DCS系统结构及各部分功能简介

DCS 系统结构及各部分功能简介

一、仪表与控制系统概述

1、控制过程的性质

控制过程的性质可被分成两大类，一类是连续调节性质的（一般称之为过程控制，或流程控制），另一类是状态控制性质的（一般称之为程序控制，或逻辑控制）。

调节是控制的一种。调节特指通过反馈的方法对连续变化的对象进行连续的控制，如通过调节燃气阀门的大小以控制燃烧火焰的大小，从而达到控制加热器温度，使其保持在预定温度范围内的目的。在这里温度是一个连续变化的量，对温度的调节也是连续进行的。调节的过程并没有明显的起点和终点，而只有对目标值的允许偏差以及进行测量和控制的周期。刚才所说的允许偏差和测量控制周期是连续过程调节的两个最基本的要素，除了这两大要素外，连续过程调节最重要的要素是调节算法，如经典的PID 调节、现代的模糊控制等。所有这些要素都极大地影响着调节的效果和质量。

控制所包含的范围更广，除了上述对连续变化的对象进行调节外，还包括了对非连续对象、非连续过程的控制等。

非连续控制一般指某种装置的状态或位置，对其进行控制实际上就是按照一定的方式改变其状态或位置，如某个电力开关的合闸或分闸。而非连续过程则由一组非连续对象按照工序的要求组合在一起，以完成一个比较复杂的动作或任务，这样的过程有很明显的起点和终点，控制过程和动作过程是完全对应的。对非连续过程的控制是一种顺序控制或程序控制，是根据各个被控对象的动作时间、动作顺序和逻辑关系进行的控制。刚才所说的动作时间、动作顺序和逻辑关系是对非连续过程实行控制的要素。

在实际的生产过程中，更多遇到的，是连续控制（或调节）和非连续控制的混合型控制，即对各种不同工况的过程控制。因为生产的复杂性，同样的生产装置也会有不同的生产工况或生产阶段，生产工况的切换是根据操作人员的指令或

根据某种状态进行的，而平稳工况的控制则是一种连续控制。

在一些生产过程中，除广泛使用反馈控制方法外，还经常使用前馈控制方法。前馈控制根据生产设备的运行参数计算控制量，并依据控制量对现场实施控制。前馈控制的优点是可以使系统快速进入所需的运行状态，但由于前馈控制不检验控制执行的效果并进一步采取调整手段，因此控制的精确性较差。在实际控制系统中，常采用前馈控制结合反馈控制的综合方法，这样可以取得很好的控制效果。

下表是连续控制和非连续控制（或称为离散控制）的比较：

近年来又出现了一种新的控制类型——Batch control ，即批量（或批次）控制，IEC 对它的定义是：“Control system that controls a batch process, that is, a process that due to physical structuring of the process equipment or other factors, consists of a sequence of one or more steps or phases that must be performed in a defined order.——处理一个批次过程的控制系统，即：由处理装置或其它因素的物理结构所决定的过程，其中包括必须按照定义的顺序执行的单个或多个步骤或阶段所组成的序列。”

批次控制结合了过程控制和程序控制这两种控制类型，适用于在同一条生产线上通过装置连接、组合的改变，工艺流程的改变和工艺参数的调整，生产不同品种产品的生产控制。其工作过程为：首先通过程序控制确定生产流程和工艺参数，然后转入过程控制；当一个完整的过程完成后，再次转入程序控制，形成下

一个批次的生产流程和工艺参数，如此反复。实际上，批次控制是一种混合控制，是将过程控制和程序控制结合在一起的控制系统。

2、仪表控制系统的基本概念

仪表系统（指由模拟式仪表组成的系统）最主要的控制目标是回路控制。所谓回路控制，是指那种对最小单元的闭环控制。这些控制有1-2个现场输入（测量值）和1个现场输出（控制量），在现场输入和现场输出之间有计算单元（即控制器），另外还有一个给定值输入，用于设定控制目标。回路控制的功能框图如下：

回路控制的作用是保证被控对象的一个最基本的运行单元能够按照预定的参数正常运行。

3、几种主要的控制系统

对连续调节性质的被控对象，如温度、流量、压力、液位、电流、电压、功率等参数的调节，其特点是测量值是一个连续变化的量，控制值也是一个可连续调节的量，控制系统通过调节量与被控目标之间的传递函数决定如何实施控制或调节。这种以调节为主要手段的控制系统习惯上称之为仪表系统。因其是通过种类检测、调节仪表来实现系统的功能的，仪表系统由最初的基地式仪表，发展为单元式组合仪表，却是用模拟技术实现的。从60年代前后，电子数字计算机进入控制领域，发展出了采用数字技术的监视（Monitoring ）系统，设定值控制（SPC-Set Point Control）系统、直接数字控制（DDC －Direct Digital Control）系统，其后，在综合了监视系统和设定值控制（也叫监督控制Supervisory Control）系统的功能和系统结构之后，出现了监督控制和数据采集系统（SCADA －Supervisory Control And Data Acquisition）, 在综合了仪表系统的特点和DDC 的特点基础上，经过多年研究开发推出了分布式控制系统（DCS-Distributed Control System ）。另外还有结合了数字技术和仪表系统体系结构的单回路控制器

（SLC-Single Loop Controller），在所有这些不同形式的系统中，DCS 以其强大的功能，高度可靠，全数字化的特点和灵活的组态方式、广泛的适用性等诸多优势逐步成了连续调节控制领域的主流系统，而且逐步取代了仪表系统成为行业的标准系统。

对于以状态为主要控制目标的领域，如供电、供气、供水管网的网络拓扑结构的改变，位置控制，通/断的控制等。这类控制的特点是被控对象是在若干种有限的状态中取其一的设备，如管道的截断阀、电力线路上的形状或断路器等。对于它们的控制主要基于逻辑条件，如电流型的断路器当线路上的电流超过一定限额时就断开，这就是一个典型的逻辑条件控制。早期的状态控制是机械式的，一般为人工控制或机械连锁，后来出现了电磁继电器，由电磁继电器的触点和控制线圈组成各种控制逻辑，这是一种电气方式的控制器。电子技术的发展产生了更加灵活，体积小巧、功耗很低的电子线路，用电子线路组成的控制逻辑逐步取代了继电器逻辑，但最后推动执行机构的功率输出元件仍然采用电磁继电器。除电磁继电器外，随着电力电子技术的发展，大功率的固态开关也逐步得到了更多的应用。这类器件采用电子方式实现通断，没有机械动作，也不会产生触点的电弧，因此用在对干扰控制要求较高的场合。随着数字技术的进一步发展，在70年代前后，一种利用计算机逻辑运算功能的控制器，即可编程逻辑控制器（PLC －Programmable Logic Controller）出现了，它采用计算机的软件完成逻辑运算，并利用梯形图表达各种控制元件逻辑的关系和算法，由于计算机强大的逻辑运算功能，使得PLC 可以完成极其复杂的逻辑控制，其使用量迅速扩大。现在PLC 几乎无所不在，凡是需要进行状态控制的场合几乎全都采用了PLC 作为核心控制单元。

