提起DCS系統，化工人都不陌生，因為它是化工廠的大腦，會根據采集現場儀表（溫度、壓力、流量、液位等）信號作出判斷，讓輸出的信號對管道的閥門進行控制。

由于DCS涉及的知識面很廣，所以今天只介紹基本結構和原理部分，希望能為工廠中相關操作人員以及初學者提供參考。

基本結構

DCS是Distributed Control System的縮寫，直譯為“分布式控制系統”。由于產品生產廠家眾多，系統設計不盡相同，功能和特點也各不相同。

國內在翻譯時，也有不同的稱呼：

分散控制系統（簡稱DCS）集散控制系統（簡稱TDCS或TDC）分布式計算機控制系統（簡稱DCCS）系統組成

三站一線：工程師站、操作員站、現場控制站、系統網絡

1工程師站

對DCS進行離線的配置、組態工作和在線的系統監督、控制、維護的網絡接點。

主要功能：提供對DCS進行組態，配置工作的工具軟件，并在DCS在線運行時實時監視DCS網絡上各個節點的運行情況，使系統工程師可以通過工程師站及時調整系統配置及一些系統參數的設定，使DCS隨時處在最佳工作狀態之下。

2操作員站

處理一切與運行操作有關的人機界面（HIS，Human Interface Station，或OI，Operator Interface，或MMI，Man Machine Interface）功能的網絡節點。

主要功能：為系統的運行操作人員提供人機界面，使操作員可以通過操作員站及時了解現場運行狀態、各種運行參數的當前值、是否有異常情況發生等，并可通過輸入設備對工藝過程進行控制和調節，以保證生產過程的安全、可靠、高效。

3現場控制站

現場控制站是DCS的核心，是對現場I/O處理并實現直接數字控制（DDC）功能的網絡節點。

系統主要的控制功能由它來完成，系統的性能、可靠性等重要指標也都要依靠現場控制站保證。

其設計、生產及安裝都有很高的要求，是分散控制系統中的主要任務執行者。

4系統網絡

系統網絡是連接系統各個站的橋梁。由于DCS是由各種不同功能的站組成的，這些站之間必須實現有效的數據傳輸，以實現系統總體的功能。

系統網絡的實時性、可靠性和數據通信能力關系到整個系統的性能，特別是網絡的通信規約，關系到網絡通信的效率和系統功能的實現。

分散控制系統結構

基本構成

基本構成由現場級、控制級、監控級、管理層四級構成。

現場級主要包括各種過程通道卡件或模塊；

控制級包括所有的過程站；

監控級包括工程師站、操作員站、歷史站和打印機等附屬設備；

管理級包括管理計算機；

四層中間相應的通信網絡由控制網絡（Cnet）、監控網絡（Snet）、管理網絡（Mnet）三層網絡結構。

1現場級

包括傳感器、變送器、執行器等

現場級設備一般位于被控生產過程的附近。典型的現場級設備是各類傳感器、變送器和執行器，它們將生產過程中的各種物理量轉換為電信號。

例如：將4-20mA的電信號（一般變送器）或符合現場總線協議的數字信號（現場總線變送器），送往控制站或數據采集站進行，將控制站輸出的控制量（4-20mA的電信號或現場總線數字信號）轉換成機械位移，帶動調節機構，實現對生產過程的控制。

信號傳輸方式

目前現場級的信息傳遞有三種方式：

一種是傳統的4-20mA（或者其他類型的模擬量信號）模擬量傳輸方式；

一種是現場總線的全數字量傳輸方式；

一種是在4-20mA模擬量信號上，疊加上調制后的數字量信號的混合傳輸方式。

現場信息以現場總線為基礎的數字傳輸是今后的發展方向。

2控制級

現場控制站

控制級主要由現場控制站和數據采集站構成。一般在電廠中，把現場控制站和數據采集站集中安裝在位于主控室后的電子設備室中。

現場控制站接收由現場設備，如傳感器、變送器來的信號，按照一定的控制策略計算出所需的控制量，并送回到現場的執行器中。現場控制站可以同時完成連續控制、順序控制或邏輯控制功能，也可能僅完成其中的一種控制功能。

