DCS系统结构及各部分功能简介

1、岭东核电有限公司 DCS 控制系统培训教材DCS系统结构及各部分功能简介-罗安1MdltvEwKDCS 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

2、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

3、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 问、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

4、制量对现场实施控制。前馈控制的优点是岭东核电有限公司DCS控制系统培训教材m每瞟DCS 系统结构及各部分功能简介-罗安2可以使系统快速进入所需的运行状态，但由丁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：善制方式 相关要M、连续控制离散控制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

5、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乂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 processthat due to physical structuring of the process equipment or other factors, consists of asequenceof one or more steps or phasesthat must be performed in a defined

6、 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，适用丁在同一条生产 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岭东核电有限公

7、司DCS控制系统培训教材m每瞟DCS 系统结构及各部分功能简介-罗安3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，用丁设定控制目标。回路控制的功能框图 如下：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

8、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

9、现了监督控制和数据采集系统（SCADA一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。对丁以状态为主

10、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，岭东核电有限公司DCS控制系统培训教材m每瞟DCS 系统结构及各部分功能简介-罗安4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。对丁它们的控制主要基丁逻辑条件，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

11、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，由丁计算机强大的逻辑运算 功能，使得PLC可以完成极

12、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

13、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，只不过它们由丁实现方法不同，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，这种适用场合岭东核电有限公司DCS控制系统培训教材m每瞟DCS 系统结构及各部分功能简介-罗安5的不同大多是由丁

14、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，由丁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， 由丁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

15、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则由丁逻辑控制直观简洁，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，由丁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

16、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，应用的发展乂在不断提 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。这恐怕是当前DCS和PLC的最大区别了。在比较DCS和PLC之区别时，可注意以下几个方面：(1)产品形态：PLC是单独的设备或部件的方式提供的，而DCS则 以系统方式提供。因此用PLC做系统时用户必须自己完成各种 配套工作。(2)物理结构：PLC一般不提供机柜，只提供各类模块和机架，而DCS

17、则提供完整的，装配好的机框。(3)PLC长丁逻辑运算，而对丁调节回路，则要耗费较大的资源，而且效率不高，而DCS则相反，进行调节时性能很好，但做逻 辑控制时速度不如PLC快。(4)如果需要站问引用，由丁DCS是以系统方式提供给用户的，因 此容易实岭东核电有限公司DCS控制系统培训教材m每瞟DCS 系统结构及各部分功能简介-罗安6现，通过相应的组态即可。(5)PLC的开放性较好， 一般都可以配合不同厂家的人机界面软件 或组态软件。4、小结目前最常用的控制系统有以下三种：DCS以回路控制为主，实现闭环控制的系统。PLC以逻辑控制为主，实现顺序控制(或步进控制，连锁控制，开环控 制)的系统。SCAD

18、A不直接进行现场控制，注重人机界面和数据处理，主要由人实 施控制的系统。三种系统的现场设备为：DCS现场控制站PLCPLCSCADA RTU当前的趋势是融合，PLC也可实现回路控制功能，作为现场控制站使用，DCS也可完成逻辑控制，而且DCS还在逐步加强人机界面，数据处理功能，实 现了SCADA的功能。从现场设备来看，PLC和现场控制站均具备直接的就地控 制功能，同时具有数据采集功能；而RTU则只有数据采集功能，因此成本较低。 但是，因近年来电子设备元器件的价格不断下降，而性能却不断提升，因此在许多系统中就直接用PLC代替了RTU,很多新推出的RTU也具备了直接的就地 控制功能。二、控制系统详述

19、1、控制系统的要素及组成(1)被控对象：被控对象是实施生产过程的主体。不论何种控制系统，其作用都是围绕生 产过程发生的。如果离开了生产过程，控制系统就失去了存在的意义，因此，控 制系统是从届丁生产过程的，但对生产过程乂产生着巨大的反作用力， 使得完成 生产过程的主体，如各类加工机械，发电机、锅炉、化工反应装置、电力或油、汽输送管道等，能够更加安全、高效、稳定、可靠地运行。作为控制系统的作用 目标，被控对象有其自身的运行状态， 这些状态是生产过程的表征，控制系统将 通过测量被控对象的运行状态来了解生产过程；被控对象还具备很多可操作、可 调节的部分，通过对这些部分的操作和调节可改变可控对象的运行状

