說到控制系統(tǒng)很多人貌似說得頭頭是道，繼續(xù)深究下去，什么是控制器，什么是PLC，什么是DCS，什么又是FCS？三兩句話介紹完基本概念后，頓時語塞，怎么聊都感覺枯燥生硬。今天小蜘就來挑戰(zhàn)一下這個枯燥的話題，和大家談?wù)勈裁词荄CS。

本文將從以下幾個部分對DCS進(jìn)行介紹：

• 一、DCS的基本定義

• 二、DCS的發(fā)展歷程

• 三、DCS的主要特點(diǎn)

• 四、DCS的發(fā)展趨勢

一、DCS的基本定義

DCS是分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System）的英文縮寫，在國內(nèi)自控行業(yè)又稱之為集散控制系統(tǒng)。所謂的分布式控制系統(tǒng)，或在有些資料中稱之為集散系統(tǒng)，是相對于集中式控制系統(tǒng)而言的一種新型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它是在集中式控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展、演變而來的。它是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，綜合了計(jì)算機(jī)，通信、顯示和控制等4C技術(shù)，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活以及組態(tài)方便。

分散型控制系統(tǒng)（DCS）是以微處理機(jī)為基礎(chǔ)，以危險分散控制，操作和管理集中為特性，集先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、CRT技術(shù)和控制技術(shù)即4C技術(shù)于一體的新型控制系統(tǒng)。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，DCS正向著多元化、網(wǎng)絡(luò)化、開放化、集成管理方向發(fā)展，使得不同型號的DCS可以互連，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并可通過以太網(wǎng)將DCS系統(tǒng)和工廠管理網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)上網(wǎng)，成為過程工業(yè)自動控制的主流。

二、DCS的發(fā)展歷程

上世紀(jì)60年代以后，隨著生產(chǎn)工程的大型化和復(fù)雜化，誕生了計(jì)算機(jī)集中監(jiān)視和控制的集中控制系統(tǒng)。集中控制方便了監(jiān)視、操作和管理，同樣也使危險性高度集中，系統(tǒng)一旦故障，對裝置造成的影響和危險性都是非常大的。

隨著微處理機(jī)的誕生，為新型控制系統(tǒng)的開放創(chuàng)造了無比優(yōu)越的條件。1975年，隨著計(jì)算機(jī)、通訊、控制和CRT 4C技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，美國Honeywell首次向全球推出了分散控制系統(tǒng)TDC-2000，從第一套DSC誕生至今，DCS系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)歷了三個發(fā)展階段。

• 第一個發(fā)展階段：1975至1980年（初創(chuàng)階段）

由于軟硬件技術(shù)的限制，此時的DCS系統(tǒng)性能還不十分完善，硬件結(jié)構(gòu)還不十分成熟。
在這個時期集散控制系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)表現(xiàn)為：1）采用微處理器為基礎(chǔ)的控制單元，實(shí)現(xiàn)分散控制，有各種各樣的算法，通過組態(tài)獨(dú)立完成回路控制，具有自診斷功能；2）采用帶CRT顯示器的操作站與過程單元分離，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)視，集中操作；3）采用較先進(jìn)的冗余通信系統(tǒng)。

第二個發(fā)展階段：1981至1987年

這一時期容錯、冗余技術(shù)已經(jīng)成熟使用，系統(tǒng)可靠性很高，性能十分優(yōu)越，各種控制功能十分豐富。在該階段DCS從單純的工業(yè)過程自動化控制向生產(chǎn)管理自動化發(fā)展。這一代的DCS主要將LAN（Local Area Network）技術(shù)引入，使DCS的網(wǎng)絡(luò)功能大大加強(qiáng)。
在這個時期集散控制系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)表現(xiàn)為：1）微處理器的位數(shù)提高，CRT顯示器的分辨率提高；2）強(qiáng)化的模塊化系統(tǒng)；3）強(qiáng)化了系統(tǒng)信息管理，加強(qiáng)通信功能

• 第三個發(fā)展階段：1987年至今

各廠家采用國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）開放系統(tǒng)互連（OSI）結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上產(chǎn)生制造自動化協(xié)議（MAP）標(biāo)準(zhǔn)來解決不同機(jī)型的互連問題。 DCS系統(tǒng)在硬件上使用了更先進(jìn)的CPU及冗余技術(shù)，存儲容量及通訊速度大幅度提高，軟件上采用通用操作系統(tǒng)。在該階段DCS將控制、監(jiān)督和管理調(diào)度有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了各種生產(chǎn)經(jīng)營信息的自動化管理。
集散系統(tǒng)進(jìn)入第三代，其技術(shù)特點(diǎn)表現(xiàn)為：1）采用開放系統(tǒng)管理；2）操作站采用32位微處理器；3）采用實(shí)時多用戶多任務(wù)的操作系統(tǒng)

