DCS的基本构成及特点分析

一个最基本的DCS包括一台过程控制站、一台工程师站（也可利用一台操作员站兼作工程师站）和一条系统网络。除了上述基本的组成部分之外，DCS还包括完成某些专门功能的站、扩充生产管理和信息处理功能的信息网络，以及实现现场仪表、执行机构数字化的现场总线网络。一个典型的DCS的组成如图1-13所示，图中表明了DCS各主要组成部分和各部分之间的连接关系。

图1-13　DCS的组成

1.操作员站

操作员站主要完成人机界面的功能，一般采用桌面型通用计算机系统，如图形工作站或个人计算机等。其配置与常规的桌面系统相同，但要求有大尺寸的显示器（CRT或液晶屏）和高性能的图形处理器。有些系统还要求每台操作员站使用多屏幕处理器，以拓宽操作员的观察范围，为了提高画面的显示速度，一般都在操作员站上配置较大的内存。

2.工程师站

工程师站是DCS中的一个特殊功能站，主要对DCS进行应用组态。应用组态是DCS应用过程中必不可少的一个环节，可以实现各种各样的应用，关键是确定系统的控制功能、控制的输入与输出、控制回路的算法，以及在控制计算中选取的参数，系统人机界面的设置，报警、报表及历史数据记录等功能的定义，组态所要完成的工作。只有完成正确的组态，一个通用的DCS才能成为一个针对具体控制应用的可运行系统。

组态工作是在系统运行前进行的，或者说是离线进行的，一旦组态完成，系统就具备了运行能力。当系统在线运行时，工程师站可起到一个对DCS本身的运行状态进行监视的作用，能及时发现系统出现的异常，并及时进行处理。在DCS在线运行中，也允许进行组态，并对系统的定义进行修改和添加，这种操作被称为在线组态，同样，在线组态也是工程师站的一项重要功能。

一般在一个标准配置的DCS中，都配有一台专用的工程师站，也有些小型系统不配置专门的工程师站，而将其功能合并到某一操作员站中，在这种情况下，系统只在离线状态具有工程师站功能，而在在线状态下就没有了工程师站的功能。当然也可以将这种具有操作员站和工程师站双重功能的站设置成为随时切换的方式，根据需要使用该站完成不同的功能。

3.过程控制站

过程控制站是DCS的核心，系统主要的控制功能由它来完成。系统的性能、可靠性等重要指标也都要依靠过程控制站保证，因此对它的设计、生产及安装都有很高的要求。过程控制站的硬件一般都采用专门的工业计算机系统，其中除了计算机系统所必需的运算器（即CPU）、存储器外，还包括现场测量单元、执行单元的输入／输出设备，即过程量I／O或现场I／O。在过程控制站内部，主CPU和内存等用于数据的处理、计算和存储的部分被称为逻辑控制部分，而现场I／O则称为现场部分，这两个部分是需要严格隔离的，以防止现场的各种信号，包括干扰信号，对计算机的处理产生不利的影响。过程控制站逻辑部分和现场部分的连接，一般采用与工业计算机相匹配的内部并行总线，常用的并行总线有Multibus、VME、STD、ISA、PC104、PCI和Compact PCI等。

由于并行总线结构比较复杂，用其连接逻辑部分和现场部分很难实现有效隔离，成本较高，而且并行总线很难方便地实现扩充，因此很多厂家将过程控制站内的逻辑部分和现场I／O之间的连接方式转向了串行总线。串行总线的优点是结构简单、成本低，很容易实现隔离，而且容易扩充，可以实现远距离的I／O模块连接。近年来，现场总线技术的快速发展更推进了这个趋势，目前直接使用现场总线产品作为现场I／O模块和主处理模块的连接很普遍。由于DCS的过程控制站有比较严格的实时性要求，需要在确定时间期限内完成测量值的输入、运算和控制量的输出，因此过程控制站的运算速度和现场I／O速度都应该满足很高的设计要求。一般在快速控制系统中，应该采用较高速的现场总线，如CAN、Profibus及Devicenet等，而在控制速度要求不是很高的系统中，可采用较低速的现场总线，这样可以适当降低系统的造价。

4.服务器及其他功能站

在现代的DCS结构中，除了过程控制站和操作员站以外，还可以有许多执行特定功能的计算机，如专门记录历史数据的历史站、进行高级控制运算功能的高级计算站、进行生产管理的管理站等。这些站也都通过网络实现与其他各站的连接，形成一个功能完备的复杂的控制系统。

随着DCS的功能不断向高层扩展，系统已不再局限于直接控制，而是越来越多地加入了监督控制乃至生产管理等高级功能，因此当今大多数DCS都配有服务器。服务器的主要功能是完成监督控制层的工作，如对整个生产装置乃至全厂的运行状态进行监视、对生产过程各个部分出现的异常情况及时发现并及时处理，向更高层的生产调度和生产管理，直至企业经营等管理系统提供实时数据和执行调节控制操作等。简单地讲服务器就是完成监督控制，或称为SCADA功能的主节点。(www.xing528.com)