20、态，从而改岭东核电有限公司DCS控制系统培训教材m每瞟DCS 系统结构及各部分功能简介-罗安7变生产过程。因此，测量和操作、调节是控制系统与被控对象相互作用的最主要 界面，而被控对象能否通过某种方法实现测量和操作、调节，则称为被控对象的可测性和可控性。除了上述正常的测量和操作、调节以外，被控对象还存在各种 非预期的状态变化，被称为干扰，干扰的存在使得生产过程偏离预期的轨道， 产 生不利的影响，因此，控制系统的另一项重要的任务就是使被控对象保持在预期 的状态范围之内， 以保证生产过程的正常进行。(2)测量测量是控制系统感知被控对象运行状态的重要环节，一般通过敏感元件或 检测元件来实现测量，如压力

21、传感器、流量传感器、温度传感器(热电偶或热电 阻)、电流传感器、电压传感器、功率传感器、在运动控制中的速度、位置传感 器等等。传感器一般使用物理或化学原理来感知各种状态，传感器的输出一般是一个可以被控制系统的核心部件一一控制器或运算器所处理的信号，由丁传感器所测量的状态包括了各种不同的物理、化学量，而控制器或运算器则要求这些量 是一种标准的、规范的表现形式，如电流、电压、气压等，因此往往通过变送器 予以变换，形成符合一定标准的统一信号，一般称之为测量值。而控制系统中完成测量工作的部分被称为检测单元。(3)计算计算是控制系统的核心，它由控制器、调节器或运算器构成，一般将控制 器、调节器或运算器统

22、称为计算单元。计算单元有两个输入，一个输入是测量值，即传感器、变送器给出的表达被控对象运行状态的量，另一个是根据生产过程的要求所设定的控制目标，即设定值。 计算单元的任务有两个，一是在设定值根据 生产过程的要求发生改变时，采用一定的控制算法计算出通过何种操作或调节对 被控对象的可操作、调节部分实施输出，以使被控对象尽快达到控制目标；另一个是在出现干扰时，被控对象的状态偏离了预定的目标，即设定值，这时计算单元要通过测量得到偏离的程度，并采用一定的控制算法计算出操作步骤或调节 量，并实施输出，以使被控对象的运行状态尽快回到预定的目标值。计算单元的输出量是对被控对象实施的操作和调节， 在这时，操作一

23、般指通过某种方法改变 被控对象的运行方式，如开通或关断某个管道的阀门，闭合或分离电路的开关等 等；而调节则是通过某种方法改变被控对象的运行参数， 如通过控制调节阀改变 管路中流体的流量、通过调节岭东核电有限公司DCS控制系统培训教材m每瞟DCS 系统结构及各部分功能简介-罗安8加热器改变温度等等。所有这些输出不论操作还是 调节均被称为控制指令。(4)控制执行由计算机输出的控制指令需要通过各种不同的执行机构来作用丁被控对象的可操作部分和可调节部分。这些执行机构系统称为执行单元，如气动阀、电磁阀、控制电机、继电器等等。执行单元将计算单元输出的控制指令转换为被控对 象可接受的动作，以改变被控对象的运

24、行状态。以上我们介绍了与控制系统有关的几个关键要素，下图可简明扼要地表达 这些要素以及控制系统各组成部分之间的关系：岭东核电有限公司 DCS 控制系统培训教材DCS 系统结构及各部分功能简介-罗安9M|tVw*图 1:控制系统各要素之间的关系下面我们举两个实际的例子说明具体的控制系统。第一个例子是某生产装 置中项宁液罐的液位控制系统，该系统通过液位传感器（浮子）测量项宁液罐的液位，并将液位值送到控制器，控制器将测量的液位与设定的液位进行比较，如果液位 高丁设定的最高值，则关闭进料阀， 停止进料。当液体流出使液位低丁设定的最 低值，则开启进料阀补充液体，直到液位回升到上限值。第二个例子是著名的瓦

25、特式飞锤调速器。通过图3我们可以看到它的工作 原理。在这里，由发动机输出轴经齿轮传动带动一个装有飞锤的轴同步转动，这个装置相当丁控制系统的测量单元。当转速升高时，飞锤在离心力的作用下升起，并压下油输出液流图 2: je液罐液位控制岭东核电有限公司DCS控制系统培训教材m每瞟DCS 系统结构及各部分功能简介-罗安10缸的连杆，开启下方的高压油通路，使油缸活塞上升，带动调节阀关小，减小燃油供应而使发动机转速下降；当转速降低时，飞锤下落，使油缸连杆在 弹簧的作用下上升，关闭油缸活塞下方的高压油通路并开启油缸活塞上方的高压 油通路，使油缸活塞向下运动，带动调节阀开大，增加燃油供应以使发动机转速 上升。

