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：控制方式连续控制离散控制相关要素运行方式连续分步骤控制目标预期的允许偏差范围预期的状态或位置控制算法PID等数学方程逻辑公式时间特性与过程适应的控制周期各个步骤的执行和间隔时间控制质量目标参数的控制精度逻辑关系的正确性稳定性要求干扰工况下尽量小的偏离干扰工况下无错误动作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： 控制装置执行器过程监测元件，变送器u(t)q(t)c(t)y(t)r(t)e(t)+设定值比较机构控制器f(t)被控变量-测量值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。