集散控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱dcs，也可直譯為“分散控制系統(tǒng)”或“分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)”。它采用控制分散、操作和管理集中的基本設(shè)計(jì)思想，采用多層分級(jí)、合作自治的結(jié)構(gòu)形式。其主要特征是它的集中管理和分散控制。目前dcs在電力、冶金、石化等各行各業(yè)都獲得了極其廣泛的應(yīng)用。
dcs通常采用分級(jí)遞階結(jié)構(gòu)，如圖1所示，每一級(jí)由若干子系統(tǒng)組成，每一個(gè)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)若干特定的有限目標(biāo)，形成金字塔結(jié)構(gòu)。
可靠性是dcs發(fā)展的生命，要保證dcs的高可靠性主要有三種措施：一是廣泛應(yīng)用高可靠性的硬件設(shè)備和生產(chǎn)工藝；二是廣泛采用冗余技術(shù)；三是在軟件設(shè)計(jì)上廣泛實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的容錯(cuò)技術(shù)、故障自診斷和自動(dòng)處理技術(shù)等。當(dāng)今大多數(shù)集散控制系統(tǒng)的mtbf可達(dá)幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)小時(shí)。
1、dcs的硬件體系結(jié)構(gòu)
考察dcs的層次結(jié)構(gòu)，dcs級(jí)和控制管理級(jí)是組成dcs的兩個(gè)最基本的環(huán)節(jié)。
過(guò)程控制級(jí)具體實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的輸入、變換、運(yùn)算和輸出等分散控制功能。在不同的dcs中，過(guò)程控制級(jí)的控制裝置各不相同，如過(guò)程控制單元、現(xiàn)場(chǎng)控制站、過(guò)程接口單元等等，但它們的結(jié)構(gòu)形式大致相同，可以統(tǒng)稱為現(xiàn)場(chǎng)控制單元fcu。過(guò)程管理級(jí)由工程師站、操作員站、管理計(jì)算機(jī)等組成，完成對(duì)過(guò)程控制級(jí)的集中監(jiān)視和管理，通常稱為操作站。dcs的硬件和軟件，都是按模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，所以dcs的開(kāi)發(fā)實(shí)際上就是將系統(tǒng)提供的各種基本模塊按實(shí)際的需要組合成為一個(gè)系統(tǒng)，這個(gè)過(guò)程稱為系統(tǒng)的組態(tài)。
(1)現(xiàn)場(chǎng)控制單元
現(xiàn)場(chǎng)控制單元一般遠(yuǎn)離控制中心，安裝在靠近現(xiàn)場(chǎng)的地方，其高度模塊化結(jié)構(gòu)可以根據(jù)過(guò)程監(jiān)測(cè)和控制的需要配置成由幾個(gè)監(jiān)控點(diǎn)到數(shù)百個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的規(guī)模不等的過(guò)程控制單元。
現(xiàn)場(chǎng)控制單元的結(jié)構(gòu)是由許多功能分散的插板（或稱卡件）按照一定的邏輯或物理順序安裝在插板箱中，各現(xiàn)場(chǎng)控制單元及其與控制管理級(jí)之間采用總線連接，以實(shí)現(xiàn)信息交互。
現(xiàn)場(chǎng)控制單元的硬件配置需要完成以下內(nèi)容：
插件的配置根據(jù)系統(tǒng)的要求和控制規(guī)模配置主機(jī)插件（cpu插件）、電源插件、i/o插件、通信插件等硬件設(shè)備；
硬件冗余配置對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行冗余配置是提高dcs可靠性的一個(gè)重要手段，dcs通?？梢詫?duì)主機(jī)插件、電源插件、通信插件和網(wǎng)絡(luò)、關(guān)鍵i/o插件都可以實(shí)現(xiàn)冗余配置。
硬件安裝不同的dcs，對(duì)于各種插件在插件箱中的安裝，會(huì)在邏輯順序或物理順序上有相應(yīng)的規(guī)定。另外，現(xiàn)場(chǎng)控制單元通常分為基本型和擴(kuò)展型兩種，所謂基本型就是各種插件安裝在一個(gè)插件箱中，但更多的時(shí)候時(shí)需要可擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)形式，即一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制單元還包括若干數(shù)字輸入/輸出擴(kuò)展單元，相互間采用總線連成一體。
就本質(zhì)而言，現(xiàn)場(chǎng)控制單元的結(jié)構(gòu)形式和配置要求與模塊化plc的硬件配置是一致的。
(2)操作站
操作站以來(lái)顯示并記錄來(lái)自各控制單元的過(guò)程數(shù)據(jù)，是人與生產(chǎn)過(guò)程信息交互的操作接口。典型的操作站包括主機(jī)系統(tǒng)、顯示設(shè)備、鍵盤輸入設(shè)備、信息存儲(chǔ)設(shè)備和打印輸出設(shè)備等，主要實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的顯示功能（如模擬參數(shù)顯示、系統(tǒng)狀態(tài)顯示、多種畫(huà)面顯示等等）、報(bào)警功能、操作功能、報(bào)表打印功能、組態(tài)和編程功能等等。