26、这样，在出现干扰（如发动机所带动的负载发生变化）时，可保持其转速 不变。在这个调速器中，飞锤起到了控制器的作用，它巧妙地利用了飞锤的重力 和离心力之间的关系实现了设定值和测量值之间的比较，并将偏差作用丁油缸， 而油缸则是这个控制系统的执行器， 它将升速、降速的指令变成了燃油阀门的动 作，完成了对发动机转速的控制。控制系统的设定值由带动飞锤的轴的上下位置 来决定，这个轴上移，飞锤必须张开更大的角度才能使油缸活塞的上下油路均关 闭，因此将导致发动机的转速上升； 而这个轴下移，飞锤必须下落才能使油缸活 塞的上下油路均关闭，因此将导致发动机的转速下降，以此来设定发动机的转速。控制阀门图 3:瓦特调速器

27、在以上的讨论中，我们只涉及了由具体机器设备构成的被控对象和控制系 统，而没有涉及生产过程本身以及对生产过程的控制起主要主导作用的主体 人的作用。 一个简单的问题就可以反映这一点：在上面的讨论中多次讲到设定值，控制系统由设定值来规定控制目标， 那么，设定值从何而来？它是如何得到的？ 乂是如何作用丁控制系统的？还有，在前面的讨论中讲到计算单元根据检测值与 设定值之间的偏差， 按照一定的控制算法计算出需要操作和调节的量，通过执行岭东核电有限公司DCS控制系统培训教材m每瞟DCS 系统结构及各部分功能简介-罗安11单元对被控对象实施控制。那么，计算单元所执行的控制算法是从哪儿来的？ 它是如何得出的？

28、乂是如何被计算单兀执行的？显然，不论是设定值还是控制算法，都离不开人的作用。控制系统自己不会确定设定值，因为它并不知道人希望 生产过程按什么样的方式进行，控制系统也不了解生产过程的特性， 只有人根据 生产设备的特性及其对生产过程的影响， 推导出如何对这些生产设备进行控制的 数学模型，然后控制系统才能够按照这些数学模型进行计算， 得到相应的控制值。除此之外，还有一个重要的问题，即我们在此前所讲述的，都假设被控对 象的运行是有规律可循的，是可以用数学模型表达的，因此， 控制系统所依据的 设定值和控制算法都是预先确定好的，并使用不同的方法固定在控制系统中，在 实际运行中，控制系统将按照这些预定的算法

29、执行。但不幸的是，实际的生产过程有相当多的一部分是没有（至少现在没有）规律可循的，也无法用数学模型表 示，另外，生产过程不可避免地会出现一些异常情况，这些异常情况是无法预知的，必须在运行过程中实时地作出决策，这些都离不开人的作用。有关数学模型的问题已超出本书讨论的范围，因此在这里不作详述。但作为一个整体，人必须是控制系统的一个最重要的组成部分，这是毋庸置疑的，从数学模型的推导，建立并预先设置在计算单元中，以便在线运行时实现控制功能，到直接参与控制系统的在线运行， 对计算单元不能够自动进行处理的控制问题实 施操作与调节或为计算单元给出设定值，都需要人的参与。而为了便丁人了解被 控对象的运行状态并

30、进行人工的操作与调节，控制系统还必须提供人机界面。在 任何一个控制系统中，人机界面都是必不可少的重要组成部分。 下图表述了一个 完整的控制系统所有的组成部分：图 4:完整的控制系统组成部分岭东核电有限公司DCS控制系统培训教材m每瞟DCS 系统结构及各部分功能简介-罗安12人机界面包括了测量值的显示，计算参数的显示，人工操作设备如按钮，调 节手柄等，还有对计算单元进行设定和控制算法预置的设备等。2、早期的控制系统：早期的控制系统是由基地式仪表构成的。所谓基地式仪表，是指控制系统（即仪表）与被控对象在机械结构上是结合在一起的，而且仪表各个部分，包括检测、计算、执行、简单的人机界面等都做成一个整体

