DCS（分散控制系统）是工厂自动化中不可或缺的核心系统。
虽然 DCS 由大量设备和装置构成，看起来较为复杂，但理解其基本硬件架构，对从事化工、机械及过程工程的工程师来说非常重要。
机械工程师往往不会直接参与 DCS 的设计或操作，但从工厂整体运行的角度来看，DCS 的重要性非常高。即使只是掌握概要层面的知识，也能在与仪表或控制工程师沟通时更加顺畅。
本文将以初学者也能理解的方式，介绍 DCS 的主要硬件构成及各自的作用，帮助读者建立对工厂控制系统的整体认识。
DCS 硬件系统的整体结构
DCS 的硬件结构可以用以下三个层级来理解：
- 现场（Field）
安装在装置中的传感器、阀门及执行机构 - 控制站（Control Station）
汇集现场信号并执行控制运算 - 人机界面系统（HIS）
操作员进行监视和操作的系统
在示意图中，现场部分往往被画得很小，但在实际工厂中，无论是规模还是重要性，现场都是最大的部分。
通常所说的“仪表室”或“控制室”，就是安装 HIS 与控制站的地方。
控制部分
控制部分（包含 I/O 机架）主要具备以下功能：
- 通过 CPU 进行过程运算
- 将现场信号转换为数字信号
- 将运算结果转换为控制信号并返回现场
从概念上来说，反馈控制（如 PID 控制）在这一部分就已经完成。
如果工厂能够完全无人运行，那么控制部分本身就足够了。
操作与监视部分（HIS）
在实际工厂中，人为操作与监视仍然是不可缺少的。
HIS 通常包含以下功能：
- 画面（流程图）
- 操作指导信息
- 报警
- 趋势图
- 参数整定
- 组画面
其中，流程画面和趋势图使用频率最高。
趋势图在运行分析中非常重要，机械工程师也非常值得使用。
近年来，报警管理也成为一个重要课题。报警过多会增加操作员负担，因此报警设置本身也是工程的一部分。
柜体、巢箱与卡件
“控制站”本身是一个功能概念，并不直接对应具体设备。
在物理层面，DCS 设备通常安装在柜体（Cubicle）中。
柜体内部划分为多个巢箱（Nest），而巢箱中插入各种卡件（Card，电路板）。
卡件的种类
卡件是 DCS 的最小功能单元，通常分为三类：
- 信号分配用卡件
- 输入 / 输出卡件（I/O）
- 控制用卡件
例如，一个温度回路可能会分别使用输入卡、输出卡和控制卡。
功能划分的思想
DCS 的硬件通过功能分离来实现高效管理。
常见的功能划分包括：
- 模拟量 / 数字量
- 输入 / 输出
- 过程信号 / 报警 / 联锁
这种结构与企业组织形式非常相似，通过分工来提升整体效率和可维护性。
信号的输入与输出
模拟仪表
以温度控制为例，基本流程如下：
- 传感器检测温度
- I/O 卡将信号转换为控制信号
- 控制器计算控制量
- 控制信号输出至现场执行机构
常用的信号标准是 DC 4–20 mA。
数字仪表
数字信号主要用于顺序控制，例如：
- 液位达到上限 → 关闭进料阀
数字控制一般不用于反馈控制，而用于逻辑判断和顺序动作。
电信号与气动信号
现代化工厂几乎全部采用电信号。
| 项目 | 电信号 | 气动信号 |
|---|---|---|
| 传输速度 | 快 | 慢 |
| 精度 | 高 | 低 |
| 数据处理 | 简单 | 困难 |
气动信号目前仅在少数特殊场合使用。
指示、记录与报警
过去，指示仪、记录仪和报警装置是独立设备。
如今，这些功能大多已集成到 DCS 中。
不过，对于某些独立运行的设备（如冷冻机），仍然会使用硬报警，以确保异常能够被及时发现。
电源
仪表用电源通常为100V 以下，其中 DC 24V 最为常见。
- 模拟信号：DC 4–20 mA
- 数字信号：DI / DO
- 自动阀门：多为 100V
统一规格有助于降低维护成本。
冗余设计
冗余指的是为防止系统整体故障而配置的双重设备。
在 DCS 中，通常会对以下部分进行冗余设计：
- 控制站
- CPU 与存储器
- 电源
- I/O 卡件
系统具备自诊断功能，一旦发生异常，会自动切换至备用系统。
DCS 与 PLC（顺控系统）的区别
- DCS
- 安装在工厂控制室
- 负责全厂级控制
- 多由工厂工程师自行编程
- PLC（顺控器）
- 用于单台设备或成套设备
- 程序通常由设备厂家提供
复杂或专用设备一般“外置处理”，通过信号与 DCS 连接。
总结（Conclusion）
DCS 的硬件架构由多种设备协同工作，共同实现稳定可靠的工厂控制。
理解其基本结构和各组成部分的作用，有助于工程师在设计、运维及故障处理时更加从容。
希望本文能帮助你建立对 DCS 硬件系统的整体认识，并在实际工作中发挥作用。
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