另外，dcs操作站還分為操作員站和工程師站。從系統(tǒng)功能上看，前者主要實(shí)現(xiàn)一般的生產(chǎn)操作和監(jiān)控任務(wù)，具有數(shù)據(jù)采集和處理、監(jiān)控畫(huà)面顯示、故障診斷和報(bào)警等功能。后者除了具有操作員站的一般功能以外，還應(yīng)具備系統(tǒng)的組態(tài)、控制目標(biāo)的修改等功能。從硬件設(shè)備上看，多數(shù)系統(tǒng)的工程師站和操作員站合在一起，僅用一個(gè)工程師鍵盤加以區(qū)分。
2、dcs的軟件系統(tǒng)
dcs的軟件體系如圖2所示，通?？梢詾橛脩籼峁┫喈?dāng)豐富的功能軟件模塊和功能軟件包，控制工程師利用dcs提供的組態(tài)軟件，將各種功能軟件進(jìn)行適當(dāng)?shù)摹敖M裝連接”（即組態(tài)），生成滿足控制系統(tǒng)的要求各種應(yīng)用軟件。
(1)現(xiàn)場(chǎng)控制單元的軟件系統(tǒng)
如圖3，現(xiàn)場(chǎng)控制單元的軟件主要包括以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為中心的數(shù)據(jù)巡檢、控制算法、控制輸出和網(wǎng)絡(luò)通信等軟件模塊組成。
實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)
起到了中心環(huán)節(jié)的作用，在這里進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，各執(zhí)行代碼都與它交換數(shù)據(jù)，用來(lái)存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)、控制輸出以及某些計(jì)算的中間結(jié)果和控制算法結(jié)構(gòu)等方面的信息。數(shù)據(jù)巡檢模塊用以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、故障信號(hào)的采集，并實(shí)現(xiàn)必要的數(shù)字濾波、單位變換、補(bǔ)償運(yùn)算等輔助功能。dcs的控制功能通過(guò)組態(tài)生成，不同的系統(tǒng)，需要的控制算法模塊各不相同，通常會(huì)涉及以下一些模塊：算術(shù)運(yùn)算模塊、邏輯運(yùn)算模塊、pid控制模塊、變型pid模塊、手自動(dòng)切換模塊、非線性處理模塊、執(zhí)行器控制模塊等等?？刂戚敵瞿K主要實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)以故障處理的輸出。
(2)操作站的軟件系統(tǒng)
dcs中的操作站用以完成系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、生成、測(cè)試和運(yùn)行等任務(wù)，這就需要相應(yīng)的系統(tǒng)軟件支持，這些軟件包括操作系統(tǒng)、編程語(yǔ)言及各種工具軟件等。一套完善的dcs，在操作站上運(yùn)行的應(yīng)用軟件應(yīng)能實(shí)現(xiàn)如下功能：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)管理、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)管理、圖形管理、歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)管理、數(shù)據(jù)庫(kù)詳細(xì)顯示與修改、記錄報(bào)表生成與打印、人機(jī)接口控制、控制回路調(diào)節(jié)、參數(shù)列表、串行通信和各種組態(tài)等。
3、dcs的組態(tài)（開(kāi)發(fā)與生成）
dcs的開(kāi)發(fā)過(guò)程主要是采用系統(tǒng)組態(tài)軟件依據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際需要生成各類應(yīng)用軟件的過(guò)程。組態(tài)軟件功能包括基本配置組態(tài)和應(yīng)用軟件組態(tài)?；九渲媒M態(tài)是給系統(tǒng)一個(gè)配置信息，如系統(tǒng)的各種站的個(gè)數(shù)、它們的索引標(biāo)志、每個(gè)控制站的最大點(diǎn)數(shù)、最短執(zhí)行周期和內(nèi)存容量等。應(yīng)用軟件的組態(tài)則包括比較豐富的內(nèi)容，主要包括以下幾個(gè)方面。
(1)控制回路的組態(tài)
控制回路的組態(tài)在本質(zhì)上就是利用系統(tǒng)提供的各種基本的功能模塊，來(lái)構(gòu)成各種各樣的實(shí)際控制系統(tǒng)。目前各種不同的dcs提供的組態(tài)方法各不相同，歸納起來(lái)有指定運(yùn)算模塊連接方式、判定表方式、步驟記錄方式等等。
指定運(yùn)算模塊連接方式是通過(guò)調(diào)用各種獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算模塊，用線條連接成多種多樣的控制回路，最終自動(dòng)生成控制軟件，這是一種信息流和控制功能都很直觀的組態(tài)方法。判定表方式是一種純粹的填表形式，只要按照組態(tài)表格的要求，逐項(xiàng)填入內(nèi)容或回答問(wèn)題即可，這種方式很利于用戶的組態(tài)操作。步驟記入方式是一種基于語(yǔ)言指令的編寫方式，編程自由度大，各種復(fù)雜功能都可通過(guò)一些技巧實(shí)現(xiàn)，但組態(tài)效率較低。另外，由于這種組態(tài)方法不夠直觀，往往對(duì)組態(tài)工程師在技術(shù)水平和組態(tài)經(jīng)驗(yàn)有較高的要求。