三、DCS的組成部分

集散控制系統(tǒng)一般有以下四部分組成：

（一）現(xiàn)場控制級

現(xiàn)場控制級，又稱數(shù)據(jù)采集裝置，主要是將過程非控變量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理，而且對實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)一步加工處理，供CRT操作站顯示和打印，從而實(shí)現(xiàn)開環(huán)監(jiān)視，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控計(jì)算機(jī)。

輸出裝置在有上位機(jī)的情況下，能以開關(guān)量或者模擬量信號的方式，向終端元件輸出計(jì)算機(jī)控制命令。這一個級別直接面對現(xiàn)場，跟現(xiàn)場過程相連。比如閥門、電機(jī)、各類傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等等。它們都是工業(yè)現(xiàn)場的基礎(chǔ)設(shè)備、同樣也是DCS的基礎(chǔ)。在DCS系統(tǒng)中，這一級別的功能就是服從上位機(jī)發(fā)來的命令，同時向上位機(jī)反饋執(zhí)行的情況。拿軍隊(duì)來舉例的話，可以形容為最底層的士兵。它們只要能準(zhǔn)確地服從命令，并且準(zhǔn)確地向上級匯報情況即完成使命。至于它與上位機(jī)交流，就是通過模擬信號或者現(xiàn)場總線的數(shù)字信號。由于模擬信號在傳遞的過程或多或少存在一些失真或者受到干擾，所以目前流行的是通過現(xiàn)場總線來進(jìn)行DCS信號的傳遞。

（二）過程控制級

過程控制級，又稱現(xiàn)場控制單元或基本控制器，是DCS系統(tǒng)中的核心部分。生產(chǎn)工藝的調(diào)節(jié)都是靠它來實(shí)現(xiàn)。比如閥門的開閉調(diào)節(jié)、順序控制、連續(xù)控制等等。上面說到現(xiàn)場控制級是“士兵”，那么給它發(fā)號施令的就是過程控制級了。它接受現(xiàn)場控制級傳來的信號，按照工藝要求進(jìn)行控制規(guī)律運(yùn)算，然后將結(jié)果作為控制信號發(fā)給現(xiàn)場控制級的設(shè)備。所以，過程控制級要具備聰明的大腦，能將“士兵”反饋的軍情進(jìn)行分析，然后做出命令，以使“士兵”能打贏“戰(zhàn)爭”。這個級別不是最高的，相當(dāng)于軍隊(duì)里的“中尉”。它也一樣必須將現(xiàn)場的情況反饋給更高級別的“上?！币簿褪窍旅嬷v的過程管理級。

（三）過程管理級

DCS的人機(jī)接口裝置，普遍配有高分辨率、大屏幕的色彩CRT、操作者鍵盤、打印機(jī)、大容量存儲器等。操作員通過操作站選擇各種操作和監(jiān)視生產(chǎn)情況、這個級別是操作人員跟DCS交換信息的平臺。是DCS的核心顯示、操作跟管理裝置。操作人員通過操作站來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程，可以通過屏幕了解到生產(chǎn)運(yùn)行情況，了解每個過程變量的數(shù)字跟狀態(tài)。這一級別在軍隊(duì)中算是很高的“上?！绷?。它所掌握的“大權(quán)”可以根據(jù)需要隨時進(jìn)行手動自動切換、修改設(shè)定值，調(diào)整控制信號、操縱現(xiàn)場設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。

（四）經(jīng)營管理級

經(jīng)營管理級，又稱上位機(jī)，功能強(qiáng)、速度快、容量大。通過專門的通信接口與高速數(shù)據(jù)通路相連，綜合監(jiān)視系統(tǒng)各單元，管理全系統(tǒng)的所有信息。 這是全廠自動化系統(tǒng)的最高一層。只有大規(guī)模的集散控制系統(tǒng)才具備這一級。相當(dāng)于軍隊(duì)中的“元帥”，他們所面向的使用者是廠長、經(jīng)理、總工程師等行政管理或運(yùn)行管理人員。它的權(quán)限很大，可以監(jiān)視各部門的運(yùn)行情況，利用歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時數(shù)據(jù)預(yù)測可能發(fā)生的各種情況，從企業(yè)全局利益出發(fā)，幫助企業(yè)管理人員進(jìn)行決策，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)其計(jì)劃目標(biāo)。

四、DCS的主要特點(diǎn)

（一）高可靠性

由于DCS將系統(tǒng)控制功能分散在各臺計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用容錯設(shè)計(jì)，因此某一臺計(jì)算機(jī)出現(xiàn)的故障不會導(dǎo)致系統(tǒng)其它功能的喪失。此外，由于系統(tǒng)中各臺計(jì)算機(jī)所承擔(dān)的任務(wù)比較單一，可以針對需要實(shí)現(xiàn)的功能采用具有特定結(jié)構(gòu)和軟件的專用計(jì)算機(jī)，從而使系統(tǒng)中每臺計(jì)算機(jī)的可靠性也得到提高。

