集中分散型控制系統(tǒng)簡稱集散控制系統(tǒng)，又稱總體分散型控制系統(tǒng)（Total Distributed Control System），常表示為DCS。它是利用現(xiàn)代計算機技術、通訊技術、自動控制技術及圖形顯示技術來實現(xiàn)過程控制、過程管理的現(xiàn)代化控制計術工具。
1975年第一套分散控制系統(tǒng)TDCS-2000問世以來。分散控制系統(tǒng)已經(jīng)在工業(yè)控制的各個領域得到了廣泛應用，越來越多的儀表和控制工程師已經(jīng)認識到分散控制系統(tǒng)必將成為過程工業(yè)自動控制的主流，在計算機集成制造系統(tǒng)CIMS（Computer Integrated Manufacturing System）和計算機集成過程系統(tǒng)CIPS（Computer Integrated Process System）中，發(fā)揮它們的優(yōu)勢。
1 DCS的組成
(1)過程控制單元(PCU，Process Control Unit)：又叫現(xiàn)場控制站，是DCS的核心部分，對生產(chǎn)過程進行閉環(huán)控制，可控制數(shù)個至數(shù)十個回路，還可進行順序、邏輯和批量控制。
(2)過程接日單元(PIU，Process Interface Unit)：又叫數(shù)據(jù)采集站，是為生產(chǎn)過程中的非控制變量設置的采集裝置，不但可完成數(shù)據(jù)采集和預期處理，還可以對實時數(shù)據(jù)作進一步加工處理，供CRT操作站顯示和打印，實現(xiàn)開環(huán)監(jiān)視。
(3)操作站(OPS，Operating Station)：集散系統(tǒng)的人一機接口裝置。除監(jiān)視操作、打印報表外，系統(tǒng)的組態(tài)、編程也在操作站上進行。
操作站有操作員鍵盤和工程師鍵盤。操作員鍵盤供操作人員用，可調(diào)出有關畫面，進行有關操作，如修改某個回路的給定值，改變某個回路的運行狀態(tài)；對某回路進行手工操作、確認報警和打印報袁等。工程師鍵盤主要供技術人員用，所有的監(jiān)控點、控制回路、各種畫面、報警清單和工藝報警表等均由技術人員通過工程師鍵盤進行輸人。
操作站一般配有溫氏硬盤存儲器的軟盤存儲器；少數(shù)系統(tǒng)除硬盤外，還配有磁帶存儲器(如RS3)。硬盤主要存儲操作站的組裝軟件、系統(tǒng)組態(tài)軟件、趨勢記錄、過程數(shù)據(jù)和報表等。此外，DCS本身的會丟失，再次通電時可保證系統(tǒng)正常裝載運行。軟盤和磁帶存儲器作為中間存儲器使用。當信息存儲到軟盤或磁帶后，可以離機保存，以作備用?！?/span>
(4)數(shù)據(jù)高速通道(DH，Data Hiway)：又叫高速通信總線、大道和公路等。是一種具有高速通信能力的信息總線，一般由雙絞線、同軸電纜或光導纖維構成。它將過程控制單元、操作站和上位機等連成一個完整的系統(tǒng)，以一定的速率在各單元之間傳輸信息。
(5)管理計算機(MC，Manager Computer) ：集散系統(tǒng)的主機，習慣上稱為上位機。它綜合監(jiān)視全系統(tǒng)的各單元，管理全系統(tǒng)的所有信息，具有進行大型復雜運算的能力以及多輸人、多輸出控制功能，以實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制和全廠的優(yōu)化管理。
2 DCS的特點
分散控制系統(tǒng)能在短短幾十年內(nèi)得到如此飛速的發(fā)展，其原因是它具有優(yōu)良的特性。它從模擬控制儀表發(fā)展而來，但卻具有模擬儀表無法比擬的優(yōu)點，例如，它連接方便，顯示方式靈活，顯示內(nèi)容多樣，軟連接方式提供了更改方便的優(yōu)點等。而與計算機集中控制系統(tǒng)比較，它又具有危險分散、功能分散、操作管理集中等優(yōu)點。因此，從分散控制系統(tǒng)問世以來，它就得到各行各業(yè)的歡迎，在染整生產(chǎn)過程中鬧歇式染色機的群控中也開始應用。
