集散控制

分佈式控制系統（DCS，Distributed Control System），習慣稱為集散控制系統。它是一個由過程控制級和過程監控級組成的以通信網絡為紐帶的多級計算機系統，綜合了計算機（Computer）、通訊（Communication）、顯示（CRT）和控制（Control）等4C技術，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態方便。

集散控制技術是以通信網絡為基礎，綜合應用計算機、通信、顯示和控制等技術，實現生產過程集中管理、分散控制的多級計算機監控技術。 ^[1] 

集散控制系統以多台微處理機分散應用於過程控制，通過通信網絡、CRT顯示器、鍵盤、打印機等設備又實現高度集中的操作、顯示和報警管理。這種實現集中管理、分散控制的新型控制裝置，自1975年問世以來，發展十分迅速，已經得到了廣泛的應用。 ^[2] 

集散控制系統（DCS，Distributed Control System）是指對生產過程集中操作、管理、監視和分散控制的一種全新的分佈式控制系統。該系統將若干台微機分散應用於過程控制，全部信息通過通信網絡由上位管理計算機監控，實現最優化控制，通過CRT裝置、通信總線等，進行集中操作、顯示、報警。整個裝置繼承了常規儀表分散控制和計算機集中管理的優點，克服了常規儀表功能的單一、人-機聯繫差，以及單台微型計算機控制系統危險性高度集中的缺點，既在管理、操作和顯示三方面集中，又在功能、負荷和危險性三方面分散。DCS是在20世紀七八十年代發展起來的，是一種新型的控制系統。 ^[2] 

集散控制系統推出以來，結構和性能日益完善，其發展大體可分為三個階段：

第一階段：1975~1976年，集散系統的誕生時期。

第二階段：1977~1984年，集散系統飛速發展時期。隨着信息處理技術和計算機網路技術的發展，一方面更新集散系統的原有硬件和軟件，另一方面積極開發高一層次的信息管理系統。

第三階段：1985年，綜合信息管理系統的推出。在原有的過程控制層和過程控制管理層的基礎上增加了第三層，即綜合信息管理層，更多地關心高層信息的格式、傳輸、處理、存儲、共享等問題。 ^[3] 

集散控制系統的主要基礎是4C技術，也就是計算機（Computer）、控制（Control）、通信（Conmmunication）以及CRT顯示技術，主要是在微處理器的基礎上對生產過程來進行集中監視、操作、管理和分散控制的集中分散控制系統。 ^[4] 

雖然集散控制系統的品種繁多，但系統的基本組成是相似的，一般由五大部分組成。

1.過程控制單元。又可稱為基本控制器或是閉環控制站，它是集散控制系統的核心，主要完成算式運算功能、順序控制功能、連續控制功能、過程I/O功能、數據處理功能報警檢查功能和通信功能等。該單元在各種集散系統中差別較大、控制通路2~64個，固有算法7~212種，類型有PID、選擇性控制、非線性增益、位式控制、多項式係數、函數計算、史密斯預估。工作週期為0.1~2s。 ^[2] 

2.過程輸入/輸出接口。它直接與生產過程相連接，實現對過程變量進行數據採集，主要完成數據採集和預處理，並對實時數據進一步加工，為操作站提供數據，實現對過程變量和狀態監測、打印，實現開環監視，或為控制迴路運算提供輔助數據和信息。 ^[2] 

3.操作員站。它是操作人員進行過程監視、過程控制操作的主要設備。操作員站提供良好的人機交互界面，用以實現集中顯示、集中操作和集中管理等功能。有的操作員站可以進行系統組態的部分或全部上作，兼具工程師站的功能。 ^[2] 

4.高速數據通路。它又可稱為高速通信總線、大道、公路，是一種具有高速通信能力的信息總線，一般採用雙絞線、同軸電纜或光導纖維構成。為了實現集散控制系統各站之間數據的合理傳送，通信系統必須採用一定的網絡結構，並遵循一定的網絡通信協議。 ^[2] 

5.管理計算機。它是集散控制系統的主機，習慣上稱它為上位機，它監視全系統的各單位，管理全系統的所有信息，具有進行大型複雜運算的能力以及對輸入、多輸出控制功能，以實現系統的最優控制和全廠的優化管理。 ^[2] 

集散控制系統具有集中管理和分散控制的顯著特徵，成為了當前主流的過程工業自動化控制與管理設備，它的主要特點可以分為以下幾個方面。 ^[2] 

1.功能分散。功能分散是指對過程參數的運算處理、檢測、控制策略的實現、控制信息的輸出以及過程參數的實時控制等都是在現場的控制單元中自動進行，從而實現了功能的高度分散。一方面，控制和數據採集設備可以儘可能地接近現場安裝，避免了模擬信號的遠距離傳輸，提高了運行的可靠性；另一方面，所有的過程控制單元都由自身的計算機管理，使系統發生故障時影響面小，危險分散，提高了系統的安全性。 ^[2] 

2.分級遞階結構。它是從系統工程出發，考慮系統控制功能分散、提高可靠性、強化系統應用靈活性、危險分散、降低投資成本、便於維修和技術更新等而得出的。分級遞階結構通常分為四級。第一級是過程控制級，根據上層決策直接控制過程或對象的狀態；第二級是優化控制級，根據上層給定的目標函數或約束條件、系統辨識的數學模型得出優化控制策略，對過程控制進行設定點控制；第三級為自適應控制級，根據運行經驗，補償工況變化對控制規律的影響，維持系統在最佳狀態；第四級為工廠管理級，其任務是決策、管理、計劃、調度和調節，根據系統總任務或總目標。規定各級任務並決策協調各級任務。 ^[2] 