如上所述，我们按被控对象的性质，将控制系统分为两大类，一类以连续调节为主，而另一类以状态控制为主。但在实际的控制系统中，所面对的控制问题是复杂的，往往在一个被控对象中包含着两种，即连续调节和状态控制相结合的控制需求，例如一台汽轮机，我们要求其转速保持在每分钟3000转，因此可以通过调节蒸汽阀门的大小来控制转速，但如果遇到紧急情况，需要使汽轮机迅速停下来，这时还要立即打开一个紧急泄放蒸汽的阀门，使其推动原始动力，将转速迅速地降下来，而在这种情况下，以调整为主要功能的控制器也需要停止工

作，不再执行保持转速的调节动作了。这样的控制器必须具备连续调节和状态控制两种功能，并使其有机地结合，才能够实现所要求的控制功能。

当今使用最广泛的控制系统有两种，一种是从连续调节基础上发展起来的DCS ，另一种是在状态控制基础上发展起来的PLC 。但这两种系统现在已完全不是它们在发展初期时所形成的那种概念了。不论是DCS 还是PLC ，现在都具备了连续调节和状态控制两种功能，只不过它们由于实现方法不同，因此在一些具体的性能指标上有些差异，因此适用的场合有所不同而已。而且，这种适用场合的不同大多是由于传统习惯连续下来的，并不是真正意义上的哪类系统适合或不适合哪类控制的判断。一般来说，由于连续调节这类控制问题比较复杂，涉及到多种数学方法和算法的实现，因此如果被控对象在连续调节方面所占的比重较大，则比较适宜选用DCS ，而如果被控对象主要以状态控制为主，而PLC 在状态控制方面所采用的逻辑算法非常精练、耗费资源很少，从系统成本的角度考虑，比较适宜选择PLC 。但在大多数场合，被控对象的需求是混合的，难以明显区分哪种控制占绝大部分的比重，这时选择哪种系统都是可以的。在具体实施方面，由于连续调节类的控制涉及到对被控对象传递函数，动态特性的分析，控制算法的实现及现场实际运行的验证等专业性很强的工作，因此要建立一套DCS 系统一般都由专业性的控制公司执行工程实施和调试运行，而PLC 则由于逻辑控制直观简洁，组态方法容易掌握，因此其工程有相当一部分是用户自己完成，这种工程上的特点也造成了PLC 系统中所具有的基本上都是通用的，共性的设备配置和功能，很少有为了某些个别用户的特殊需求所添加的专用配置或专用功能；而DCS 则不同，由于被控对象的多样性和复杂性，各个厂家的DCS 均程度不同地带有具体应用的色彩，例如Honeywell 的DCS 有很多为石化生产过程所有的配置和功能，Bailey 的DCS 则有很多适应火电厂的配置和功能，Westinghouse 的DCS 则具备很多适合钢厂控制的配置和功能等等。虽然近年来随着DCS 越来越普及，各厂家的DCS 也逐步向着通用和全功能的方向发展，但毕竟被控对象的需求太多样化，难以实现涵盖全部功能的系统，而且，应用的发展又在不断提出新的需求，因此，DCS 在用户开发界面上下了很大的功夫，以期为用户提供进一步开发和扩展的空间，而PLC 则很少提供这种能力。这恐怕是当前DCS 和PLC 的最大区别了。

在比较DCS 和PLC 之区别时，可注意以下几个方面：

（1） 产品形态：PLC 是单独的设备或部件的方式提供的，而DCS 则

以系统方式提供。因此用PLC 做系统时用户必须自己完成各种

配套工作。

（2） 物理结构：PLC 一般不提供机柜，只提供各类模块和机架，而

DCS 则提供完整的，装配好的机框。

（3） PLC 长于逻辑运算，而对于调节回路，则要耗费较大的资源，

而且效率不高，而DCS 则相反，进行调节时性能很好，但做逻

辑控制时速度不如PLC 快。

（4） 如果需要站间引用，由于DCS 是以系统方式提供给用户的，因

此容易实现，通过相应的组态即可。

（5） PLC 的开放性较好，一般都可以配合不同厂家的人机界面软件

或组态软件。

4、小结

目前最常用的控制系统有以下三种：

DCS ——以回路控制为主，实现闭环控制的系统。

PLC ——以逻辑控制为主，实现顺序控制（或步进控制，连锁控制，开环控制）的系统。

SCADA ——不直接进行现场控制，注重人机界面和数据处理，主要由人实施控制的系统。

三种系统的现场设备为：

DCS ——现场控制站

PLC ——PLC

SCADA ——RTU

当前的趋势是融合，PLC 也可实现回路控制功能，作为现场控制站使用，DCS 也可完成逻辑控制，而且DCS 还在逐步加强人机界面，数据处理功能，实现了SCADA 的功能。从现场设备来看，PLC 和现场控制站均具备直接的就地控制功能，同时具有数据采集功能；而RTU 则只有数据采集功能，因此成本较低。但是，因近年来电子设备元器件的价格不断下降，而性能却不断提升，因此在许

多系统中就直接用PLC 代替了RTU ，很多新推出的RTU 也具备了直接的就地控制功能。

二、控制系统详述

1、控制系统的要素及组成

（1）被控对象：

被控对象是实施生产过程的主体。不论何种控制系统，其作用都是围绕生产过程发生的。如果离开了生产过程，控制系统就失去了存在的意义，因此，控制系统是从属于生产过程的，但对生产过程又产生着巨大的反作用力，使得完成生产过程的主体，如各类加工机械，发电机、锅炉、化工反应装置、电力或油、汽输送管道等，能够更加安全、高效、稳定、可靠地运行。作为控制系统的作用目标，被控对象有其自身的运行状态，这些状态是生产过程的表征，控制系统将通过测量被控对象的运行状态来了解生产过程；被控对象还具备很多可操作、可调节的部分，通过对这些部分的操作和调节可改变可控对象的运行状态，从而改变生产过程。因此，测量和操作、调节是控制系统与被控对象相互作用的最主要界面，而被控对象能否通过某种方法实现测量和操作、调节，则称为被控对象的可测性和可控性。除了上述正常的测量和操作、调节以外，被控对象还存在各种非预期的状态变化，被称为干扰，干扰的存在使得生产过程偏离预期的轨道，产生不利的影响，因此，控制系统的另一项重要的任务就是使被控对象保持在预期的状态范围之内，以保证生产过程的正常进行。

（2）测量

测量是控制系统感知被控对象运行状态的重要环节，一般通过敏感元件或检测元件来实现测量，如压力传感器、流量传感器、温度传感器（热电偶或热电阻）、电流传感器、电压传感器、功率传感器、在运动控制中的速度、位置传感器等等。传感器一般使用物理或化学原理来感知各种状态，传感器的输出一般是一个可以被控制系统的核心部件——控制器或运算器所处理的信号，由于传感器所测量的状态包括了各种不同的物理、化学量，而控制器或运算器则要求这些量是一种标准的、规范的表现形式，如电流、电压、气压等，因此往往通过变送器予以变换，形成符合一定标准的统一信号，一般称之为测量值。而控制系统中完