31、，就地安装在被控对象之 上。基地式仪表一般只针对单一运行参数实施控制，其输入、输出都围绕着一个单一的控制目标，计算也主要为控制某个重要参数，控制功能也是单一的。这种控制被称为单一回路控制，简称回路控制。上节所介绍的瓦特调速器就是一个典 型的基地式仪表，虽然它还不具备仪表的形态， 但其作用、结构形式均可归丁基 地式仪表一类。显然，如果我们要控制的仅限丁单一运行参数，控制功能也只是保证被控 对象能够正常运行，例如瓦特调速器只控制发动机的转速， 保证发动机运转在额 定转速范围内即可，那么基地式仪表就完全能够满足要求， 而且基地式仪表简单 实用、直接与被控对象相互作用，因此在一些简单生产设备中得到了广

32、泛的应用。基地式仪表最大的问题是它必须分散安装在生产设备需要实施控制的地方，如果设备比较大，就会给观察操作这些仪表造成很大的困难，有时甚至是不可能的。另外，基地式仪表的控制功能有限，难以实现较复杂的控制算法，因此在一些 大型的复杂的控制系统中已很少采用基地式仪表，而采用单元式组合仪表。单元式组合仪表出现在60年代后期，这类仪表将测量、控制计算、执行以 及显示、设定、记录等功能分别由不同的单元实现， 互相之间采用某种标准的物 理信号实现连接。并可根据控制功能的需求进行灵活的组合。这样,单元式组合仪表的功能大大加强了，而且其功能的实现不再受安装位置的限制， 我们可以把 检测单元和执行单元安装在现场

33、，而将控制、显示、记录设定等单元集中起来放 在中心控制室内，这样，生产设备的操作人员足不出户就可以迅速掌握整个生产 设备的运行状态，并根据生产计划或现场出现的实际情况采取调整措施，如改变设定甚至直接对现场设备实施操作和调节等。目前单元式组合仪表有两大类，一类是气动单元组合仪表，这类仪表以经 过干燥净化的压缩空气作为动力并以气压传递现场信号，其规范为20-100Kpa。岭东核电有限公司DCS控制系统培训教材m每瞟DCS 系统结构及各部分功能简介-罗安13我国的气动单元组合仪表为QDE系歹0。气动单元组合仪表主要有七种单元，分 别是变送单元（B）、调节单元（T）、显示单元（X）、计算单元（J）、给

34、定值单 元（G）、辅助单元（F）和转换单元（Z）。这些单元经过适当的连接及组合，就 可以实现较复杂、规模较大的控制系统。气动单元组合仪表是本质防爆的， 可以用丁易燃易爆的场合，而且由压缩气体提供的动力可以直接驱动如气动阀门等现 场设备，非常方便和可靠，并具有很强的抗干扰性。但由丁气动仪表需要洁净干 燥的气源，气体的传输路径要铺设气路管道，为了防腐蚀和防泄露，需要采用成本很高的铜制管线或不锈钢管线，而且需要加工精度非常高的连接件，这样，气动仪表控制系统的建设成本、运行维护成本就相当高了。另一类单元式组合仪表是电动单元组合仪表。这类仪表由直流电源提供运 行动力并以直流电信号（电源或电压）传递现场信

35、号的值，其信号规范有两种， 一种为0-10mA，我国遵循这个标准的电动单元组合仪表为DDZII系列；另一种 信号规范是4-20 mA,我国遵循这个标准的电动单元组合仪表为DDZ-III系列。电动单元组合仪表主要有八种单元： 变送（B）、调节（T）、显示（X）、计算（J）、 给定值（G）、辅助（F）、转换（Z）和执行（K）。电动单元组合仪表比气动单元 组合仪表更加轻便灵活，功能也更加齐全，因此一经推出就迅速得到了广泛的应 用。电动单元组合仪表的控制执行机构为电磁阀、各种控制电机和继电器等用电磁原理设计的设备或装置。应该说，真正的控制系统是从单元式组合仪表出现后才逐步形成的，基地 式仪表只能实现分

36、立的、单个回路的、各种控制回路之间无任何联系的控制，因 此谈不上形成系统，而单元式组合仪表可以通过不同单元的组合，不仅能完成单 个回路的控制，还能够实现申级控制、复合控制等复杂的、涉及几个回路互动的 控制功能，而且，由丁单元式组合仪表有能力将显示、操作、记录、设定等单元 集中安装在控制室，使得操作员可以随时掌握生产过程的全貌并据此实施操作控 制，因此这样的形态就构成了一个完整的控制系统。在集中的控制室中，是控制系统的人机界面部分。所有供人观测，操作的各个仪表单元被安装在仪表面板（Console）上，或安装在画有生产工艺流程的模拟盘（Map board或Mimic ）上。 此时的控制系统分为现场

