DCS的基本構成

不同廠家生產的DCS系統各不相同，但在體系結構方面卻大同小異，所不同的只是采用了不同的計算機、不同的網絡或不同的設備。由于DCS的現場控制站是系統的核心，因此各個廠家都把系統設計的重點放在這里，從主處理器、I/O模塊的設計，從內部總線的選擇到外形和機械結構的設計，都各有特色。但是最大差異還是在于軟件的設計和網絡的設計，使這些系統在功能上、性能上、易用性上及可維護性上產生了相當大的差異。

集散控制系統的硬件結構采用模塊化的設計。一個最基本的DCS應包括4個大的組成部分：至少一臺現場控制站，至少一臺操作員站和一臺工程師站（也可利用一臺操作員站兼 做工程師站)，一條系統網絡。一個典型的DCS體系結構如圖6-2所示，圖中表明了 DCS各主要組成部分和各部分之間的連接關系。

除了上述4個基本的組成部分之外，DCS還可包括完成某些專門功能的站、擴充生產管理和信息處理功能的信息網絡，以及實現現場儀表、執行機構數字化的現場總線網絡。

1.操作員站

操作員站主要完成人機界面的功能，一般采用桌面型通用計算機系統，如圖形工作站或個人計算機等。其配置與常規的i面系統相同，但要求有大尺寸的顯示器（CRT或液晶屏） 和性能好的圖形處理器，有些系統還要求每臺操作員站使用多屏幕，以拓寬操作員的觀察范圍。為了提高畫面的顯示速度，一般都在操作員站上配置較大的內存。

1.1 現場控制站

現場控制站是DCS的核心，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，因此對它的設計、生產及安裝都有很高的要求?，F場控 制站的硬件一般都釆用專門的工業級計算機系統，其中除了計算機系統所必需的運算器（主 CPU)、存儲器外，還包括了現場測量單元、執行單元的輸入/輸出設備，即過程量I/O或現場I/O。在現場控制站內部，主CPU和內存等用于數據的處理、計算和存儲的部分被稱為邏輯部分，而現場I/o則被稱為現場部分，這兩個部分是需要嚴格隔離的，以防止現場的各種 信號，包括干擾信號對計算機的處理產生不利的影響?，F場控制站內的邏輯部分和現場部分 的連接，一般采用與工業計算機相匹配的內部并行總線，如Multibus、VME、STD、ISA、 PCI04、PCI 和 Compact PCI 等。

由于并行總線結構比較復雜，用其連接邏輯部分和現場部分很難實現有效的隔離，成本較高，很難方便地實現擴充，現場控制站內的邏輯部分和現場i/o之間的連接方式轉向了串行總線。

串行總線的優點是結構簡單，成本低，很容易實現隔離，而且容易擴充，可以實現遠距離的I/O模:決連接。近年來，現場總線技術的快速發展更推進了這個趨勢，目前直接使用現 場總線產品作為現場I/O模塊和主處理模塊的連接己很普遍，如CAN、Profibus、Devicenet、 Lonwrks及FF等。由于DCS的現場控制站有比較嚴格的實時性要求，需要在確定的時間期 限內完成測量值的輸入、運算和控制量的輸出，因此現場控制站的運算速度和現場i/o速芒都應該滿足很高的設計指標。一般在快速控制系統（控制周期最快可達到50ms)中，應該采用較高速的現場總線，而在控制速度要求不是很高的系統中，可采用較低速的現場總線，這樣可以適當降低系統的造價。

1.2 工程師站

工程師站是DCS中的一個特殊功能站，其主要作用是對DCS進行應用組態。應用組態是DCS應if過程當中必不可少的一個環節，因為DCS是一個通用的控制系統，在其上可實 現各種各樣的應用，關鍵是如何定義一個具體的系統完成什么樣的控制，控制的輸入/輸出量是什么，控制回路的算法如何，在控制計算中選取什么樣的參數，在系統中設置哪些人機界面來實現人對系統的管理與監控，還有諸如報警、報表及歷史數據記錄等各個方面功能的定義，所有這些都是組態所要完成的工作，只有完成了正確的組態，一個通用的DCS才能夠成為一個針對具體控制應用的可運行系統。

組態工作是在系統運行之前進行的，或說是離線進行的，一旦組態完成，系統就具備了運行能力。當系統在線運行時，工程師站可起到1個對DCS本身的運行進行狀態進行監視的作用能及時發現系統出現的異常，并及時進行處置。在DCS在線運行當中，也允許進行組態， 并對系統的一些定義進行修改和添加，這種操作被稱為在線組態，同樣，在線組態也是工程師站的一項重要功能。

一般在一個標準配置的DCS系統中，都配有一臺專用的工程師站，也有些小型系統不配 置專門的工程師站，而將其功能合并到某臺操作員站中，在這種情況下，系統只在離線狀態具有工程師站，而在在線狀態下就沒有了工程師站的功能。當然也可以將這種具有操作員站和工程師站雙重功能的站設置成可隨時切換的方式，根據需要使用該站來完成不同的功能。

1.3 服務器及其他功能站

在現代的DCS結構中，除了現場控制站和操作員站以外，還可以有許多執行特定功能的計算機，如專門記錄歷史數據的歷史站，進行高級控制運算功能的高級計算站，進行生產管理的管理站等。這些站也都通過網絡實現與其他各站的連接，形成一個功能完備的復雜的控制系統。

