于DCS系统网络层的集成――就是在DCS更高一层网络上集成现场总线系统，这种集成方式不需要对DCS控制站进行改动，对原有系统影响较小。如Smar公司的302系列现场总线产品可以实现在DCS系统网络层集成其现场总线功能。③ 现场总线通过网关与DCS系统并行集成――现场总线和DCS还可以通过网关桥接实现并行集成。如SUPCON的现场总线系统，利用HART协议网桥连接系统操作站和现场仪表，从而实现现场总线设备管理系统操作站与HART协议现场仪表之间的通信功能。5

一直以来DCS的重点在于控制，它以“分散”作为关键字。但现代发展更着重于全系统信息综合管理，今后“综合”又将成为其关键字，向实现控制体系、运行体系、计划体系、管理体系的综合自动化方向发展，实施从最底层的实时控制、优化控制上升到生产调度、经营管理，以至最高层的战略决策，形成一个具有柔性、高度自动化的管控一体化系统。