37、安装的部分，如检测 /变送单元和执行单元（一般称之 为一次仪表）以及集中控制室安装的其它各类单元（一般称之为二次仪表）。岭东核电有限公司DCS控制系统培训教材m每瞟DCS 系统结构及各部分功能简介-罗安14不论是气动单元组合仪表还是电动单元组合仪表，其调节、计算单元都是 采用模拟原理实现的，以电动单元仪表为例，其控制算法，如比例、积分、微分 等调节规律，均利用电容、电感、电阻等元件的电气规律的模拟实现，而气动单 元组合仪表则利用射流原理来模拟各种控制规律。这些方法均有较大的局限性，一是计算精度不高，其精度受元件参数的精度或加工精度的影响较大，而且随着时间的推移、环境的变化和机件的磨损，各种参数

38、会发生变化，造成控制精度的 下降。以模拟方式实现的计算，其动态范围也受到较大的限制，如果在控制回路 中需要一个较大的滞后环节，实现起来是非常困难的，因此单元式组合仪表的控 制回路绝大多数是经典PID控制。模拟方式控制的这些问题，促使人们寻求更好 的控制器或调节器。随着微处理器的出现和数字技术的发展，以数字技术为基础 的数字化控制逐步占据了控制系统的主导地位。3、计算机控制系统电子数字计算机是二十世纪四十年代诞生的， 但直到1958年才开始进入控 制领域。1958年9月在美国路易斯安那州的一座发电厂内安装了第一台用丁现 场状态监视的计算机，当时的这个系统并不能称为控制系统。因为它只是将一些 现场

39、检测仪表的数据采集到一起，然后在计算机的显示屏上进行显示，以供操作人员在中央控制室内观察电厂的运行参数，因此这样的系统被称为监视系统 （MonitoringSystem）。很明显，该计算机系统只是代替了检测控制仪表的显示 部分，并实现了多台检测控制仪表的集中监视功能。至U1959年3月，在美国德克萨斯州Texaco的一个炼油厂投运了另一套计算机系统，该系统不仅可以显示 现场仪表的检测数据，而且可以设定或改变现场控制仪表的给定值，然而真正实施控制（即根据给定值及实际检测值的偏差计算出控制量，并实际输出以使实际值回到给定值的工作） 仍然由控制仪表完成。 这套系统应该是世界上最早的设定 值控制 （S

40、PC）或称为监督控制系统。而1960年4月在肯塔基州的一个化工厂 投运的另一个计算机系统，除了完成现场检测数据的监视和设定值的功能外，还可以实际完成控制计算并实际输出控制量，这就是第一个直接数字控制（DDC）系统。计算机进入控制领域，所带来的是从模拟技术到数字技术的革命性的变化。过去，不论是基地式仪表还是单元组合式仪表， 采用的都是模拟技术，其表达测 量值和控岭东核电有限公司DCS控制系统培训教材m每瞟DCS 系统结构及各部分功能简介-罗安15制值的方法是采用某种物理量来进行模拟，如用电流的大小表示液位的高低等等。在对被控对象进行控制时，也是采用同样的物理量来表达给定值和控 制量，并采用物理的

41、原理，如流体力学原理、电学原理、电子学原理等模拟出微 分、积分等算法。显然，这样的技术无法实现复杂的控制， 而且极不灵活， 任何 算法的改变都要对计算单元进行改装。而数字技术则完全不同，它首先将现场测 量值通过模拟量到数字量的转换器 （称为ADC或A/D ）转换成为一个二进制的、 便丁计算机处理的数字，这个数字由不同电平分别表示0和1,并以0、1的不同组合表达出不同的数值。这个过程被称为数字化。数字化的工作一旦完成，以后的工作便完全在计算机内部的运算器中通过软件来实现，如各种控制算法的实现等等。由丁计算机强大的计算功能，可以完成任何公式的计算，因此计算机控 制系统的功能比模拟仪表系统要强大得多

42、。 而且，由丁所有算法都是通过软件完 成的，因此算法的改变非常容易，体现了数字技术极大的灵活性。 在经过计算得 到了控制结果后，由丁这个结果仍然是一个二进制数值， 因此还要通过数字量到 模拟量的转换器（称为DAC或D/A）将控制值转换成相应的控制信号，然后通 过执行器实施控制动作。前面所讲到的三种不同类型的计算机控制系统（Monitoring、SPC、DDC）,岭东核电有限公司DCS控制系统培训教材m每瞟DCS 系统结构及各部分功能简介-罗安16其主要的区别在丁数字化的程度不同。计算机监视系统，即Monitoring ,是在 检测和显示环节上实现了数字化， 但在实际进行控制的部分，包括控制计算

