DCS控制系统设计
1 DCS的发展背景及现状
1.1 DCS系统的发展背景
随着工业现代化的飞速发展，工艺过程日趋复杂，流程中前后工序的相互关联与制约更加紧密，与此同时，为连续、安全、平稳生产，提高效率及质量，相应地对过程信息与控制管理提出了更高的要求。
在50^-60年代，工业自动化仪表以气动仪表为主，仪表信号为气源信号。随着电子技术的迅速发展，在50年代末60年代初出现了电动单元组合仪表，并得到广泛的应用。仪表信号也由气动信号变为电信号，在具体实施中，其施工维护的难度及强度也大大的减小。
60年代末，工业生产规模不断扩大，生产过程的复杂程度在不断增加，工艺流程中各单元之间的藕合关联度也在不断加强，常规的电动单元组合仪表已不能满足需求，对于工业控制系统，除了要求完成常规控制外，还要求系统既能处理大量数据，又能实现高级控制，于是便逐渐引入计算机控制
计算机控制在实现集中监控的功能时，同时使实现高级控制、信息通信等功能变得更加容易，其控制精度高的优点，使生产过程综合控制水平得到进一步提高。但是，在一个大型化工厂或生产装置中，一台计算机控制系统往往要集中控制几十个甚至几百个回路以及几百个需要集中显示操作报警的过程变量，显然随着控制功能高度集中，事故发生的危险性也高度集中，一旦计算机控制系统出现故障，控制、操作、监视将无法进行，给生产带来很大影响，甚至会造成全局性的重大事故。由于计算机控制系统的不足之处，常采用双机运行方式或以常规模拟仪表作为后备，是经常采用的方法，这种做法最终导致维护工作量增大，成本增加，并且对于危险分散和可靠性提高的问题仍然没有解决。
进入70年代中期，随着大规模集成电路的问世、微处理器的诞生，控制技术、计算机技术、显示技术、通讯技术等得到进一步发展，开发研制出了以微处
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理器为基础的新型过程控制系统—DCS系统，该系统集成了常规模拟仪表和计算机控制系统的优点，使控制系统安全性和可靠性得到进一步提高。
DCS系统是按照分级递阶结构进行组织的，在硬件上，按控制功能或区域将微处理器进行分散配置给各个控制站，每个控制站可控制多个回路。若干个控制站组合成整套控制系统，控制整个生产过程，从而达到了控制功能分散、危险分散的目的:系统中使用多台计算机对生产过程进行监视、操作和管理，各个站通过完全双重化的数据通信系统连接起来。此外以微处理器为基础的分散控制系统，解决了常规模拟仪表系统控制功能单一、人机接口不好的缺点;系统将连续控制、批量控制、顺序控制、数据采集处理、操作、管理与生产过程有机结合起来。
1. 2 DCS系统的发展概况
1975年，美国霍尼韦尔公司首次发布TDC2000系统，从此过程控制进入分散控制系统的时代。同期日本横河株式会社(YOKOGAWA)推出的CENTUM;美国泰勒仪器公司推出MOD Ⅲ系统；美国贝利控制公司推出NETWORK-90系统;美国福克斯波罗公司堆出I/A S；美国西屋公司推出WODPF系统；德国西门子公司推出TELEPERM M系统；英国肯特过程控制公司推出P 400系统等。
目1975年以采，随看分散型径制系统的硬件和软件功能的小断完善和发展，DCS系统的发展大致经历了三个阶段，DCS系统在不同阶段采取的重点技术不同，表现如下：
第一阶段：1975年~1980年；
采用以微处理器为基础的过程控制单元，操作站与过程控制单元相分离，实现了分散控制和集中管理的功能；系统在完成具有各种控制功能算法功能的同时还具备自诊断功能；在硬件制造和软件设计中采用了抗干扰措施等可靠技术，对进行数据处理：采用先进的冗余通信技术，使系统更为可靠。
第二阶段：1980年~1985年；
随着需求量的变化、产品升级换代的周期越来越短，单纯以控制为目的过程控制系统已经不再适应市场需求；系统需要新增批量控制功能和顺序控制功能，多功能过程控制单元随之产生。
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随着产品竞争越来越激烈，优化管理和质量管理的需求迫使生产厂商不断提高产品质量、增加产品种类，以提高系统性能操作站及过程控制单元均采用16位微处理器，工厂级数据向过程级分散，更强的图形显示、报表生成等功能，使得系统功能进一步增强;
由于工艺生产过程要求控制系统的规模多样化需求的提出，通过软件扩展和组织规模不同的系统，在局部控制网络上挂接历史模件、应用模件和计算机模件等，使系统功能得到强化。
随着计算机网络技术的发展，信息管理被提上日程，局域网技术被引入，网络上各设备处于“平等”的地位，传输方式为广播室，网络控制以令牌传送方式;因此通讯系统的进步，更加方便的将控制站、操作站、PLC和计算机互连使系统信息管理成为可能。
第三阶段：1985年以后；
DCS系统技术已经发展到一定的水平，但是各厂商出于利益保护的目的，都采用了封闭式系统。要实现企业信息化管理，就要求系统采用开放的、标准的系统网络，从而达到使不同功能、种类的仪表设备、系统实现通信、数据共享的目的。