3.信息綜合與集中管理。集中監視可以提供豐富的顯示手段和顯示方式，給出全局和局部的運行信息，更好地監視和管理生產過程。集中管理與操作可以保證操作的一致性，改變系統運行條件的操作是由專門人員進行，減少了誤操作的可能。 ^[2] 

DCS在控制上的最大特點是依靠各種控制、運算模塊的靈活組態，可實現多樣化的控制策略以滿足不同情況下的需要，使得在單元組合儀表實現起來相當繁瑣與複雜的命題變得簡單。隨着企業提出的高柔性、高效益的要求，以經典控制理論為基礎的控制方案已經不能適應，以多變量預測控制為代表的先進控制策略的提出和成功應用之後，先進過程控制受到了過程工業界的普遍關注。需要強調的是，廣泛應用各種先進控制與優化技術是挖掘並提升DCS綜合性能最有效、最直接、也是最具價值的發展方向。 ^[5] 

在實際過程控制系統中，基於PID控制技術的系統佔80%以上，PID迴路運用優劣在實現裝置平穩、高效、優質運行中起到舉足輕重的作用，各DCS廠商都以此作為搶佔市場的有力競爭砝碼，開發出各自的PID自整定軟件。另外，根據DCS的控制功能，在基本的PID算法基礎上，可以開發各種改進算法，以滿足實際工業控制現場的各種需要，諸如帶死區的PID控制、積分分離的PID控制、微分先行的PID控制、不完全微分的PID控制、具有邏輯選擇功能的PID控制等等。 ^[5] 

與傳統的PID控制不同，基於非參數模型的預測控制算法是通過預測模型預估系統的未來輸出的狀態，採用滾動優化策略計算當前控制器的輸出。根據實施方案的不同，有各種算法，例如，內模控制、模型算法控制、動態矩陣控制等。實用預測控制算法已引入DCS，例如IDCOM控制算法軟件包已廣泛應用於加氫裂化、催化裂化、常壓蒸餾、石腦油催化重整等實際工業過程。此外，還有霍尼韋爾公司的HPC，橫河公司的PREDICTROL，山武霍尼韋爾公司在TDC-3000LCN系統中開發的基於卡爾曼濾波器的預測控制器等等。這類預測控制器不是單純把卡爾曼濾波器置於以往預測控制之前進行噪聲濾波，而是把卡爾曼濾波器作為最優狀態推測器，同時進行最優狀態推測和噪聲濾波。 ^[5] 

先進控制算法還有很多。國內、外許多控制軟件公司和DCS廠商都在競相開發先進控制和優化控制的工程軟件包，希望在組態軟件中嵌入先進控制和優化控制策略。 ^[5] 

近年來，在DCS關聯領域有許多新進展，主要表現在如下一些方面。

（1）系統功能向開放式方向發展 傳統DCS的結構是封閉式的，不同製造商的DCS之間難以兼容。而開放式的DCS將可以賦予用户更大的系統集成自主權，用户可根據實際需要選擇不同廠商的設備連同軟件資源連入控制系統，達到最佳的系統集成。這裏不僅包括DCS與DCS的集成，更包括DCS與PLC、FCS及各種控制設備和軟件資源的廣義集成。

（2）儀表技術向數字化、智能化、網絡化方向發展 工業控制設備的智能化、網絡化發展，可以促使過程控制的功能進一步分散下移，實現真正意義上的“全數字”、“全分散”控制。另外，由於這些智能儀表具有的精度高、重複性好、可靠性高，並具備雙向通信和自診斷功能等特點，致使系統的安裝、使用和維護工作更為方便。

（3）工控軟件正向先進控制方向發展 廣泛應用各種先進控制與優化技術是挖掘並提升DCS綜合性能最有效、最直接、也是最具價值的發展方向，主要包括先進控制、過程優化、信息集成、系統集成等軟件的開發和產業化應用。在未來，工業控制軟件也將繼續向標準化、網絡化、智能化和開放性發展方向。

（4）系統架構向FCS方向發展 單純從技術而言，現階段現場總線集成於DCS可以有三種方式：① 現場總線於DCS系統I/O總線上的集成――通過一個現場總線接口卡掛在DCS的I/O總線上，使得在DCS控制器所看到的現場總線來的信息就如同來自一個傳統的DCS設備卡一樣。例如Fisher-Rosemount公司推出的DeltaV系統採用的就是此種集成方案。② 現場總線於DCS系統網絡層的集成――就是在DCS更高一層網絡上集成現場總線系統，這種集成方式不需要對DCS控制站進行改動，對原有系統影響較小。如Smar公司的302系列現場總線產品可以實現在DCS系統網絡層集成其現場總線功能。③ 現場總線通過網關與DCS系統並行集成――現場總線和DCS還可以通過網關橋接實現並行集成。如SUPCON的現場總線系統，利用HART協議網橋連接系統操作站和現場儀表，從而實現現場總線設備管理系統操作站與HART協議現場儀表之間的通信功能。 ^[5] 

一直以來DCS的重點在於控制，它以“分散”作為關鍵字。但現代發展更着重於全系統信息綜合管理，今後“綜合”又將成為其關鍵字，向實現控制體系、運行體系、計劃體系、管理體系的綜合自動化方向發展，實施從最底層的實時控制、優化控制上升到生產調度、經營管理，以至最高層的戰略決策，形成一個具有柔性、高度自動化的管控一體化系統。