关键词： 分散控制系统 可编程序控制器 现场总线控制系统
DCS(Distributed Control System)，又称为集中分散型控制系统，简称分散控制系统。分散控制系统是集计算机技术(Computer)、控制技术(Control)、通信技术(Communication)和CRT显示技术为一体的高新技术产品，具有控制功能强、操作简便和可靠性高等特点，可以方便地用于工业装置的生产控制和经营管理，是针对生产过程实施监视、操作、管理和分散控制的4C技术的结合。在化工、电力、冶金等流程自动化领域的应用已经十分普及。
一 DCS的产生发展
DCS既不同于分散的仪表控制系统，又不同于集中式计算机控制系统，是吸取了这两者的优点，且在它们的基础上发展起来的。
20世纪80年代之前的分散系统属于第一代DCS，它由过程控制单元、数据采集装置、CRT操作站、监控计算机和数据传输通道5个部分组成，其中数据传输通道也称数据高速公路，它是第一代分散系统的通信系统，一般由通信电缆和数据传输管理指挥装置组成。
进入80年代，出现了局域网技术广泛应用于分散系统的第二代DCS。
80年代末，为了克服第二代DCS局域网不能互连的困难，出现了开放型的第三代DCS。典型产品：Foxboro的I/A Series, Honeywell的TDC 3000/PM； Bailey Control公司的INFI-90；日本横河的CENTUM-XL等。其特点：采用了开放的通信协议。
如今发展到了第四代DCS，第四代DCS充分体现在两个"I"开头的单词：Information(信息)和Integration(集成)即信息化和集成化。其体系结构主要分为四层结构：现场仪表层、控制装置单元层、工厂管理层和企业管理层。Honeywell公司最新推出的Experion PKS(过程知识系统)、Emerson公司的PlantWeb、Foxboro公司的A2、横河公司的R3(PRM-工厂资源管理系统)和ABB公司的Industrial IT系统为标志的新一代DCS 已经形成。
在DCS市场中，国内供应商占据了相当多的份额。这一点也是与DCS的特点分不开的。定制性、跟客户的紧密沟通、培训、售后服务这些都是本土企业的强项。这使得国内兴起了以和利时、浙大中控、新华这样的企业。在中国的DCS市场上，国内厂商已经具备了相当的竞争能力。例如通过新华公司与和利时公司在火电站控制领域的竞争，以及和利时公司与浙大中控在化工等领域的竞争，使得国外的DCS纷纷降价。可以说，这3家公司最大的贡献是把国外的DCS价格降到了原来40％以下，为DCS在国内工业企业的普及应用，特别是在中小型企业中的应用做出了贡献。
我国2002年DCS市场销售收入为23～26亿元人民币。DCS产量比2001年增长了20％。由于国产DCS的快速发展，使DCS的平均价格有所下降，因此销售额的增长没有产量增长率高。但总体上，国产系统和进口系统都得到很大的发展。ARC咨询机构2003年发布了世界DCS市场预测报告。该报告预测，世界DCS市场从2002年至2007年将保持2.5％的增长，从2003年的91亿美元增长到103亿美元。DCS的发展速度之所以不高，主要原因是美国等发达国家的经济增长速度减慢所造成。而中国近几年的DCS的增长速度应该在10％以上。当今的DCS与10年前的DCS相比，发生了根本性的变化。2005年，中国DCS市场整体业务继续保持稳定增长趋势，总体规模达到62亿元，增长率保持较高水平，比2004年增长19.2％。
图1
图2
图3
二 第四代DCS的特点
DCS的主要特点是：控制功能强、系统可靠性高、采用CRT操作站有良好的人机界面、软硬件采用模块化积木式结构、系统容易开发、采用组态软件，编程简单，操作方便、有良好的性价比。
1. 体系结构
第四代DCS系统具备开放的体系结构，可以提供多层的开放数据接口。其体系结构是金字塔状的四层结构：现场仪表层、控制装置单元层、工厂管理层和企业管理层，如图1所示。
DCS厂商提供现场仪表层、控制装置单元层、工厂管理层的三层功能，不包括最高层的企业管理层。我们将企业管理层分为经营管理层和生产管理层。经营管理层通过开放的数据库接口和网络接口，可以与其他管理平台相连。生产管理层通过OPC、ODBC等功能实现与其他系统的连接。
2. 硬件结构
由工程师站、操
作站、现场控制站、通信控制站、打印服务站、系统服务器、管理网络、系统网络、控制网络等组成。其中主要的操作站构成和现场控制站的主要硬件结构如下：(1)操作站构成