(2)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)生成
實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是dcs最基本的信息資源，這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)和管理。在dcs中，建立和修改實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)記錄的方法有多種，常用的方法是用通用數(shù)據(jù)庫(kù)工具軟件生成數(shù)據(jù)庫(kù)文件，系統(tǒng)直接利用這種數(shù)據(jù)格式進(jìn)行管理或采用某種方法將生成的數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為dcs所要求的格式。
(3)工業(yè)流程畫(huà)面的生成
dcs是一種綜合控制系統(tǒng)，它必須具有豐富的控制系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)畫(huà)面顯示功能。顯然，不同的控制系統(tǒng)，需要顯示的畫(huà)面是不一樣的?？偟膩?lái)說(shuō)，結(jié)合總貌、分組、控制回路、流程圖、報(bào)警等畫(huà)面，以字符、棒圖、曲線等適當(dāng)?shù)男问奖硎境龈鞣N測(cè)控參數(shù)、系統(tǒng)狀態(tài)，是dcs組態(tài)的一項(xiàng)基本要求。此外，根據(jù)需要還可顯示各類變量目錄畫(huà)面、操作指導(dǎo)畫(huà)面、故障診斷畫(huà)面、工程師維護(hù)畫(huà)面和系統(tǒng)組態(tài)畫(huà)面。
(4)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的生成
所有dcs都支持歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和趨勢(shì)顯示功能，歷史數(shù)據(jù)庫(kù)通常由用戶在不需要編程的條件下，通過(guò)屏幕編輯編譯技術(shù)生成一個(gè)數(shù)據(jù)文件，該文件定義了各歷史數(shù)據(jù)記錄的結(jié)構(gòu)和范圍。歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)一般按組劃分，每組內(nèi)數(shù)據(jù)類型、采樣時(shí)間一樣。在生成時(shí)對(duì)各數(shù)據(jù)點(diǎn)的有關(guān)信息進(jìn)行定義。
(5)報(bào)表生成
dcs的操作員站的報(bào)表打印功能也是通過(guò)組態(tài)軟件中的報(bào)表生成部分進(jìn)行組態(tài)，不同的dcs在報(bào)表打印功能方面存在較大的差異。一般來(lái)說(shuō)，dcs支持如下兩類報(bào)表打印功能：一是周期性報(bào)表打印，二是觸發(fā)性報(bào)表打印，用戶根據(jù)需要和喜好生成不同的報(bào)表形式。
4、dcs中的先進(jìn)控制技術(shù)
dcs在控制上的最大特點(diǎn)是依靠各種控制、運(yùn)算模塊的靈活組態(tài)，可實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)起來(lái)相當(dāng)繁瑣與復(fù)雜的命題變得簡(jiǎn)單。隨著企業(yè)提出的高柔性、高效益的要求，以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)的控制方案已經(jīng)不能適應(yīng)，以多變量預(yù)測(cè)控制為代表的先進(jìn)控制策略的提出和成功應(yīng)用之后，先進(jìn)過(guò)程控制受到了過(guò)程工業(yè)界的普遍關(guān)注。需要強(qiáng)調(diào)的是，廣泛應(yīng)用各種先進(jìn)控制與優(yōu)化技術(shù)是挖掘并提升dcs綜合性能最有效、最直接、也是最具價(jià)值的發(fā)展方向。
在實(shí)際過(guò)程控制系統(tǒng)中，基于pid控制技術(shù)的系統(tǒng)占80%以上，pid回路運(yùn)用優(yōu)劣在實(shí)現(xiàn)裝置平穩(wěn)、高效、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行中起到舉足輕重的作用，各dcs廠商都以此作為搶占市場(chǎng)的有力競(jìng)爭(zhēng)砝碼，開(kāi)發(fā)出各自的pid自整定軟件。另外，根據(jù)dcs的控制功能，在基本的pid算法基礎(chǔ)上，可以開(kāi)發(fā)各種改進(jìn)算法，以滿足實(shí)際工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的各種需要，諸如帶死區(qū)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。
與傳統(tǒng)的pid控制不同，基于非參數(shù)模型的預(yù)測(cè)控制算法是通過(guò)預(yù)測(cè)模型預(yù)估系統(tǒng)的未來(lái)輸出的狀態(tài)，采用滾動(dòng)優(yōu)化策略計(jì)算當(dāng)前控制器的輸出。根據(jù)實(shí)施方案的不同，有各種算法，例如，內(nèi)?？刂啤⒛Ｐ退惴刂?、動(dòng)態(tài)矩陣控制等。目前，實(shí)用預(yù)測(cè)控制算法已引入dcs，例如idcom控制算法軟件包已廣泛應(yīng)用于加氫裂化、催化裂化、常壓蒸餾、石腦油催化重整等實(shí)際工業(yè)過(guò)程。此外，還有霍尼韋爾公