成测量工作的部分被称为检测单元。

（3）计算

计算是控制系统的核心，它由控制器、调节器或运算器构成，一般将控制器、调节器或运算器统称为计算单元。计算单元有两个输入，一个输入是测量值，即传感器、变送器给出的表达被控对象运行状态的量，另一个是根据生产过程的要求所设定的控制目标，即设定值。计算单元的任务有两个，一是在设定值根据生产过程的要求发生改变时，采用一定的控制算法计算出通过何种操作或调节对被控对象的可操作、调节部分实施输出，以使被控对象尽快达到控制目标；另一个是在出现干扰时，被控对象的状态偏离了预定的目标，即设定值，这时计算单元要通过测量得到偏离的程度，并采用一定的控制算法计算出操作步骤或调节量，并实施输出，以使被控对象的运行状态尽快回到预定的目标值。计算单元的输出量是对被控对象实施的操作和调节，在这时，操作一般指通过某种方法改变被控对象的运行方式，如开通或关断某个管道的阀门，闭合或分离电路的开关等等；而调节则是通过某种方法改变被控对象的运行参数，如通过控制调节阀改变管路中流体的流量、通过调节加热器改变温度等等。所有这些输出不论操作还是调节均被称为控制指令。

（4）控制执行

由计算机输出的控制指令需要通过各种不同的执行机构来作用于被控对象的可操作部分和可调节部分。这些执行机构系统称为执行单元，如气动阀、电磁阀、控制电机、继电器等等。执行单元将计算单元输出的控制指令转换为被控对象可接受的动作，以改变被控对象的运行状态。

以上我们介绍了与控制系统有关的几个关键要素，下图可简明扼要地表达这些要素以及控制系统各组成部分之间的关系：

图1：控制系统各要素之间的关系

下面我们举两个实际的例子说明具体的控制系统。第一个例子是某生产装置中貯液罐的液位控制系统，该系统通过液位传感器（浮子）测量貯液罐的液位，并将液位值送到控制器，控制器将测量的液位与设定的液位进行比较，如果液位高于设定的最高值，则关闭进料阀，停止进料。当液体流出使液位低于设定的最低值，则开启进料阀补充液体，直到液位回升到上限值。

图2：貯液罐液位控制

第二个例子是著名的瓦特式飞锤调速器。通过图3我们可以看到它的工作原理。在这里，由发动机输出轴经齿轮传动带动一个装有飞锤的轴同步转动，这个装置相当于控制系统的测量单元。当转速升高时，飞锤在离心力的作用下升起，并压下油缸的连杆，开启下方的高压油通路，使油缸活塞上升，带动调节阀关小，

减小燃油供应而使发动机转速下降；当转速降低时，飞锤下落，使油缸连杆在弹簧的作用下上升，关闭油缸活塞下方的高压油通路并开启油缸活塞上方的高压油通路，使油缸活塞向下运动，带动调节阀开大，增加燃油供应以使发动机转速上升。这样，在出现干扰（如发动机所带动的负载发生变化）时，可保持其转速不变。在这个调速器中，飞锤起到了控制器的作用，它巧妙地利用了飞锤的重力和离心力之间的关系实现了设定值和测量值之间的比较，并将偏差作用于油缸，而油缸则是这个控制系统的执行器，它将升速、降速的指令变成了燃油阀门的动作，完成了对发动机转速的控制。控制系统的设定值由带动飞锤的轴的上下位置来决定，这个轴上移，飞锤必须张开更大的角度才能使油缸活塞的上下油路均关闭，因此将导致发动机的转速上升；而这个轴下移，飞锤必须下落才能使油缸活塞的上下油路均关闭，因此将导致发动机的转速下降，以此来设定发动机的转速。

高压油

控制阀门

图3：瓦特调速器

在以上的讨论中，我们只涉及了由具体机器设备构成的被控对象和控制系统，而没有涉及生产过程本身以及对生产过程的控制起主要主导作用的主体——人的作用。一个简单的问题就可以反映这一点：在上面的讨论中多次讲到设定值，控制系统由设定值来规定控制目标，那么，设定值从何而来？它是如何得到的？又是如何作用于控制系统的？还有，在前面的讨论中讲到计算单元根据检测值与设定值之间的偏差，按照一定的控制算法计算出需要操作和调节的量，通过执行

单元对被控对象实施控制。那么，计算单元所执行的控制算法是从哪儿来的？它是如何得出的？又是如何被计算单元执行的？显然，不论是设定值还是控制算法，都离不开人的作用。控制系统自己不会确定设定值，因为它并不知道人希望生产过程按什么样的方式进行，控制系统也不了解生产过程的特性，只有人根据生产设备的特性及其对生产过程的影响，推导出如何对这些生产设备进行控制的数学模型，然后控制系统才能够按照这些数学模型进行计算，得到相应的控制值。

除此之外，还有一个重要的问题，即我们在此前所讲述的，都假设被控对象的运行是有规律可循的，是可以用数学模型表达的，因此，控制系统所依据的设定值和控制算法都是预先确定好的，并使用不同的方法固定在控制系统中，在实际运行中，控制系统将按照这些预定的算法执行。但不幸的是，实际的生产过程有相当多的一部分是没有（至少现在没有）规律可循的，也无法用数学模型表示，另外，生产过程不可避免地会出现一些异常情况，这些异常情况是无法预知的，必须在运行过程中实时地作出决策，这些都离不开人的作用。

有关数学模型的问题已超出本书讨论的范围，因此在这里不作详述。但作为一个整体，人必须是控制系统的一个最重要的组成部分，这是毋庸置疑的，从数学模型的推导，建立并预先设置在计算单元中，以便在线运行时实现控制功能，到直接参与控制系统的在线运行，对计算单元不能够自动进行处理的控制问题实施操作与调节或为计算单元给出设定值，都需要人的参与。而为了便于人了解被控对象的运行状态并进行人工的操作与调节，控制系统还必须提供人机界面。在任何一个控制系统中，人机界面都是必不可少的重要组成部分。下图表述了一个完整的控制系统所有的组成部分：

图4：完整的控制系统组成部分

人机界面包括了测量值的显示，计算参数的显示，人工操作设备如按钮，调节手柄等，还有对计算单元进行设定和控制算法预置的设备等。

2、早期的控制系统：

早期的控制系统是由基地式仪表构成的。所谓基地式仪表，是指控制系统（即仪表）与被控对象在机械结构上是结合在一起的，而且仪表各个部分，包括检测、计算、执行、简单的人机界面等都做成一个整体，就地安装在被控对象之上。基地式仪表一般只针对单一运行参数实施控制，其输入、输出都围绕着一个单一的控制目标，计算也主要为控制某个重要参数，控制功能也是单一的。这种控制被称为单一回路控制，简称回路控制。上节所介绍的瓦特调速器就是一个典型的基地式仪表，虽然它还不具备仪表的形态，但其作用、结构形式均可归于基地式仪表一类。

显然，如果我们要控制的仅限于单一运行参数，控制功能也只是保证被控对象能够正常运行，例如瓦特调速器只控制发动机的转速，保证发动机运转在额定转速范围内即可，那么基地式仪表就完全能够满足要求，而且基地式仪表简单实用、直接与被控对象相互作用，因此在一些简单生产设备中得到了广泛的应用。基地式仪表最大的问题是它必须分散安装在生产设备需要实施控制的地方，如果设备比较大，就会给观察操作这些仪表造成很大的困难，有时甚至是不可能的。