隨著DCS的功能不斷向高層擴展，系統已不再局限于直接控制，而是越來越多地加入了 監督控制乃至生產管理等高級功能，因此當今大多數DCS都配有服務器。服務器的主要功能是完成監督控制層的工作 如整個生產裝置乃至全廠的運行狀態監視，對生產過程各個部分出現的異常情況及時發現并及時處置 向更高層的生產調度和生產管理，直至企業經營等管理系統提供實時數據和執行調節控制操作等?；蛘吆唵沃v，服務器就是完成監督控制，或稱SCADA功能的主節點。

在一個控制系統中，監督控制功能是必不可少的，雖然控制系統的控制功能主要靠系統 的直接控制部分完成，但是這部分正常工作的條件是生產工況平穩、控制系統各部分工作在正常狀態下。而一旦出現異常情況，就必須實行人工干預，使系統回到正常狀態，這就是SCADA功能的最主要作用。在規模較小 功能較簡單的DCS系統中，可以利用操作員站實現系統的SCADA功能，而在系統規模較大，功能復雜時 則必須設立專門的服務器節點。

1.4 系統網絡

DCS的另一個重要的組成部分是系統網絡，它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， 因此系統網絡的實時性、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，因此都是由各個DCS廠家專門精心設計的， 以太網逐步成為事實上的工業標準，越來越多的DCS廠家直接釆用了以太網作為系統網絡。

在以太網的發展初期，是為滿足事務處理應用需求而設計的應用系統，其網絡介質訪問的特點比較適宜傳輸信息的請求隨機發生，每次傳輸的數據量較大而傳輸的次數不頻繁，因 網絡訪問碰撞而出現的延時對系統影響不大。而在工業控制系統中，數據傳輸的特點是需要 周期性的進行傳輸，每次傳輸的數據量不大而傳輸次數比較頻繁，而且要求在確定的時間內完成傳輸，這些應用需求的特點并不適宜使用以太網，特別是以太網傳輸的時間不確定性， 更是其在工業控制系統中應用的最大障礙。但是由于以太網應用的廣泛性和成熟性，特別是它的開放性，使得大多數DCS廠家都先后轉向了以太網。近年來，以太網的傳輸速率有了極 大的提高，從最初的10Mbit/s發展到現在的100Mbit/s甚至達到10Gbit/s，這為改進以太網的 實時性創造了很好的條件。尤其是交換技術的采用，有效地解決了以太網在多節點同時訪問 時的碰撞問題，使以太網更加適合工業應用。許多公司還在提高以太網的實時性和運行于工 業環境的防護方面做了非常多的改進。因此當前以夭網己成為DCS等各類工業控制系統中廣泛采用的標準網絡，但在網絡的高層規約方面，目前仍然是各個DCS廠家自有的技術。

1.5 現場總線網絡

早期的DCS在現場檢測和控制執行方面仍采用了模擬式儀表的變送單元和執行單元，在現場總線出現以后，這兩個部分也被數字化，因此DCS將成為一種全數字化的系統。在以往采用模擬式變送單元坪執行單元時，系統與現場之間是通過模擬信號線連接的，而在實現全數字化后，系統與現場i間的連接也將通過計算機數字通信網絡，即通過現場總線實現連接， 這將徹底改變整個控制系統的面貌。

由于現場總線涉及到現場的測量和執行控制等與被控對象關系密切的部分，特別是它將使用數字方式傳輸數據而不是使用簡單的4?20mA模擬信號，其傳輸的內容也完全不局限于測量值或控制量，而包含了許多與現場設備運行相關的數據和信息，因此現場總線的傳輸問 題要比模擬信號的傳輸問題復雜得多，這就是現場總線雖已出現多年，但至今仍然不能形成 如4?20mA這樣統一標準的原因。這種多標準并存的局面很有可能長期延續下去，因為工業的應用是復雜多樣的，而現場總線又涵蓋了許多應用方面的內容（4?20mA標準僅僅實現了各種物理量的電氣表示，而不管被表示的物理量做什么用途)，加上各個利益集團的競爭，因 此在一個不會很短的時期內，無法用一個單一的標準來滿足所有需求。

1.6 高層管理網絡

目前DCS已從單純的低層控制功能發展到了更高層次的數據采集、監督控制、生產管理等全廠范圍的控制、管理系統，因此再將DCS看作是儀表系統已不符合實際情況，從當前的發展看，DCS更應該被看成是一個計算機管理控制系統，其中包含了全廠自動化的豐富內涵。 從現在多數廠家對DCS體系結構的擴展就可以看到這種趨勢。

幾乎所有的廠家都在原DCS的基礎上增加了服務器，用來對全系統的數據進行集中的存 儲和處理。服務器的概念起源于SCADA系統，因為SCADA是全廠數據的采集系統，其數據庫是為各個方面服務的，而DCS作為低層數據的直接來源，在其系統網絡上配置服務器， 就自然形成了這樣的數據庫。針對一個企業或工廠常有多套DCS的情況，以多服務器、多域為特點的大型綜合監控自動化系統也已出現，這樣的系統完全可以滿足全廠多臺生產裝置自動化及全面監控管理的系統需求。