43、和给 定值的设定上，仍然采用模拟仪表实现；设定值控制或监督控制，即SPC。则由 计算机采用数字技术实现检测、给定值的数字化，但在实现控制的计算和输出环 节上，仍然依靠模拟仪表；只有到了DDC,即直接数字控制阶段，才将检测、计算、控制输出，包括给定值的设置等全部环节实现了数字化。在DDC控制系统出现以后，在八十年代前后，随着大规模集成电路的发展 和微处理器的出现，以数字技术为主的控制系统中乂出现了一类新的产品，就是单回路调节器SLC即Single Loop Controller。这种产品以微处理器为核心，主要 完成控制计算的功能。其最主要的用途是代替单元式组合仪表的计算、显示， 给 定值等单元，

44、而检测、执行等功能仍然由常规岛的单元完成，以这种方式组成的系统是一种模拟和数字混合模式的系统。由丁微处理器采用数字方式进行控制计算，因此计算的能力大大加强，可以实现相当复杂或难度很高的控制计算。 在这 方面，SLC正好弥补了单元式组合仪表中计算能力较弱的缺点， 而且数字化的处 理相对丁模拟方式的处理来说，还有一个相当大的优势，就是具有数字通信功能，因此可以被用来方便地实现如申级控制、复合控制等较复杂的控制功能，因此在 相当长的一段时间内，SLC发展很快，后来乂在单回路调节器的基础上发展了多 回路调节器，尽管SLC在内部采用了数字技术，以微处理器为核心构成系统， 但在形式上还是沿用了单元式组合仪

45、表的构造， 仍然是以一个单元的方式安装在 仪表面板Console上，所不同的是SLC的显示多采用数字式的显示，即用数码管 直接显示出测量值或控制值、设定值等。也有些SLC为与原有单元式组合仪表在外观和使用习惯上完全一致，采用了模拟单元式组合仪表的显示、 操作方式的 设计，如指针显示等。对丁申级控制，复合控制等较复杂的控制功能，常规的组合式单元仪表的作法是采用硬接线将所需信号引到仪表的计算单元，并参与控制计算。而对丁SLC来讲，既可以通过硬接线引入所需信号，乂可以通过微处理器之间的通信获 取所需信号，后一种方式在控制系统中被称为“引用”。与模拟技术相比，数字技术在控制功能方面有了极大的提局，它可

46、以完成各种复杂的计算和智能化的处理,另外，在人机界面上也比模拟仪表有了革命性岭东核电有限公司DCS控制系统培训教材m每瞟DCS 系统结构及各部分功能简介-罗安17的改变。在仪表控制系统中，所有的显示单元、操作单元、给定值设定单元都 安装在仪表盘上，而且是每一个检测控制点都有自己相应的显示、操作、 设定单 元。如果系统比较庞大，检测控制点很多，则需要面积很大的仪表盘，这给观察 现场和进行操作带来了很大的困难。 为了减小仪表盘的面积，很多仪表控制系统 采取了密集安装方式，按照生产设备的工艺将仪表进行分区安排，这样虽然可以 减小仪表盘的面积，使人的操作可以在较小的、 手眼可达的范围内进行，但非常 不

47、直观，人必须记住每个仪表盘上的单元在实际生产设备上是对哪一部分进行显 示和操作的，稍有疏忽，就会产生失误。另一种方法就是采用模拟盘，将生产设 备按实际的工艺过程描绘到一个面板上，在相应的测量、控制位置上安装仪表的 显示操作等单元，这种方式虽然直观， 但大大增加了仪表盘的面积，使操作人员 必须在大面积的模拟盘面前不断走动、 巡视，以控制生产过程的运行。在工程上， 无论是密集安装的仪表盘还是按工艺过程表示的模拟盘，其信号线的连接都是非 常繁杂的。在现场，我们经常可以看到仪表盘或模拟盘背后密如蛛网的信号线， 这些线都要通过电缆沟、电缆井、 电缆桥架等缚设到现场，这对丁检查和维护来 说都是巨大的工作量