在一个控制系统中，监督控制功能是必不可少的，虽然控制系统的控制功能主要靠系统的直接控制部分完成，但是这部分正常工作的条件是生产工矿平稳、控制系统的各部分工作在正常状态下。而一旦出现异常情况，就必须实行人工干预，使系统回到正常状态。这就是SCADA功能的最主要作用。在规模较小，功能较简单的DCS中，可以利用操作员站实现系统的SCADA功能，而在系统规模较大、功能复杂时，则必须设立专门的服务器节点。

5.系统网络

DCS的另一个重要的组成部分是系统网络，它是连接系统各个站的桥梁。由于DCS由各种不同功能的站组成，这些站之间必须实现有效的数据传输，以实现系统总体的功能，因此系统网络的实时性、可靠性和数据通信能力关系到整个系统的性能特别是网络的通信规约，关系到网络通信的效率和系统功能的实现，都是由各个DCS厂家专门精心设计的。在早期的DCS中，系统网络包括其硬件和软件，都是各个厂家专门设计的专有产品，随着网络技术的发展，很多标准的网络产品陆续推出，特别是以太网逐步成为事实上的工业标准，越来越多的DCS厂家直接采用了以太网作为系统网络。

在以太网的发展初期，系统网络是为满足事务处理应用需求而设计的，其网络介质访问适合传输信息的请求随机发生，每次传输的数据量较大而传输次数不频繁，因网络访问碰撞而出现的延时对系统影响不大的应用系统。而在工业控制系统中，数据传输的特点是需要周期性地进行传输，每次传输的数据量不大而传输数据比较频繁，而且要求在确定的时间内完成传输，这些应用要求的特点并不适合使用以太网，特别是以太网传输时间的不确定性，更是其在工业控制系统中应用的最大障碍。但是由于以太网应用的广泛性和成熟性，特别是开放性，使得大多数DCS厂商都先后转向了以太网。

近年来，以太网的传输速度有了极大的提高，从最初的10 Mbps发展到现在的100 Mbps甚至10 Gbps，这为改进以太网的实时性创造了很好的条件。交换技术的采用有效地解决了以太网在多节点同时访问时的碰撞问题，使以太网更加适合工业应用。许多厂商在提高以太网的实时性和运行于工业环境的防护方面做了非常多的改进。因此当前以太网已成为DCS等各类工业控制系统中广泛采用的标准网络，但在网络的高层规约方面，目前仍然是各个DCS厂商才有的技术。

6.现场总线网络

早期的DCS在现场检测和控制执行方面采用模拟式仪表的变送单元和执行单元，在现场总线出现以后，这两个部分被数字化，使DCS成为一种全数字化的系统。采用模拟式变送单元和执行单元时，系统与现场之间通过模拟信号连接，而在实现全数字化后，系统与现场之间的连接通过计算机数字通信网络，即通过现场总线把传感器、变送器、执行器和控制器集成在一起，实现生产过程的信息集成，在生产现场直接构成现场通信网络，实现现场通信网络与控制系统的集成。直接在现场总线上组成控制回路，在生产现场构成分布式网络自动化系统，使系统进一步开放。

7.高层管理网络

目前DCS已从单纯的低层控制功能发展到了更高层次的数据采集、监督控制、生产管理等全厂范围的控制和管理，成为一个计算机管理控制系统，其中包含了全厂自动化的丰富内涵。

很多厂商在原DCS的基础上增加了服务器，用来对全系统的数据进行集中的存储和处理。DCS作为低层数据的直接来源，在系统网络上配置服务器，数据库针对一个企业或工厂常有多套DCS的情况。以多服务器、多域为特点的大型综合监控自动化系统已出现，以满足全厂多台生产装置自动化及全面监督管理的系统要求。

在网络层次增加管理网络层可以完成综合监控和管理功能，在这层网络上传送的主要是管理信息和生产调度指挥信息，形成一个将控制和管理功能结合在一起的大型信息系统。

网络特别是高层网络的灵活性，使得系统的结构也表现出非常大的灵活性，一个大型DCS可以将各个域的工程师站集中在管理网上，成为各个域公用的工程师站，或某些域不设操作员站而采用管理层的信息终端实现对现场的监视和控制，甚至将系统网络和高层管理网络合成一个物理上的网络，而靠软件实现逻辑的分层和分域。

8.DCS软件

由于在计算机发展的初期，软件是依附于硬件的，DCS软件的基本组成是按照硬件的划分形成的，包括过程控制软件、操作员站软件和工程师站软件，以及运行于各个站的网络软件，作为各个站上功能软件之间的桥梁。