2.1 遞階控制系統(tǒng)
分散控制系統(tǒng)是遞階控制系統(tǒng)(hierarchical control system)。它在垂直方向和水平方向都是分級的。最簡單的分散控制系統(tǒng)至少在垂直方向分為二級，即一個操作管理站和一個分散過程控制裝置。隨著分散控制系統(tǒng)規(guī)模的擴大，分級范圍在垂直方向和水平方向擴大。垂直方向的分級將操作優(yōu)化級、自學習和自適應級擴展到分散控制系統(tǒng)中，水平方向的分級是各個分散過程控制級間信息相互協(xié)調(diào)的分級。一般應用中，分散控制系統(tǒng)管理級僅限于操作管理級，隨著CIMS的推廣，把控制和管理結合，使計劃、銷售、管理和控制一體化的廣義分散控制系統(tǒng)得到廣泛應用，如圖2所示。
(1)過程控制級：過程控制級主要由現(xiàn)場控制站、數(shù)據(jù)采集站和過程管理計算機等組成，是直接與生產(chǎn)過程相逢的一級計算機系統(tǒng)，是集散控制系統(tǒng)的基礎。過程控制級一方面與各類現(xiàn)場設備，例如變送器、執(zhí)行器相連，以實現(xiàn)裝置的監(jiān)測與控制；另一方面還向上與第二層計算機相連，接收上層的管理信息，傳遞裝置的實時數(shù)據(jù)。
(2)控制管理級：控制管理級主要有監(jiān)控計算機、操作站和工程師站等，主要是實施生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制，根據(jù)產(chǎn)品原材料以及能源的使用情況，以優(yōu)化準則來協(xié)調(diào)裝置間的相互關系。另外，通過獲取直接控制層的實時數(shù)據(jù)，進行生產(chǎn)過程的監(jiān)視、故障檢測和數(shù)據(jù)存檔。
(3)生產(chǎn)管理級：生產(chǎn)管理級又稱產(chǎn)品管理級。這一級采用管理用計算機，主要用來規(guī)劃產(chǎn)品的結構和規(guī)模，根據(jù)用戶訂貨情況、庫存情況和能源情況來修訂生產(chǎn)計劃和改變產(chǎn)品結構，有產(chǎn)品重新組織和柔性制造的功能，可應付由于用戶訂貨變化所造成的各種損失。此外，工廠生產(chǎn)和產(chǎn)品監(jiān)視，以及產(chǎn)品報告也都在這一級實現(xiàn)。
(4)經(jīng)營管理級：這一級管理用計算機叫中央計算機，是工廠自動化系統(tǒng)的最高一層。它管理的范圍除了工程技術方面之外，還應包括經(jīng)濟、商業(yè)事物、人事組織以及其他方面的功能。把這些功能都集成到軟件系統(tǒng)中，并與經(jīng)理部、市場部、計劃部以及人事部等辦公自動化系統(tǒng)相連接，運用優(yōu)化策略來實現(xiàn)整個制造系統(tǒng)的最優(yōu)化。經(jīng)營管理級的功能有市場用戶分析、訂貨，以及銷售統(tǒng)計、銷售計劃、產(chǎn)品制造協(xié)調(diào)、合同事宜、期限監(jiān)測和財政報告等。
對于某一具體應用的集散系統(tǒng)，并非都有四層功能體系。中小規(guī)模的控制系統(tǒng)只有一、二層，少數(shù)使用到第三層，在大規(guī)模的控制系統(tǒng)中才應用到四層模式。
遞階控制系統(tǒng)的優(yōu)點是各個分級具有各自的分工范圍，它們相互協(xié)調(diào)。協(xié)調(diào)由上一級完成，下級數(shù)據(jù)傳送到上一級，由上一級根據(jù)生產(chǎn)要求進行協(xié)調(diào)，并把協(xié)調(diào)后的指令送達各有關的下一級，再由下一級實現(xiàn)。分散過程控制裝置是自治的系統(tǒng)，它采集生產(chǎn)過程的各種數(shù)據(jù)，按控制要求輸出有關信號，送執(zhí)行機構完成控制操作。由于在各個分散控制裝置閘既有分工，又看聯(lián)系，同時，各自能根據(jù)上一級的協(xié)調(diào)來完成各自的任務，困此，它們又是相互聯(lián)系和制約的，這樣，整個系統(tǒng)能在優(yōu)化的操作條件下運行。