48、，特别是在需要增加仪表或改变测量控制点的位置、 功能时， 其困难更是巨大。而计算机控制系统的人机界面就简洁得多。在计算机控制系统 中，一般采用CRT和键盘、鼠标或轨迹球来实现显示操作功能，我们可以在CRT上很容易地显示出生产设备的分布， 生产工艺流程并通过键盘、鼠标进行操作或 设定值控制。 这些都是通过软件实现的， 并不需要进行一一对应的硬连线， 而且，由丁CRT的表现力丰富， 利用光标进行的控制操作直观方便， 加上软件对操作 命令的各种合法性检查，使误操作的概率降到很低。采用数字技术的计算机测量、控制系统虽有上述模拟式仪表无法比拟的优越性，但也存在自身的弱点。首先，在容错性方面，模拟技术比数

49、字技术有着 天然的优势，以现场测量值的表达为例， 模拟技术采用气压、电流或电压等物理 量表达，这是一种基丁能量消耗的表达方式，也就是说，测量值越高，表达测量 值所消耗的能量也越大，因此干扰对它的影响也越小。而在数字方式中，测量值的表达采用二进制数值，对丁这些0或1的码元来说，其在一个字节中所处的位 置越高，表达的数值就越大，但高位码元和低位码元受干扰的可能性是一样的，因此抗干扰问题是数字系统中要解决的首要问题。第二，计算机控制系统中，所有功能都是通过软件实现的，而软件的执行是申行的和单向的，也就是说，由 计算机所处理的各种功能都需要在预先确定好的程序控制下一步一步地执行，而岭东核电有限公司DC

50、S控制系统培训教材m每瞟DCS 系统结构及各部分功能简介-罗安18且这种执行是只能前进不能后退的（计算机的指令计数器只能加1而不能减1）,这带来了两个问题，一是一旦在计算机受到干扰，其指令计数器的值发生了跳变，程序就会“飞”掉，而且不可能返回来，这时计算机的输出完全是一些乱码，这 和模拟仪表以模拟电路或其它元件组成的运算单元不同。模拟运算单元在受到干扰使某个运算参数发生变化时，其运算单元的输出只是一个具有较大误差的值，而不会毫无边际，同时，在干扰消失后还可以自己恢复到正常值。二是由丁计算机的程序是申行的，因此必然有时间上的延迟， 计算机在控制多个回路时，必须 一个回路一个回路地顺序执行计算，而

51、不能像模拟仪表那样所有的计算单元都在 同时执行各自运算。因此，要获得同样的控制实时性，数字化的计算必须比模拟 计算快许多倍。通过对数字技术本身的特点及其与模拟技术相对比的弱点，我们知道，在 采用了数字技术之后，最重要的是要解决好数字控制系统的可靠性和实时性这两 个大问题。这两个问题解决好了，计算机控制系统的优越性能够充分发挥， 反之， 则计算机系统反而会不如仪表系统，因仪表系统可能最多是“不好用”，而计算机系统则可能会“不可用”。尽管数字技术有着上述先天性的弱点，但控制系统还是在不可逆转地向着 数字化的方向发展。这是由丁微电子技术已越来越成熟，数字电路也越来越可靠，微处理器的运算速度按照摩尔定

52、律每18个月翻一番，如今一枚最普通的八位微 处理器也可轻易地完成每秒几白万次的运算。更重要的是，用数字技术构成的控 制系统可以完成模拟系统所无法完成的复杂控制，如在经典PID调节的基础上加 入人工智能控制，对大滞后环节的处理等。 这些算法如果采用模拟技术实现， 一 是其结构必然非常庞大，元件数量巨大到无法承受的地步，而且，这样一个结构 复杂，元件繁多的系统必然导致可靠性急剧下降，因此是不可实现的，即使实现了也不可用。而在数字化的系统中，任何复杂的算法都可用软件予以实现，算法 的复杂并不改变系统结构，也不增加元件数量（最多增加一块存贮器），因此，在这种情况下数字化控制系统的可靠性要高丁模拟系统。

53、另外，数字技术的最大优势是可以形成网络，因为每个数字单元都可以有智能处理功能， 对外具有地址和识别码，因此可以在一条共用的总线(Party Line)上实现多个单元的信息传 输。而且，数字信息的传输与模拟信息的传输不同，数字信息可以利用编码技术，查错纠错技术剔除受到干扰而出错的信息，因此数字信息的传输是无失真的，不岭东核电有限公司DCS控制系统培训教材m每瞟DCS 系统结构及各部分功能简介-罗安19会产生附加的误差；而模拟信号的传输则会产生附加误差，而且每次传输都会在已有的误差上迭加新的误差，对比系统是很难识别和滤除的。而且模拟信号的传 输不可能共线(Party Line),只能每个信号使用一