（二）開放性

DCS采用開放式、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)中各臺計(jì)算機(jī)采用局域網(wǎng)方式通信，實(shí)現(xiàn)信息傳輸，當(dāng)需要改變或擴(kuò)充系統(tǒng)功能時，可將新增計(jì)算機(jī)方便地連入系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)或從網(wǎng)絡(luò)中卸下，幾乎不影響系統(tǒng)其他計(jì)算機(jī)的工作。

（三）靈活性

通過組態(tài)軟件根據(jù)不同的流程應(yīng)用對象進(jìn)行軟硬件組態(tài)，即確定測量與控制信號及相互間連接關(guān)系、從控制算法庫選擇適用的控制規(guī)律以及從圖形庫調(diào)用基本圖形組成所需的各種監(jiān)控和報警畫面，從而方便地構(gòu)成所需的控制系統(tǒng)。

（四）易于維護(hù)

功能單一的小型或微型專用計(jì)算機(jī)，具有維護(hù)簡單、方便的特點(diǎn)，當(dāng)某一局部或某個計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時，可以在不影響整個系統(tǒng)運(yùn)行的情況下在線更換，迅速排除故障。

（五）協(xié)調(diào)性

各工作站之間通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送各種數(shù)據(jù)，整個系統(tǒng)信息共享，協(xié)調(diào)工作，以完成控制系統(tǒng)的總體功能和優(yōu)化處理。

（六）控制功能齊全

控制算法豐富，集連續(xù)控制、順序控制和批處理控制于一體，可實(shí)現(xiàn)串級、前饋、解耦、自適應(yīng)和預(yù)測控制等先進(jìn)控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。

五、DCS的發(fā)展趨勢

（一）系統(tǒng)功能向開放式方向發(fā)展

傳統(tǒng)DCS的結(jié)構(gòu)是封閉式的，不同制造商的DCS之間難以兼容。而開放式的DCS將可以賦予用戶更大的系統(tǒng)集成自主權(quán)，用戶可根據(jù)實(shí)際需要選擇不同廠商的設(shè)備連同軟件資源連入控制系統(tǒng)，達(dá)到最佳的系統(tǒng)集成。這里不僅包括DCS與DCS的集成，更包括DCS與PLC、FCS及各種控制設(shè)備和軟件資源的廣義集成。

（二）儀表技術(shù)向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展

工業(yè)控制設(shè)備的智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，可以促使過程控制的功能進(jìn)一步分散下移，實(shí)現(xiàn)真正意義上的“全數(shù)字”、“全分散”控制。另外，由于這些智能儀表具有的精度高、重復(fù)性好、可靠性高，并具備雙向通信和自診斷功能等特點(diǎn)，致使系統(tǒng)的安裝、使用和維護(hù)工作更為方便。

（三）工控軟件正向先進(jìn)控制方向發(fā)展

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、也是最具價值的發(fā)展方向，主要包括先進(jìn)控制、過程優(yōu)化、信息集成、系統(tǒng)集成等軟件的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。在未來，工業(yè)控制軟件也將繼續(xù)向標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和開放性發(fā)展方向。

（四）系統(tǒng)架構(gòu)向FCS方向發(fā)展

單純從技術(shù)而言，現(xiàn)階段現(xiàn)場總線集成于DCS可以有三種方式：

1、現(xiàn)場總線于DCS系統(tǒng)I/O總線上的集成――通過一個現(xiàn)場總線接口卡掛在DCS的I/O總線上，使得在DCS控制器所看到的現(xiàn)場總線來的信息就如同來自一個傳統(tǒng)的DCS設(shè)備卡一樣。例如Fisher-Rosemount公司推出的DeltaV系統(tǒng)采用的就是此種集成方案。

2、現(xiàn)場總線于DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層的集成――就是在DCS更高一層網(wǎng)絡(luò)上集成現(xiàn)場總線系統(tǒng)，這種集成方式不需要對DCS控制站進(jìn)行改動，對原有系統(tǒng)影響較小。如Smar公司的302系列現(xiàn)場總線產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)在DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層集成其現(xiàn)場總線功能。

3、現(xiàn)場總線通過網(wǎng)關(guān)與DCS系統(tǒng)并行集成――現(xiàn)場總線和DCS還可以通過網(wǎng)關(guān)橋接實(shí)現(xiàn)并行集成。如SUPCON的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，利用HART協(xié)議網(wǎng)橋連接系統(tǒng)操作站和現(xiàn)場儀表，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線設(shè)備管理系統(tǒng)操作站與HART協(xié)議現(xiàn)場儀表之間的通信功能。