與遞階控制系統(tǒng)相比，模擬電動儀表相互間的協(xié)調(diào)和制約較難解決，系統(tǒng)控制方案的更新也較困難，各級的相互聯(lián)系雖然可通過儀表信號間的串聯(lián)或并聯(lián)來實現(xiàn)，但是收到輸出阻抗和輸出功率的限制，并且這種連接的更改十分困難。
與遞階控制系統(tǒng)相比，計算機直接數(shù)字控制系統(tǒng)組成的某些部件的故障將造成整個系統(tǒng)的癱瘓。由于系統(tǒng)沒有分級，系統(tǒng)中各個組成部分具有相同等級，各級間數(shù)據(jù)由同一CPU處理，雖然可進行優(yōu)先級分配，但是系統(tǒng)調(diào)整較困難。此外，因為沒有分級，對系統(tǒng)整體的可靠性要求大大提高，而系統(tǒng)的危險佳也相應增大。
2.2 分散控制
分散控制(distributed control)是分散控制系統(tǒng)(DCS)的另一特點，分散是針對集中而言的。在計算機控制系統(tǒng)應用的初期，控鋤系統(tǒng)集中在一個計算機中實現(xiàn)，用一個計算機完成所有的操作監(jiān)督和過程的控制。分散的含義不單是分散控制，它還包含其他意義。例如，人員分散、地域分散、功能分散、危險分散、設備分散及操作分散等。分散的目的是提高設備的可利用率。
集中式計算機控制系統(tǒng)是在中央控制室集中控制的基礎上發(fā)展而來。在中央控制室，各種過程參數(shù)經(jīng)檢測、變送后集中送到中央控鉗室，在控制室的儀表盤上集中顯示或記錄，對重要參數(shù)還通過控制器迸行控制，輸出的信號被送到現(xiàn)場執(zhí)行機構完成控制操作。操作人員在中央控制室通過儀表盤上的儀表來監(jiān)視和操作，大大方便了操作過程，對信息管理也有較好的效果。
這種控制方式也帶來了一系列的問題，首先是計算機一旦發(fā)生故障，將使生產(chǎn)過程全線癱瘓，為此，危險分散的想法就提了出來，冗余的概念也產(chǎn)生了。僅用一個同樣的計算機控制系統(tǒng)作為原系統(tǒng)的冗余后備，無論從經(jīng)濟上還是從技術上都是行不通的。對計算機功能的分析表明，如果在過程控制級或現(xiàn)場控制級對控制系統(tǒng)進行分散，把過程控制和操作管理分散是可能和可行的。其次，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大，設備的安裝越來越復雜，把地域上分布范圍很廣的各過程參數(shù)集中到一個中央控制室，也是不經(jīng)濟的，操作管理也會不方便。因此，地域分散和人員分散也提了出來。
地域的分散對計算機控制提出了分散控制的要求，人員的分散與管理的分散密切相關，而地域的分散也與設備的分散有必然的聯(lián)系。此外，在集中的計算機控捌系統(tǒng)中，操作人員的操作是在不同的顯示屏前完成備自的操作，因此，操作的分散和多用戶多進程的計算機操作系統(tǒng)等要求也被提出了。
通過對集中計算機控制系統(tǒng)的分析，人們認識到分散控制系統(tǒng)是解決集中計算機控制系統(tǒng)不足的較好途徑。在實踐中，人們對分散控制器的應用有了進一步的認識，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的誕生就是對分散控制系統(tǒng)認識的升華。在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中，把控制級下移到最下一級即現(xiàn)場控制級，從而實現(xiàn)了徹底的分散。
2.3 自治和協(xié)調(diào)性