数据文件台：是操作站的运算处理设备，它通过通信接口与通信网络相连，作为局部网络的节点装置或工作站。
CRT操作台是人与被控制和管理系统进行对话的界面，由CRT和操作键盘构成。
外围设备：大容量的外存(磁盘、磁带)、打印机。
(2)现场控制站的主要硬件结构
机柜：装有多层机架，外壳与活动部件之间保证有良好的电气连接，并提供良好的电磁屏蔽，有风扇，有温度自动检测和报警装置。
电源：高效、稳定、无干扰的交流供电系统，柜内直流稳压电源。
控制计算机：是现场控制单元的核心，由CPU、存储器、I/O模块等组成，此外还有现场控制站智能调节器和可编程控制器。
不同设备的控制功能分配到不同的合适控制单元上，方便对单个控制单元进行模块化的功能修改、下装和调试、节省电缆，又可以提高该设备的控制速度。
3. 分散控制系统的软件
DCS软件包括工程师站专用组态软件，操作员站、现场控制
各个厂商的组态语言各有千秋，通常有功能块语言、面向问题语言、高级语言；现在的趋势是用工控组态软件，适用于开放性的系统组态，如iFIX、 WinCC等。采用标准化的图形符号有利于减少操作失误，缩短操作员培训时间，有利于沟通设计人员和操作人员之间的设计意图和操作经验。
软件组态包括基本配置组态、应用软件组态：
(1)基本配置组态
给系统一个配置信息，如系统的各站的个数，它们的索引标志，每个现场控制站的最大点数，最短执行周期，最大内存配置等；每个操作员站的内存配置信息，磁盘空间容量信息等。
(2)应用软件组态
数据库的生成、历史库的生成、图形生成、操作站各种画面的组态、控制组态等。
系统画面组态：用于系统的维护。通常由系统结构、通信网络、各组成设备运行状态等信息组成，一般由系统自己生成。
过程操作画面：DCS提供的各类功能块的内部仪表面板画面、用户过程画面(流程图画面)、总貌画面、分组画面、检测和控制点画面、趋势画面以及回路显示画面等各种格式，都可利用DCS厂商提供的组态方式，填入相应的数据，即可完成组态。
报警及其他事件一览表：DCS都有固定的报警和事件一览表格式，只需用户将所需信号的报警优先级类型、显示格式按提供的要求填入即可；画面的编号一览表根据用户组态时确定的画面编号自动生成。
4. 分散控制系统的通信
分散控制系统主要采用下列4种通信协议：
(1)OSI七层协议：国际标准化组织(ISO)在1981年正式推荐了一个网络系统结构七层参考模型，开放系统互连即OSI(Open System Interconnection)。参考模型的目的就是使系统各计算机、终端、网络之间互相交换信息的过程逐步标准化，将整个网络通信的功能划分成七个层次，每层各自完成一定的功能。
(2)局域网协议：在一个小区域范围内，将独立系统互连起来实现资源的共享，便构成局域网。局域网就是对各种数据通信设备提供互连的通信网。
(3)PROWAY协议：PROWAY是一种专门用于过程控制的网络协议，它的标准化工作比其他任何局部网的历史都长。它可互连输入／输出设备、控制设备、人机接口设备等。它特别强调实时性和可靠性。
(4)MAP协议：MAP协议是由既非标准化组织、也非计算机制造厂家的美国通用汽车公司提出，它是建立在上述几种标准协议基础上的。
第四代DCS在现场控制层支持多种现场总线标准，以便适应未来的扩充需要；通过Profibus、FF总线、Modbus、CANbus、Ethernet等协议与其他控制器和现场智能设备连接。网络通信协议和接口驱动程序采用国际标准协议，支持Internet。
5. 分散型控制系统分散内涵
各种DCS系统虽然结构和功能各有不同，但有一个共同的特点，即控制功能分散、操作管理集中。主要包括6个方面：
(1)分散智能：把中央控制器的功能分散出来，实现功能分散。
过程控制单元是以微处理器为基础的，各种常规的、先进的控制算法，甚至自整定控制的功能均能独立完成。
(2)分散显示：中央操作站和本地操作站，都具备分散显示功能，包括3个方面。
现场控制单元本身可与本地的显示装置相连接，随时显示现场信息；中央操作站具有显示全系统任何一个分散过程点全部信息的能力；第三、四代的DCS各个本地显示操作站不仅可以调用其他本地显示操作站，也可调用中
央操作站信息，并进行分散显示。(3)分散数据库：每个单元都有本地数据库。
数据库是采用分布式的数据库系统，现场控制站也可以设有本地数据库，并为全系统共享。
(4)分散通信：过程单元在网络中可互相通信，享有"平等权利"。
因采用局域网络的通信技术，使现场控制站在网络中可互相通信，各站具有平等的通信控制权。