數據采集站

數據采集站與現場控制站類似，也接收由現場設備送來的信號，并對其進行一些必要的轉換和處理之后送到分散型控制系統中的其它部分，主要是監控級設備中去。

數據采集站接收大量的過程信息，并通過監控級設備傳遞給運行人員。

數據采集站不直接完成控制功能，這是它與現場控制站的主要區別。

電子間一般不再獨立設置，更多為遠程I/O站。

3監控級

監控級的主要設備有操作員站、工程師站、歷史站和計算站等。

操作員站安裝在中央控制室。

工程師站、歷史站和計算站一般安裝在電子設備室。

操作員站

操作員站是運行員與分散控制系統相互交換信息的人機接口設備。

運行人員通過操作員站來監視和控制整個生產過程。

運行人員可以在操作員站上觀察生產過程的運行情況，讀出每一個過程變量的數值和狀態，判斷每個控制回路是否工作正常，并且可以隨時進行手動/自動控制方式的切換，修改給定值，調整控制量，操作現場設備，以實現對生產過程的干預；

另外操作員站還可以打印各種報表，拷貝屏幕上的畫面和曲線等。

為了實現以上功能，操作員站是由一臺具有較強圖形處理功能的微型機，以及相應的外部設備組成，一般配有大屏幕顯示器、大屏幕顯示裝置、打印機、鍵盤、鼠標或球標。

工程師站

工程師站是為了控制工程師對分散控制系統進行配置、組態、調試、維護所設置的工作站。

工程師站的另一個作用是對各種設計文件進行歸類和管理，形成各種設計文件，例如，各種圖紙、表格等。

工程師站一般由PC機配置一定數量的外部設備所組成，例如打印機、繪圖機等。

歷史站

歷史站的主要任務是存儲過程控制的實時數據，實時報警，實時趨勢等與生產密切相關的數據，用來進行事故分析，性能優化計算，故障診斷等；

也可以通過歷史站實現與外部網絡的接口，使外部網絡不直接訪問DCS監控網絡就可以獲得所需要的數據，即保證了開放性，又保證了安全性。

4管理級

管理系統

管理級包含的內容比較廣泛，一般來說，它可能是一個發電廠的廠級管理計算機，也可能是若干個機組的管理計算機。

它所面向的使用者是廠長、經理、總工程師、值長等行政管理或運行管理人員。

廠級管理系統的主要任務是監測企業各部分的運行情況，利用歷史數據和實時數據預測可能發生的各種情況，從企業全局利益出發輔助企業管理人員進行決策，幫助企業實現其規劃目標。

管理計算機

對管理計算機的要求是：

能夠對控制系統做出高速反應的實時操作系統及數據庫。

大量數據的高速處理與存儲，能夠連續運行可冗余的高可靠性系統，能夠長期保存生產數據，并且具有優良的、高性能的、方便的人機接口，豐富的數據庫管理軟件，過程數據收集軟件，人機接口軟件以及生產管理系統生成等工具軟件，實現整個工廠的網絡化和計算機的集成化。

實時監控和日常管理

管理級也可分成實時監控和日常管理兩部分。

實時監控是全廠各機組和公用輔助工藝系統的運行管理層，承擔全廠性能監視、運行優化、全廠負荷分配和日常運行管理等任務，即監控信息系統（SIS）。

日常管理承擔全廠的管理決策、計劃管理、行政管理等任務，即管理信息系統（MIS）。

系統網絡結構

通信介質

DCS網絡

在早期的DCS中，傳統的分散控制系統多采用制造商自行開發的專用計算機網絡。

網絡的覆蓋范圍上至用戶的廠級管理信息系統，下至現場控制站的I/O子系統。

系統網絡，包括其硬件和軟件，都是各個廠家專門設計的專有產品。

網絡技術的發展

近年來，隨著技術的發展，分散控制系統的網絡有了長足的進步。很多標準的網絡產品陸續推出，特別是以太網逐步成為事實上的工業標準，越來越多的DCS廠家直接采用了以太網作為系統網絡。

DCS網絡與互聯網的融合

隨著網絡技術的不斷進步，集散控制系統的上層將與國際互聯網Internet融合在一起，而下層將采用現場總線通信技術，使通信網絡延伸到現場。

最終實現：

以現場總線為基礎的底層網Infranet；以局域網為基礎的企業網Intranet；以廣域網為基礎的互聯網Internet；

所構成的三網融合的網絡架構。

分散控制系統信號流程

功能結構

從系統的功能角度上看，分散控制系統是一個多功能分級控制系統的結構體系，分散控制系統按功能可劃分為經營管理、生產管理、過程管理（監督控制）、直接控制等四個層次級別。