另外，基地式仪表的控制功能有限，难以实现较复杂的控制算法，因此在一些大型的复杂的控制系统中已很少采用基地式仪表，而采用单元式组合仪表。

单元式组合仪表出现在60年代后期，这类仪表将测量、控制计算、执行以及显示、设定、记录等功能分别由不同的单元实现，互相之间采用某种标准的物理信号实现连接。并可根据控制功能的需求进行灵活的组合。这样，单元式组合仪表的功能大大加强了，而且其功能的实现不再受安装位置的限制，我们可以把检测单元和执行单元安装在现场，而将控制、显示、记录设定等单元集中起来放在中心控制室内，这样，生产设备的操作人员足不出户就可以迅速掌握整个生产设备的运行状态，并根据生产计划或现场出现的实际情况采取调整措施，如改变设定甚至直接对现场设备实施操作和调节等。

目前单元式组合仪表有两大类，一类是气动单元组合仪表，这类仪表以经过干燥净化的压缩空气作为动力并以气压传递现场信号，其规范为20-100Kpa 。我国的气动单元组合仪表为QDE 系列。气动单元组合仪表主要有七种单元，分别是变送单元（B ）、调节单元（T ）、显示单元（X ）、计算单元（J ）、给定值单元（G ）、辅助单元（F ）和转换单元（Z ）。这些单元经过适当的连接及组合，就可以实现较复杂、规模较大的控制系统。气动单元组合仪表是本质防爆的，可以用于易燃易爆的场合，而且由压缩气体提供的动力可以直接驱动如气动阀门等现场设备，非常方便和可靠，并具有很强的抗干扰性。但由于气动仪表需要洁净干燥的气源，气体的传输路径要铺设气路管道，为了防腐蚀和防泄露，需要采用成本很高的铜制管线或不锈钢管线，而且需要加工精度非常高的连接件，这样，气动仪表控制系统的建设成本、运行维护成本就相当高了。

另一类单元式组合仪表是电动单元组合仪表。这类仪表由直流电源提供运行动力并以直流电信号（电源或电压）传递现场信号的值，其信号规范有两种，一种为0-10mA ，我国遵循这个标准的电动单元组合仪表为DDZII 系列；另一种信号规范是4-20 mA，我国遵循这个标准的电动单元组合仪表为DDZ-III 系列。电动单元组合仪表主要有八种单元：变送（B ）、调节（T ）、显示（X ）、计算（J ）、给定值（G ）、辅助（F ）、转换（Z ）和执行（K ）。电动单元组合仪表比气动单元组合仪表更加轻便灵活，功能也更加齐全，因此一经推出就迅速得到了广泛的应用。电动单元组合仪表的控制执行机构为电磁阀、各种控制电机和继电器等用电

磁原理设计的设备或装置。

应该说，真正的控制系统是从单元式组合仪表出现后才逐步形成的，基地式仪表只能实现分立的、单个回路的、各种控制回路之间无任何联系的控制，因此谈不上形成系统，而单元式组合仪表可以通过不同单元的组合，不仅能完成单个回路的控制，还能够实现串级控制、复合控制等复杂的、涉及几个回路互动的控制功能，而且，由于单元式组合仪表有能力将显示、操作、记录、设定等单元集中安装在控制室，使得操作员可以随时掌握生产过程的全貌并据此实施操作控制，因此这样的形态就构成了一个完整的控制系统。在集中的控制室中，是控制系统的人机界面部分。所有供人观测，操作的各个仪表单元被安装在仪表面板（Console ）上，或安装在画有生产工艺流程的模拟盘（Mapboard 或Mimic ）上。此时的控制系统分为现场安装的部分，如检测/变送单元和执行单元（一般称之为一次仪表）以及集中控制室安装的其它各类单元（一般称之为二次仪表）。

不论是气动单元组合仪表还是电动单元组合仪表，其调节、计算单元都是采用模拟原理实现的，以电动单元仪表为例，其控制算法，如比例、积分、微分等调节规律，均利用电容、电感、电阻等元件的电气规律的模拟实现，而气动单元组合仪表则利用射流原理来模拟各种控制规律。这些方法均有较大的局限性，一是计算精度不高，其精度受元件参数的精度或加工精度的影响较大，而且随着时间的推移、环境的变化和机件的磨损，各种参数会发生变化，造成控制精度的下降。以模拟方式实现的计算，其动态范围也受到较大的限制，如果在控制回路中需要一个较大的滞后环节，实现起来是非常困难的，因此单元式组合仪表的控制回路绝大多数是经典PID 控制。模拟方式控制的这些问题，促使人们寻求更好的控制器或调节器。随着微处理器的出现和数字技术的发展，以数字技术为基础的数字化控制逐步占据了控制系统的主导地位。

3、计算机控制系统

电子数字计算机是二十世纪四十年代诞生的，但直到1958年才开始进入控制领域。1958年9月在美国路易斯安那州的一座发电厂内安装了第一台用于现场状态监视的计算机，当时的这个系统并不能称为控制系统。因为它只是将一些现场检测仪表的数据采集到一起，然后在计算机的显示屏上进行显示，以供操作

人员在中央控制室内观察电厂的运行参数，因此这样的系统被称为监视系统（Monitoring System ）。很明显，该计算机系统只是代替了检测控制仪表的显示部分，并实现了多台检测控制仪表的集中监视功能。到1959年3月，在美国德克萨斯州Texaco 的一个炼油厂投运了另一套计算机系统，该系统不仅可以显示现场仪表的检测数据，而且可以设定或改变现场控制仪表的给定值，然而真正实施控制（即根据给定值及实际检测值的偏差计算出控制量，并实际输出以使实际值回到给定值的工作）仍然由控制仪表完成。这套系统应该是世界上最早的设定值控制（SPC ）或称为监督控制系统。而1960年4月在肯塔基州的一个化工厂投运的另一个计算机系统，除了完成现场检测数据的监视和设定值的功能外，还可以实际完成控制计算并实际输出控制量，这就是第一个直接数字控制（DDC ）系统。

计算机进入控制领域，所带来的是从模拟技术到数字技术的革命性的变化。过去，不论是基地式仪表还是单元组合式仪表，采用的都是模拟技术，其表达测量值和控制值的方法是采用某种物理量来进行模拟，如用电流的大小表示液位的高低等等。在对被控对象进行控制时，也是采用同样的物理量来表达给定值和控制量，并采用物理的原理，如流体力学原理、电学原理、电子学原理等模拟出微分、积分等算法。显然，这样的技术无法实现复杂的控制，而且极不灵活，任何算法的改变都要对计算单元进行改装。而数字技术则完全不同，它首先将现场测量值通过模拟量到数字量的转换器（称为ADC 或A/D）转换成为一个二进制的、便于计算机处理的数字，这个数字由不同电平分别表示0和1，并以0、1的不同组合表达出不同的数值。这个过程被称为数字化。数字化的工作一旦完成，以后的工作便完全在计算机内部的运算器中通过软件来实现，如各种控制算法的实现等等。由于计算机强大的计算功能，可以完成任何公式的计算，因此计算机控制系统的功能比模拟仪表系统要强大得多。而且，由于所有算法都是通过软件完成的，因此算法的改变非常容易，体现了数字技术极大的灵活性。在经过计算得到了控制结果后，由于这个结果仍然是一个二进制数值，因此还要通过数字量到模拟量的转换器（称为DAC 或D/A）将控制值转换成相应的控制信号，然后通过执行器实施控制动作。