54、对线。信号传输线的数量在系 统中似乎不是一个能够引起重视的问题，但如果信号数量很多、传输距离很长时，这个问题就相当突出，它将使成本急剧上升，设计、施工的难度大幅提高，线缆 的维护难度加大，而且很容易引入干扰甚至雷电等高压的申入，造成系统的损坏。4、分布式控制系统的产生和发展从以上的叙述可以看到，从1958年开始就陆续出现了由计算机组成的控制 系统，这些系统实现的功能不同，实现数字化的程度也不同。监视系统仅在人机 界面中对现场状态的观察方式实现了数字化，SPC系统则在对模拟仪表的设定值 方面实现了数字化，而DDC在人机界面， 控制计算等方面均实现了数字化， 但 还保留了现场模拟方式的变送单元和执

55、行单元，系统与它们的连接也是通过模拟信号线来实现的。DDC将所有控制回路的计算都集中在主CPU中，这引起了可靠性问题和实时性问题，上节对此已有论述。随着系统功能要求的不断增加，性能要求的不断提高和系统规模的不断扩大，这两个问题更加突出，经过多年的探索，在1975年DCS出现后才较好地解决了这两个问题，如果说，DDC是计算机进入控制领域后出现的新型控制系统，那么DCS则是网络进入控制领域后出现的新型控制系统。在DCS出现的早期，人们还将其看作是仪表系统，这在ISAS5.31983年 对DCS的定义中可以看出：“That class of instrumentation (input/output

56、 devices, control devices andoperator interface devices) which in addition to executing the stated control functions alsopermits transmission of control, measurement, and operating information to and from a singleor a plurality of user specifiable locations, connected by a communication link.某一类仪器仪表

57、(输入/输出设备、控制设备和操作员接口设备），它不仅可以完成指定的控制功能，还允许将控制、测 量和运行信息在具有通信链路的、可由用户指定的一个或多个地点之间相互传 递。”按照这个定义，我们可以将DCS理解为具有数字通信能力的仪表控制系统。 从系统的岭东核电有限公司DCS控制系统培训教材m每瞟DCS 系统结构及各部分功能简介-罗安20结构形式看，DCS确实与仪表控制系统相类似，它在现场端仍然采用 模拟仪表的变送单元和执行单元，在主控制室端是计算单元和显示、记录、给定值等单元，但从实质上，DCS和仪表控制系统有着本质的不同。首先，DCS是 基丁数字技术的，除了现场的变送和执行单元外，其余的处理均采

58、用数字方式。 而且，DCS的计算单元并不是针对每一个控制回路设置一个计算单元，而是将 若干个控制回路集中在一起,由一个现场控制站来完成这些控制回路的计算功 能。 这样的结构形式不只是为了成本上的考虑一一与模拟仪表的计算单元相比，DCS的现场控制站是比较昂贵的，而是由丁DCS的现场控制站有足够的能力 完成多个回路的控制计算。从功能上讲，由一个现场控制站执行多个控制回路的计算和控制功能更便丁这些控制回路之间的协调，这在模拟仪表系统中是无法实 现的。具体一个现场控制站应该执行多少个回路的控制，则与被控对象有关，系统设计师可以根据控制方法的要求具体安排在系统中使用多少个现场控制站，每个现场控制站中各安

59、排哪些控制回路。在这方面，DCS有着极大的灵活性。如果说，从仪表控制系统的角度看，DCS的最大特点在丁其具有传统模拟 仪表所没有的通信功能。那么从计算机控制系统的角度看，DCS的最大特点则在丁它将整个系统的功能分成为若干台不同的计算机去完成，各个计算机之间通过网络实现互相之间的协调和系统的集成。在DDC系统中，计算机的功能可分 为检测、计算、控制、人机界面等几大块，而在DCS中，检测、计算和控制这三项功能由称为现场控制站的计算机完成， 而人机界面则由称为操作员站的计算 机完成。这是两类功能完全不同的计算机。 而在一个系统中，往往有多台现场控 制站和多台操作员站，每台现场控制站或操作员站对部分被

60、控对象实施控制或监 视，这种划分是功能相同而范围不同的计算机，因此，DCS中多台计算机的划分有功能上的，也有控制、监视范围上的。这两种划分就形成了DCS的“分布”一词的含义。ISA除了在S5.31983中对DCS作了定义外，还作出了许多不同角度的解释：“ A system which, while being functionally integrated, consists of subsystems whichmay be physically separate and remotely located from one another S5.1.物 理上分立并分布在不同位置上的多个子系统