應用中的DCS系統并非全部具有上述四層功能。大多數應用系統，目前只配置和發揮到第一層和第二層中小規模上，少數應用系統使用到第三層功能，只在大規模的綜合控制系統中才應用到全部四層功能。

現場控制站組成

現場控制站的硬件一般都采用專門的工業級計算機系統。

主要包括兩部分：一部分是運算器（即主CPU）、存儲器等組成的計算機單元，稱之為邏輯部分或主控制器；另一部分是現場測量單元、執行單元的輸入輸出設備，即過程量I/O或現場I/O，稱為過程通道。

DCS的特點數字方式

從系統的結構形式看，DCS確實與儀表控制系統相類似，它在現場端仍然采用模擬儀表的變送單元和執行單元，在主控制室端是計算單元和顯示、記錄、給定值等單元。但從實質上DCS和儀表控制系統有著本質的區別。

DCS和儀表控制系統的區別

首先，DCS是基于數字技術的，除了現場的變送和執行單元外，其余均采用數字方式。

而且，DCS的計算單元并不是針對每一個控制回路設置一個計算單元，而是將若干個控制回路集中在一起，由一個現場控制站來完成這些控制回路的計算功能。

這樣的結構形式不只是為了成本上的考慮。

一個控制站執行多個回路控制的結構形式，是由于DCS的現場控制站有足夠的能力完成多個回路的控制計算。

從功能上講，由一個現場控制站執行多個控制回路的計算和控制功能更便于這些控制回路之間的協調，這在模擬儀表系統中是無法實現的。

一個現場控制站應該執行多少個回路的控制，則與被控對象有關，系統設計師可以根據控制方法的要求具體安排在系統中使用多少個現場控制站，每個現場控制站中各安排哪些控制回路。在這方面，DCS有著極大的靈活性。

分散方式

從儀表控制系統的角度看，DCS的最大特點在于其具有傳統模擬儀表所沒有的通信功能。

從計算機控制系統的角度看，DCS的最大特點則在于它將整個系統的功能分成若干臺不同的計算機去完成，各個計算機之間通過網絡實現互相之間的協調和系統的集成。

在DDC系統中，計算機的功能可分為檢測、計算、控制及人機界面等幾大塊。

在DCS中，檢測、計算和控制由現場控制站的計算機完成，而人機界面則由操作員站的計算機完成。這是兩類功能完全不同的計算機。

一個系統有多臺現場控制站和多臺操作員站，每臺現場控制站或操作員站對部分被控對象實施控制或監視。這種劃分是功能相同而范圍不同的計算機。

因此，DCS中多臺計算機的劃分有功能上的，也有控制、監視范圍上的。這兩種劃分就形成了DCS的“分布”一詞的含義。

數據庫

系統總體數據庫是分散控制系統的核心，有了這個總體數據庫，分散控制系統才能真正實現資源共享。

各控制站上存在分布式數據庫，僅包含各自站所需要的數據點信息。

通過分散的數據采集和處理，在上位依據總數據庫形成總體數據庫，這是分散控制系統的軟件核心。

數據庫設計是分散控制系統的核心

上位數據庫和下位數據庫要保持一致，避免沖突。

數據庫組態也是整個分散控制系統設計的關鍵，如何合理的分配數據點，使各現場站結構更合理，數據交換各合理，所以說，數據庫設計是分散控制系統的核心。

數據庫確定后，才可以進行進一步的組態工作，所有的顯示、操作、報表、歷史記錄都是圍繞數據庫進行的。

控制系統數據采集系統

對于控制系統來講，尤其是對于控制生產過程這種系統，安全性是首要條件，這就要求新的系統不能影響系統的安全運行。

因此最先得到應用的計算機系統是可靠性要求最低的數據采集系統，即DAS（DataAcquisition System）

監督控制系統

隨著DAS的成功應用，并且顯示出了計算機系統在計算、顯示和記錄等方面的優越性，工程人員對其產生了濃厚的興趣。

并且隨著可靠性的提高，工程人員的信心也逐步增強，試圖進一步拓展其應用范圍，增加其應用功能，產生了監督控制系統。

直接數字控制系統

1960年4月在肯塔基州的一個化工廠投運的另一套計算機系統，除了完成現場檢測數據的監視和設定值的功能外，還可以實際完成控制計算并實際輸出控制量。

這就是第一個直接數字控制（DDC，Direct DigitalControl）系統。這時侯工程人員對計算機的控制能力充滿信心，并將其付諸實際。

集中型計算機控制系統

分散型計算機控制系統