前面所讲到的三种不同类型的计算机控制系统（Monitoring 、SPC 、DDC ），

其主要的区别在于数字化的程度不同。计算机监视系统，即Monitoring ，是在检测和显示环节上实现了数字化，但在实际进行控制的部分，包括控制计算和给定值的设定上，仍然采用模拟仪表实现；设定值控制或监督控制，即SPC 。则由计算机采用数字技术实现检测、给定值的数字化，但在实现控制的计算和输出环节上，仍然依靠模拟仪表；只有到了DDC ，即直接数字控制阶段，才将检测、计算、控制输出，包括给定值的设置等全部环节实现了数字化。

在DDC 控制系统出现以后，在八十年代前后，随着大规模集成电路的发展和微处理器的出现，以数字技术为主的控制系统中又出现了一类新的产品，就是单回路调节器SLC 即Single Loop Controller。这种产品以微处理器为核心，主要完成控制计算的功能。其最主要的用途是代替单元式组合仪表的计算、显示，给定值等单元，而检测、执行等功能仍然由常规岛的单元完成，以这种方式组成的系统是一种模拟和数字混合模式的系统。由于微处理器采用数字方式进行控制计算，因此计算的能力大大加强，可以实现相当复杂或难度很高的控制计算。在这方面，SLC 正好弥补了单元式组合仪表中计算能力较弱的缺点，而且数字化的处理相对于模拟方式的处理来说，还有一个相当大的优势，就是具有数字通信功能，因此可以被用来方便地实现如串级控制、复合控制等较复杂的控制功能，因此在相当长的一段时间内，SLC 发展很快，后来又在单回路调节器的基础上发展了多回路调节器，尽管SLC 在内部采用了数字技术，以微处理器为核心构成系统，但在形式上还是沿用了单元式组合仪表的构造，仍然是以一个单元的方式安装在仪表面板Console 上，所不同的是SLC 的显示多采用数字式的显示，即用数码管直接显示出测量值或控制值、设定值等。也有些SLC 为与原有单元式组合仪表在外观和使用习惯上完全一致，采用了模拟单元式组合仪表的显示、操作方式的设计，如指针显示等。

对于串级控制，复合控制等较复杂的控制功能，常规的组合式单元仪表的作法是采用硬接线将所需信号引到仪表的计算单元，并参与控制计算。而对于SLC 来讲，既可以通过硬接线引入所需信号，又可以通过微处理器之间的通信获取所需信号，后一种方式在控制系统中被称为“引用”。

与模拟技术相比，数字技术在控制功能方面有了极大的提高，它可以完成各种复杂的计算和智能化的处理，另外，在人机界面上也比模拟仪表有了革命性

的改变。在仪表控制系统中，所有的显示单元、操作单元、给定值设定单元都安装在仪表盘上，而且是每一个检测控制点都有自己相应的显示、操作、设定单元。如果系统比较庞大，检测控制点很多，则需要面积很大的仪表盘，这给观察现场和进行操作带来了很大的困难。为了减小仪表盘的面积，很多仪表控制系统采取了密集安装方式，按照生产设备的工艺将仪表进行分区安排，这样虽然可以减小仪表盘的面积，使人的操作可以在较小的、手眼可达的范围内进行，但非常不直观，人必须记住每个仪表盘上的单元在实际生产设备上是对哪一部分进行显示和操作的，稍有疏忽，就会产生失误。另一种方法就是采用模拟盘，将生产设备按实际的工艺过程描绘到一个面板上，在相应的测量、控制位置上安装仪表的显示操作等单元，这种方式虽然直观，但大大增加了仪表盘的面积，使操作人员必须在大面积的模拟盘面前不断走动、巡视，以控制生产过程的运行。在工程上，无论是密集安装的仪表盘还是按工艺过程表示的模拟盘，其信号线的连接都是非常繁杂的。在现场，我们经常可以看到仪表盘或模拟盘背后密如蛛网的信号线，这些线都要通过电缆沟、电缆井、电缆桥架等缚设到现场，这对于检查和维护来说都是巨大的工作量，特别是在需要增加仪表或改变测量控制点的位置、功能时，其困难更是巨大。而计算机控制系统的人机界面就简洁得多。在计算机控制系统中，一般采用CRT 和键盘、鼠标或轨迹球来实现显示操作功能，我们可以在CRT 上很容易地显示出生产设备的分布，生产工艺流程并通过键盘、鼠标进行操作或设定值控制。这些都是通过软件实现的，并不需要进行一一对应的硬连线，而且，由于CRT 的表现力丰富，利用光标进行的控制操作直观方便，加上软件对操作命令的各种合法性检查，使误操作的概率降到很低。

采用数字技术的计算机测量 、控制系统虽有上述模拟式仪表无法比拟的优越性，但也存在自身的弱点。首先，在容错性方面，模拟技术比数字技术有着天然的优势，以现场测量值的表达为例，模拟技术采用气压、电流或电压等物理量表达，这是一种基于能量消耗的表达方式，也就是说，测量值越高，表达测量值所消耗的能量也越大，因此干扰对它的影响也越小。而在数字方式中，测量值的表达采用二进制数值，对于这些0或1的码元来说，其在一个字节中所处的位置越高，表达的数值就越大，但高位码元和低位码元受干扰的可能性是一样的，因此抗干扰问题是数字系统中要解决的首要问题。第二，计算机控制系统中，所

有功能都是通过软件实现的，而软件的执行是串行的和单向的，也就是说，由计算机所处理的各种功能都需要在预先确定好的程序控制下一步一步地执行，而且这种执行是只能前进不能后退的（计算机的指令计数器只能加1而不能减1），这带来了两个问题，一是一旦在计算机受到干扰，其指令计数器的值发生了跳变，程序就会“飞”掉，而且不可能返回来，这时计算机的输出完全是一些乱码，这和模拟仪表以模拟电路或其它元件组成的运算单元不同。模拟运算单元在受到干扰使某个运算参数发生变化时，其运算单元的输出只是一个具有较大误差的值，而不会毫无边际，同时，在干扰消失后还可以自己恢复到正常值。二是由于计算机的程序是串行的，因此必然有时间上的延迟，计算机在控制多个回路时，必须一个回路一个回路地顺序执行计算，而不能像模拟仪表那样所有的计算单元都在同时执行各自运算。因此，要获得同样的控制实时性，数字化的计算必须比模拟计算快许多倍。

通过对数字技术本身的特点及其与模拟技术相对比的弱点，我们知道，在采用了数字技术之后，最重要的是要解决好数字控制系统的可靠性和实时性这两个大问题。这两个问题解决好了，计算机控制系统的优越性能够充分发挥，反之，则计算机系统反而会不如仪表系统，因仪表系统可能最多是“不好用”，而计算机系统则可能会“不可用”。