为了满足不同用户的需求，适应中、小规模的连续、间歇或批量控制的生产装置的中、小规模的系统被开发。操作站采用了32位微处理器，使处理的信息量得到扩大、质量得到进一步提高。操作站采用触摸屏幕或鼠标，并且运用窗口技术及智能显示技术；操作完全图形化，内容丰富、直观，画面显示的速度加快。系统软件通常采用实时多用户多任务的操作系统，符合国际上的通用标准，支持多种语言、以及梯形逻辑语言和一些编程语言。
组态软件提供了计算、逻辑、转换、顺序、控制等功能模块，利用这些模块可以方便的组合成各种不同回路，除了能实现连续控制、逻辑控制、顺序控制功能外，还能实现PID参数自整定和自适应控制。组态采用方便的菜单或填空方式，组态过程更加便捷，功能更加丰富和完善。
1.3 国内外DCS系统研究现状
受信息技术（网络通信技术、计算机硬件技术、嵌入式系统技术、现场总线
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技术、各种组态软件技术、数据库技术等）发展的影响，以及用户对先进的控制功能与管理功能需求的增加，各DCS厂商如Honeywell、Emerson、Foxboro、横河、ABB等，纷纷采用先进技术，使得系统功能得到进一步提升。通过与第三代DCS系统相比较，系统发生了根本性的变化。
当前DCS系统已进入第四代。以Honeywell公司最新推出的Experion PKS(过程知识系统)、Emerson公司的Plant Web (Emerson Process Management)、Foxbor公司的A2、横河公司的R3（PRM—工厂资源管理系统）和ABB公司的Industrial IT系统为标志的新一代DCS已经崭露头角。
第四代的DCS系统几乎全部采用工EC61131-3标准进行组态软件设计。该标准原为PLC语言设计提供的标准。当前的小型和微型PLC不仅具备了过去大型PLC的所有基本逻辑运算功能，而且高级运算、通信以及常规控制也能实现。一些DCS系统就直接采用成熟的PLC作为底层控制单元使得系统的控制分散、危险分散的设计初衷得到充分的体现。
目前，以国电智深、和利时、浙大中控、上海新华为代表的国内DCS厂家经过20年的努力，各自先后推出了自己的DCS系统：国电智深推出EDPF-NT，和利时推出MACS—Smartpro、浙大中控推出Webfield(ECS)系统、新华推出XDPF-400系统。四家厂商积极努力，通过竞争成功地将自主系统应用于各种工业现场，正在逐步取得用户的认可。新华公司在火力发电方面取得显著成绩，浙大中控在化工控制等方面业绩突出，国电智深、和利时公司在核电、热电、化工、水泥、制药以及造纸等方面取得了一定的业绩。
在中国的DCS系统市场上，四家国内厂商已经具备了相当的竞争能力。使得国外的DCS系统纷纷降价，为DCS系统在国内工业企业的普及应用，特别是在中小型企业中的应用做出了积极贡献。
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DCS系统关键技术
2.1 工业自动化控制技术
通过组态软件，对过程I/0回路进行组态，通过系统提供的I/O接口，现场仪表设备经由电缆与系统相连，所有信号经过转换、处理，并在模拟的仪表显示画面中显示监控数据;通过软件功能，在操作站上输出控制信号，控制现场执行器达到控制过程的目的，系统中的每个回路都具备常规单元组合仪表的功能。
针对连续的模拟量控制系统，基于反馈控制原理，使用PID控制规律，对检测输出量和给定量之间的偏差一时间函数进行比例、积分、微分计算，计算结果作为控制量，经电路转换、放大等处理后作为控制信号对执行器的动作进行控制，不断修正被控量和控制量之间的偏差从而实现对被控量进行控制。
通过组态软件所提供的功能，模拟单元组合仪表功能，能够方便的利用软件功能模块组成诸如串级控制回路、三冲量控制回路、均匀调节、比值调节、前馈等各种功能的复杂的调节回路。系统具备过程逻辑控制功能，按照工艺过程的设计要求，通过功能完善的组态软件编写逻辑控制、顺序控制程序，实现工艺联锁、设备顺控的功能。
2.2 分散型集中控制技术
2.2.1 分级分布式设计结构
在策略上，系统采用四级分布式模式，第一级为过程控制，根据上层决策直接控制过程;第二级为优化控制，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，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下运行;第四级为工厂管理，其任务是决策、计划、管理、调度与协调，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。
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