分散控制系統(tǒng)的各組成部分是獨立的自治系統(tǒng)。它們各自完成各自的功能，相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)。分散過程控制裝置是一個自治系統(tǒng)，它完成生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集、信號處理、計算和數(shù)據(jù)輸出的功能。操作管理裝置是一個自治系統(tǒng)，它完成數(shù)據(jù)顯示、操作監(jiān)視和操作數(shù)據(jù)的發(fā)送等功能。通訊系統(tǒng)則完成操作管理裝置與分散過程控制裝置間的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)上一級與下一級間的協(xié)調(diào)及同級間數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)。分散控制系統(tǒng)的自治和協(xié)調(diào)性使分散控制和遞階協(xié)調(diào)控制得以實現(xiàn)?！?/span>
分散的基礎是被分散的系統(tǒng)應是自治的系統(tǒng)。遞階分級控制的基礎是被分級的系統(tǒng)是相互協(xié)調(diào)的系統(tǒng)?！ ?/span>
在分散控制系統(tǒng)中，分散的內(nèi)涵十分廣泛。例如，分散數(shù)據(jù)庫、分散控制功能、分散數(shù)據(jù)顯示、分散通信、分散供電、分散負荷等，它們的分散是相互協(xié)調(diào)的分散，即在分散中有集中的管理、集中的控制目標、集中的顯示屏幕、集中的通信管理等，它們?yōu)榉稚⑦M行協(xié)調(diào)和管理工作。因此，分散的各個自治系統(tǒng)是在統(tǒng)一的集中管理和協(xié)調(diào)下各自分散工作的。沒有自治和協(xié)調(diào)就沒有分散控制，沒有自治和協(xié)調(diào)就不能進行低階分級控制。
2.4 開放系統(tǒng)
開放系統(tǒng)是以規(guī)范化與實際存在的接口標準為依據(jù)而建立的計算機系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)及相關的通信系統(tǒng)。早期的分散控制系統(tǒng)是自動化孤島，各個分散控制系統(tǒng)制造廠商的產(chǎn)品不能互操作、互聯(lián)。為得到開放性，分散控制系統(tǒng)經(jīng)歷了不斷改進或重新設計的過程，現(xiàn)在，分散控制系統(tǒng)已成為開放系統(tǒng)的主流產(chǎn)品。
開放系統(tǒng)的墓本特征如下：
(1)可移植性：可移植性指第三方的應用軟件能很方便地在系統(tǒng)所提供的平臺上運行，有時可能有小的修改。它也包含程序的可移植性、數(shù)據(jù)的可移植性和人員的可移植性等。從系統(tǒng)應用來看，各個制造廠分散控制系統(tǒng)軟件有了相互移植的可能。軟件的可移植性也帶來了安全性的問題，因此，應采用相應的安全措施?？梢浦残阅鼙Ｗo用戶已有資源，減少應用開發(fā)時閘和費用，減少維護人員的培訓費用。
(2)互操作性：開放系統(tǒng)的互操作性指不同的計算機系統(tǒng)與通信系統(tǒng)能互相連接；通過互聯(lián)，能準確有效地進行數(shù)據(jù)的互通；在數(shù)據(jù)互通的基礎上能協(xié)同工作，共同資源，完成應用功能。
網(wǎng)絡上的節(jié)點通過互操作性，能對網(wǎng)絡上其他節(jié)點的數(shù)據(jù)、資源和處理能力等實現(xiàn)共享。在現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)申，備種現(xiàn)場總線儀表也能互換或替換，而不必考慮是否是原制造廠商的產(chǎn)品。
(3)可適宜性：系統(tǒng)對計算機的運行要求越來越寬松。某些較低級別系統(tǒng)中運行的應用軟件能在高級別的計算機系統(tǒng)中運行，適應性提高。同樣，版本高的系統(tǒng)軟件也能適用于低級別版本的系統(tǒng)。
(4)可用性：系統(tǒng)的用戶對產(chǎn)品的選擇，不必考慮是否是原系統(tǒng)制造廠商的產(chǎn)產(chǎn)品，只要是符合標準的其他制造廠商產(chǎn)品都可選用，使用戶選擇產(chǎn)品的靈活性大大提高。
分散控制系統(tǒng)是開放系統(tǒng)，它具有開放系統(tǒng)的所有特征，使分散控制系統(tǒng)的應用、選擇、產(chǎn)品的更換等變得方便。