尽管数字技术有着上述先天性的弱点，但控制系统还是在不可逆转地向着数字化的方向发展。这是由于微电子技术已越来越成熟，数字电路也越来越可靠，微处理器的运算速度按照摩尔定律每18个月翻一番，如今一枚最普通的八位微处理器也可轻易地完成每秒几百万次的运算。更重要的是，用数字技术构成的控制系统可以完成模拟系统所无法完成的复杂控制，如在经典PID 调节的基础上加入人工智能控制，对大滞后环节的处理等。这些算法如果采用模拟技术实现，一是其结构必然非常庞大，元件数量巨大到无法承受的地步，而且，这样一个结构复杂，元件繁多的系统必然导致可靠性急剧下降，因此是不可实现的，即使实现了也不可用。而在数字化的系统中，任何复杂的算法都可用软件予以实现，算法的复杂并不改变系统结构，也不增加元件数量（最多增加一块存贮器），因此，在这种情况下数字化控制系统的可靠性要高于模拟系统。另外，数字技术的最大优势是可以形成网络，因为每个数字单元都可以有智能处理功能，对外具有地址

和识别码，因此可以在一条共用的总线（Party Line）上实现多个单元的信息传输。而且，数字信息的传输与模拟信息的传输不同，数字信息可以利用编码技术，查错纠错技术剔除受到干扰而出错的信息，因此数字信息的传输是无失真的，不会产生附加的误差；而模拟信号的传输则会产生附加误差，而且每次传输都会在已有的误差上迭加新的误差，对比系统是很难识别和滤除的。而且模拟信号的传输不可能共线（Party Line），只能每个信号使用一对线。信号传输线的数量在系统中似乎不是一个能够引起重视的问题，但如果信号数量很多、传输距离很长时，这个问题就相当突出，它将使成本急剧上升，设计、施工的难度大幅提高，线缆的维护难度加大，而且很容易引入干扰甚至雷电等高压的串入，造成系统的损坏。

4、分布式控制系统的产生和发展

从以上的叙述可以看到，从1958年开始就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。监视系统仅在人机界面中对现场状态的观察方式实现了数字化，SPC 系统则在对模拟仪表的设定值方面实现了数字化，而DDC 在人机界面，控制计算等方面均实现了数字化，但还保留了现场模拟方式的变送单元和执行单元，系统与它们的连接也是通过模拟信号线来实现的。

DDC 将所有控制回路的计算都集中在主CPU 中，这引起了可靠性问题和实时性问题，上节对此已有论述。随着系统功能要求的不断增加，性能要求的不断提高和系统规模的不断扩大，这两个问题更加突出，经过多年的探索，在1975年DCS 出现后才较好地解决了这两个问题，如果说，DDC 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，人们还将其看作是仪表系统，这在ISA[S5.3]1983年对DCS 的定义中可以看出：“That class of instrumentation (input/output devices, control devices and operator interface devices) which in addition to executing the stated control functions also permits transmission of control, measurement, and operating information to and from a single or a plurality of user specifiable locations, connected by a communication link.——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，我们可以将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相类似，它在现场端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，但从实质上，DCS 和仪表控制系统有着本质的不同。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。而且，DCS 的计算单元并不是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，而是由于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。具体一个现场控制站应该执行多少个回路的控制，则与被控对象有关，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，每个现场控制站中各安排哪些控制回路。在这方面，DCS 有着极大的灵活性。

如果说，从仪表控制系统的角度看，DCS 的最大特点在于其具有传统模拟仪表所没有的通信功能。那么从计算机控制系统的角度看，DCS 的最大特点则在于它将整个系统的功能分成为若干台不同的计算机去完成，各个计算机之间通过网络实现互相之间的协调和系统的集成。在DDC 系统中，计算机的功能可分为检测、计算、控制、人机界面等几大块，而在DCS 中，检测、计算和控制这三项功能由称为现场控制站的计算机完成，而人机界面则由称为操作员站的计算机完成。这是两类功能完全不同的计算机。而在一个系统中，往往有多台现场控制站和多台操作员站，每台现场控制站或操作员站对部分被控对象实施控制或监视，这种划分是功能相同而范围不同的计算机，因此，DCS 中多台计算机的划分有功能上的，也有控制、监视范围上的。这两种划分就形成了DCS 的“分布”一词的含义。

ISA 除了在[S5.3]1983中对DCS 作了定义外，还作出了许多不同角度的解

释：

“A system which, while being functionally integrated, consists of subsystems which may be physically separate and remotely located from one another [S5.1].”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——解释了DCS 的结构特点。

“Comprised of operator consoles, a communication system, and remote or local processor units performing control, logic, calculations and measurement functions.”被压缩的操作面板、通信系统和远方或本地的执行控制，逻辑、计算及测量等功能的局域处理单元。——指出了DCS 的三大组成部分

“Two meanings of distributed shall apply: a) Processors and consoles distributed physically in different areas of the plant or building, b) Data processing distributed such as several processors running in parallel, (concurrent) each with a different function.”分布的二个含义：a) 处理器和控制面板物理地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——解释了分布的二种含义：物理上的分布和功能上的分布。

“A system of dividing plant or process control into several areas of responsibility, each managed by its own controller (processor), with the whole interconnected to form a single entity usually by communication buses of various kinds.”将工厂或过程控制分解成若干区域，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——侧重描述了DCS 各个部分之间的连接关系，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，我们可对DCS 做一个比较完整的定义：

● 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 之最根本的不同。

5、DCS 的体系结构

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。图5是一个典型的DCS 体系结构。

现 场 变 送 器、 执 行 器

图5：典型的DCS 体系结构

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微机等。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）和高性能的图形处理器，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。

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、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须的运算器（即主CPU ）、存储器外，还包括了对现场测量单

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，常用的并行总线有Multibus 、VME 、STD 、ISA 、PC104、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，而且并行总线很难方便地实现扩充，因此很多厂家在现场控制站内的逻辑部分和现场I/O之间的连接方式上转向了串行总线。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，用得较多的现场总线产品有CAN 、Profibus 、Devicenet 、Lonwrks 、FF 等。

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。在早期的DCS 中，系统网络，包括其硬件和软件，都是各个厂家专门设计的专有产品，随着网络技术的发展，很多标准的网络产品陆续推出，特别是以太网逐步成为事实上的工业标准，越来越多的DCS 厂家直接采用以太网作为系统网络，但在网络的高层规约方面，目前仍然是各个厂家自有的技术。

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，如完成组态及系统运行期间维护功能的工程师站；专门记录历史数据的历史站；进行高级控制运算功能的计算站；进行生产管理的管理站等等。这些站也都通过网络实现与其它各站的连接，形成一个功能完备的复杂的控制系统。

从图5可以看出DSC 的主要组成部分和各个部分之间的连接关系。自1975年Honeywell 推出第一套DCS 以来，世界上有几十家自动化公司推出了上百种

DCS ，虽然这些系统各不相同，但在体系结构方面却都是大同小异的，所不同的只是采用了不同的计算机、不同的网络或不同的设备。由于DCS 的现场控制站是系统的核心，因此各个厂家都将系统设计的重点放在这方面，每家的现场控制站都有自己独特的设计，从主处理器的设计，到I/O模块的设计；从内部总线的选择，到外形和机械结构的设计，都各有特色，各不相同。而各个厂家的系统之最大差异，在于软件的设计，由于软件设计的不同，使得这些系统在功能上、性能上、易用性上、可维护性上产生了相当大的差异。

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，这两个部分也将被数字化，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，即现场总线实现连接，这将彻底改变整个控制系统的面貌。

图6：现场总线技术进入DCS 后的系统体系结构

目前DCS 已从单纯的底层控制功能发展到了更高层次的数据采集、监督控

制、生产管理等全厂范围的控制、管理系统，因此再将DCS 看做是仪表系统已不符合实际情况，从当前的发展看，DCS 更应该被看成是一个计算机管理控制系统，其中包含了全厂自动化的丰富内涵。从现在多数厂家对DCS 体系结构的扩展就可以看到这种趋势。

首先，几乎所有的厂家都在原DCS 的基础上增加了服务器，用来对全系统的数据进行集中的存储和处理。服务器的概念起源于SCADA 系统，因为SCADA 是全厂收据的采集系统，其数据库是为各个方面服务的，而DCS 作为低层数据的直接来源，在其系统网络上配置服务器，就自然形成了这样的数据库。针对一个企业或工厂常有多套DCS 的情况，以多服务器、多域为特点的大型综合监控自动化系统也已出现，这样的系统完全可以满足全厂自动化这样的系统需求。

这种具有系统服务器的结构，在网络层次上增加了管理网络层，主要是为了完成综合监控和管理功能，在这层网络上传送的主要是管理信息和生产调度指挥信息，图7给出了这种系统结构。从图7可以看出，这样的系统实际上就是一个将控制功能和管理功能结合在一起的大型信息系统。

图7：综合监控自动化系统

6、DCS 的物理结构和各个部分的功能

为了更深入地了解DCS ，我们还必须从其物理结构上，内部的功能实现方法上进行更详细地描述。在这里我们综合了几种在上世纪八十年代、九十年代常见的DCS 做一概括性的介绍。

在物理结构方面，DCS 的现场控制站采取了集中安装的方式。虽然在定义中现场控制站在理论上是可以通过计算机网络被放置到工厂的各个不同的位置，但考虑到运行管理和维护的方便，一般还是集中安装在离主控制室不远的电子设备间中。也就是说，DCS 的分布概念是逻辑上的，而在物理上仍然采用集中安装方式。一般来说，一个现场控制站，包括输入输出模块、主控模块及现场信号

电缆相连接的端子排等，它们被安装在一个电气机柜中，一个机柜（在现场控制站规模较大时也可能用两个并列机柜）是一台现场控制站，多台现场控制站的机柜并列在电子设备间中，这样便于值班人员及时掌握DCS 的运行情况，也便于接线、查线和进行设备维修。

在硬件上，DCS 的现场控制站由以下几个部分组成：

● 过程量I/O，包括模拟量输入输出，开关量输入输出，累积量（计数值）

输入输出和脉冲宽度输入输出等几种。结构形式有插板式和模块式两

种。

● 主控单元，即实现处理和计算的主体，其中包括CPU 、存储器、处理

和计算软件

● 电源、分为逻辑电源和现场电源两种，为过程量I/O接口及主控单元提

供电源的为逻辑电源，为现场量I/O（如干接点式开关量输入的接点电

源、开关量输出继电器的控制线圈电源、供电式仪表的供电电源等）提

供电源的为现场电源。两种电源应该实现电气隔离，不允许共地。

● 通信网络，包括根据需要配置的集线器、交换器、路由器等等。

● 机柜、机架等机械安装结构件。

由于现场控制站直接面向现场的I/O信号，因此需要有几百对电缆（目前多数DCS 都可以达到每个控制站容纳并处理几百个过程I/O点）线从现场引入控制站机柜，这样大量的电缆线如何在机柜内铺设，而且要便于检查、测试，不影响过程量I/O模件的安装、维护、更换，的确是一件很困难的事，不同厂家生产的各种型号的DCS ，可能在电路、逻辑上差别不大，但在机柜内部的结构、信号电缆的排列和接线方面有着相当大的不同，主要原因就是为了工程、使用和维护上的方便考虑。目前各家DCS 的I/O模件，可以归为两大类，一类是插板结构，另一类是模块结构。一般来说，早期的DCS 多采用插板结构，这是因为早期的DCS 在现场控制站内部均采用并行总线实现主控单元、电源和I/O模件的连接，使用插板结构，所有插板都插在一个机架chassis 中并通过一块大的总线背板连接在一起，结构上相当整齐。而且模板的更换十分方便简单。另外，插板结构的安装密度较高，可以容纳较多的I/O点。其缺点是配置不够灵活，在I/O

点的数量较少时也要配置一个完整的机架，如果I/O点数刚好比一个机架的容量多一点，则必须增加一个扩展机架。近年来，由于DCS 的技术不断成熟，成本不断下降，因此许多中小规模的控制工程中越来越地采用了DCS 。这些系统要求有更灵活的配置，使现场控制站的I/O点数能够适应较大的变化范围。因此，近年来在DCS 产品中模块结构逐渐多了起来。特别是在计算机技术取得较快的进步后，原来不够灵活的并行总线逐步被串行总线（现场总线实际上就是一种串行总线）所代替，而串行总线的最大优势就是可以不用大而笨重的总线背板，只依靠一对信号线和一对电源线就可以将各个I/O模件连接在一起，其连接模件的数量可多可少，连接的距离也可以比较长，这些技术上的进步促进了模块结构的发展。模块结构的现场控制站配置很灵活，但安装密度较低，不适于在较大的系统中配置成容量较大的现场控制站。另外，由于各个I/O模块是通过串行总线连接在一起的，因此在维修时，模块的拔下和插上必须保证信号线和电源线一直处于接通状态，以避免影响其它模块的运行。

另外，从工程的角度考虑，还应注意以下几个问题：

● 与现场信号线的连线端子应该有较大空间，以方便检查线和信号，并便

于进行测试

● 现场信号线的接线端子应处在I/O模件的状态指示灯同一侧，最好能使

二者一一对应，以方便调试

● 尽量减少接插件的数量，在接插件中，直接用锣钉固定的方式优于插针

方式，而插针方式优于印制板边缘接触（谷称金手指）方式。绕接方式

的可靠性与用锣钉固定方式相同，但是一次性连接，很难改接

● 机柜内部散热应仔细设计，一般将发热量大的模块放在最靠近散热口的

位置，柜内模块尽量采用自然散热方式的低功耗设计，避免使用风扇，

因为风扇不但噪音大，而且其寿命远低于电子元器件。

● 所有模件的接插，所有电源的接插都应有防误插措施，以免造成误插的

损坏。

● 带有高电压的端子必须有防护罩，以保证人身安全及设备安全。

在软件方面，DCS 的现场控制站中主要包括过程量采集软件，对采集的过程量进行工程量转换的软件，即将采集到的二进制代码转换成为工程量表示的浮

点数，然后将这些工程量集中存放到现场控制站内存中的实时数据库中。在现场控制站中最核心的软件是回路计算软件，该软件以实时数据库中的数据为原始数据，根据预先确定的算法进行计算，将计算结果作为输出对现场实现控制。现场控制站另一个重要的软件是网络通信软件，该软件将系统中各个现场控制站、操作员站、工程师站以及各类功能站连结在一起，互相交换信息，以实现系统的功能。概括来说，DCS 的现场控制站中包括了四大功能软件：过程量输入输出（Driver ）软件、实时数据库管理软件、控制计算软件和网络通信软件。在操作员站中，主要的软件是图形显示软件，实时数据在画面上进行更新显示的软件、操作员操作命令解释及执行软件和网络通信软件。在工程师站中，主要的软件是组态软件（包括实时数据库组态，控制算法组态，图形显示组态，系统结构组态等）和系统运行状态监视的软件。其中组态软件分为离线组态和在线组态两种，离线组态是在系统不在线运行时进行组态并下装，这些工作完成后再启动系统运行，在线组态是在系统在线运行时进行组态及在线下装，一般用于对原有组态进行更改。在线组态的难度是相当高的，也存在较大的风险，因为系统在线运行时要依靠实时数据库提供原始数据，要依靠预定的算法及参数进行计算，得到控制量，还要对现场进行输出，实现控制动作，这里任何一个环节都不能够出现偏差和错误，而在线组态，在线下装要对这些运行着的数据进行改变，稍有不慎就会造成失控，引起生产事故甚至危及生命财产，因此要非常慎重。另外，在线组态往往不改变原始组态文件，因此在系统重启时会恢复到原始组态，如果希望将在线组态中修改过的参数固定下来，必须同时做离线组态以改变原始组态文件，而且要注意两者的一致性。

7、对DCS 性能指标的简要介绍

由于DCS 是一个比较复杂的系统，而且DCS 与具体的应用是紧密结合的，要想衡量某一种DCS 的优劣，不是几个简单的指标就可以做到的，必须全面、综合地进行评价才可以得到接近实际的结论。一般来说，我们不能绝对地说哪个系统好或不好，而只能说在哪个应用场合用哪种系统更加适合。

评价DCS 性能的指标主要有：系统的实时性、系统精确度、系统容量、系统可靠性、系统稳定性、系统安全性、系统的环境适应性、系统的现场接口性能、

系统的人机接口性能、系统的易用性和可维护性、系统的灵活性和可扩展性等若干方面。在这里没有列出的是系统的价格，但在决定系统选型时，这是一个非常关键的因素。由于价格因素的制约，因此在DCS 选型时不能够一味追求各方面都是最高的性能指标，而是要通过仔细考察和分析，确定一组适用的指标，在满足应用需求的条件下选择性能价格比最优的系统。

下面分别对各个方面的性能指标进行简单介绍，详细的讲解将在后面的章节中进行。

（1）、系统的实时性指标：

系统实时性是指系统的各项处理与被控过程变化速度的适应能力。这里强调的是适应，而不是越快越好。因为被控过程的变化速度有快有慢，但控制系统要能够与其相匹配，而且要求这种匹配是确定性的，也就是说在被控过程要求的速度范围内，系统确定可以做出正确的响应。

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• 最小回路控制周期和各个回路控制周期的可调范围 操作命令的响应时间和完成时间 实时数据库中的数据更新周期 在系统各个站之间的数据传送周期 人机界面的模拟图调出周期、画面切换周期和画面中实时数据的更新周

期

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• 各个站的处理能力余量，包括CPU 时间和存储量 网络传输能力的余量

（2）、系统的精确度指标：

系统的精确度最主要的作用域是对现场的测量和控制，而对于控制，由于控制算法需要通过组态实现，因此系统最终表现出来的精确度中包含了组态的因素，这是系统无法控制的，因此在进行系统精确度评价时要注意排除组态的因素。

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• 模拟量转换（A/D和D/A）的分辨率和精确度 回路控制的精确度 模拟量输入输出的频率响应特性 模拟量输入输出对现场干扰的排除能力 模拟量输入输出的温度漂移和时间漂移

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• 系统采样的同时性（最小采样周期） 系统内各个站之间的时间同步精确度

（3）、系统容量指标：

在系统容量的各项指标方面，存在着理论容量和实际可行容量之分，理论容量往往是由软件决定的，如采用32位的数据库索引，则数据库最大容量的理论值就可达到4G （4,294,967,296个数据项，接近43亿），而实际上这是不可能的，因此在做系统容量的评价时都是指其实际可行的容量，这个指标受到系统的硬件配置、系统实时性指标、系统可用的安装空间、控制算法的复杂程度等诸多因素的制约。

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• 系统可容纳的最大I/O点数量、最大控制回路数量 每个现场控制站可容纳的最大I/O点数量、最大控制回路数量 每个机柜可容纳的最大I/O点数量 逻辑电源和现场电源的容量 实时数据库的最大容量（可容纳的数据量） 系统最大的现场控制站、操作员站和其它功能站的数量 系统可与外界（其它系统）交换数据的数量 系统余量（包括I/O点数量、控制回路数量、电源容量、各种站数量等）

（4）、系统的可靠性和稳定性指标：

衡量系统可靠性常使用可用率A ，而衡量单机产品则多用平均无故障时间MTBF 。不论是哪个指标，其表达的都是一种概率，而不是一个确定的数值，因此可靠性指标只是一个定性的指标。系统稳定性指标则表明系统在各种不同环境条件和不同状态下保持其功能实现和性能指标的能力。

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• 整个系统的可用率A ，用百分数表示 各类站的平均无故障时间MTBF ，以小时为单位 长时间运行和环境条件发生变化后系统各项系统性能的改变

（5）、系统安全性指标：

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• 系统的防爆性能 系统对现场出现失控的几率、出现误控的几率 在各种不同工况下，包括最恶劣工况下输出正确结果的能力

• 在系统出现故障或受到外力破坏时导向安全状态的能力

（6）、系统的环境适应性指标：

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• 温度、湿度、气压适应性 防腐蚀性气体能力 抗电磁干扰能力（包括防雷击） 抗震能力 防尘防水能力

（7）、系统的现场接口性能指标：

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• 共摸干扰抑制比和差摸干扰抑制比 系统与现场之间的电气隔离 现场信号之间的电气隔离 系统的现场端口保护 系统输入端口的输入阻抗 系统输出端口的带负载能力

（8）、系统的人机接口性能指标：

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• 对系统的各项操作的方便性（重要操作一键完成） 模拟画面的清晰度和表现力 报警信息的提示方式是否及时、醒目、易理解、无歧义 对操作范围和操作权限的限定和检查 操作记录功能和事件追溯功能

（9）、系统的易用性和可维护性指标：

系统的易用性表现在系统能否提供强有力的工具，使用户能够进行灵活的组态、方便的运行管理和各种操作，如记录、查询、存档等。在安装调试方面，系统是否便于接线、查线、测量和调整信号等。可维护性是指系统能否在出现局部故障时使运行维护人员尽快发现并及时处理，尽量缩短维修时间。例如允许在不停电的情况下更换模块就非常有利于快速排除故障。

（10）、系统的灵活性和可扩展性指标：

系统的灵活性指系统可根据使用要求灵活配置的能力，如现场控制站的大小、安装位置能否灵活地进行配置和安排，各种站的功能能否灵活地进行定义等

等。

系统的可扩展性指系统的规模、功能、处理能力等是否能够在运行后对其方便地添加，系统是否提供了安全方便的二次开发环境和工具，以便于用户可以根据需要增加应用功能。