(5)分散供电：分散供电装置为过程控制单元服务分散智能。
分散供电适应现场控制站分散在现场的需要，而且也有利于系统可靠性的提高。
(6)分散负荷：一个现场控制站，仅承担地理位置分散的系统中一小部分控制、监测的负荷。
所以说，当今DCS主要提供工厂管理级的所有控制和管理功能，并集成全企业的信息管理功能。
三 DCS与PLC的比较
PLC(ProgrammabIe Logic Controller)可编程序控制器：专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入／输出控制各种类型的机械或生产过程，PLC控
DCS的优势在于：DCS是一个系统，硬件上包括现场控制器、操作员站计算机、工程师站计算机，以及联系它们的网络系统，DCS系统通常提供完整的系统给用户；软件上是一个整体方案，采用一个统一的开发环境，解决的是一个系统的所有技术问题，系统各部分之间结合严密。DCS是分布式控制，拥有全局统一数据库。DCS系统更大，是以时间为基准的控制，控制的回路数目更多，有比较多的控制和算法，可以完成比较复杂的回路间的控制。DCS开发控制算法采用仪表技术人员熟悉的风格，仪表人员很容易将P&I图转化成DCS提供的控制算法。整体来说包括工程师站(过程管理层)用于现场控制站的组态，控制算法的开发以及流程图画面的开发等，能做到I/O的冗余。DCS则在复杂的过程控制中占优势，在发展的过程中也是各厂家自成体系，大部分的DCS系统的通信协议不尽相同，但操作级的网络平台不约而同地选择了以太网络，采用标准或变形的TCP/IP协议。这样就提供了很方便的可扩展能力。在这种网络中，控制器、计算机均作为一个节点存在，只要网络到达的地方，就可以随意增减节点数量和布置节点位置。另外，基于Windows系统的OPC、DDE等开放协议，各系统也可很方便地通信，以实现资源共享。
而PLC只是一个装置，硬件上等同于DCS中的现场控制器，要构成系统还需要上位SCADA系统和与之相连的网络，并需要系统集成。软件上是一个局部方案，站与站之间组织松散。PLC用于过程控制需要不同的开发环境，首先要对PLC进行逻辑开发，再通过相应的上位机软件建立与PLC相对应的数据库，然后进行流程图画面的开发。PLC采用梯形图逻辑来实现过程控制，对于仪表人员来说相对困难，尤其是复杂回路的算法，不如DCS实现起来方便。PLC则不可以做到I/O的冗余。对于PLC系统来说，一般没有或很少有扩展的需求，也很少有兼容性的要求。因为PLC系统一般针对于设备来使用。而且PLC一般都采用专用的网络结构。在通信功能及管理能力方面不及DCS 。
DCS与PLC硬件可靠性差不多。PLC的优势在于软件方面PLC采用的是顺序扫描机制，PLC在高速的顺序控制中占主导地位。PLC的循环周期在10ms秒左右，而DCS控制站在500ms左右。PLC的开放性更好，不同厂商的产品互联性好。作为产品，其独立工作的能力更强。DCS实现顺序联锁功能相对于PLC来讲是弱势，且逻辑执行速度不如PLC。相对而言，PLC构成的系统成本更低。DCS的现场控制站层通常采用集中式控制，尽管支持远程分布式I/O，但由于成本原因，很少采用。而PLC基于现场总线的远程分布式I/O体积小更灵活易用，能有效地节省接线成本。
DCS虽然通信及管理能力较强，但体积大，价格相对较高。
PLC与DCS技术。它们各自具有明显的优势及劣势，在这种情况下，用户期望得到一种集PLC与DCS优点于一体的控制系统，这种PLC与DCS结合的混合式控制系统应既能完美地实现逻辑及顺序控制，又能很好地完成过程控制，同时还应具有管理功能，且体积小，价格较低，可靠性高的特点。
四 DCS与FCS的比较
现场总线控制系统(FCS)的概念已经经历了20几年的发展。它是在DCS/PLC基础上发展起来的新技术。现场总线是"从控制室连接到现场设备的双向串行数字通信总线"，现场总线的"现场"更多的是指现场设备，而不是指位置。FCS主要特点是采用总线标准，一种类型的总线，只要其总线协议一经确定，相关的关键技术与有关的设备也就被确定。 开放的现场总线控制系统具有高度的互操作性。FC
S既是一个开放的通信网络，又是一个全分布式的控制系统，FCS结构如图3所示。FCS的优势在于：它是DCS/PLC继承发展的结果。它在很多方面继承了DCS/PLC成熟技术。例如在人机界面操作站、基于IEC61131-3的编程组态方法、热备冗余思想和方法、远程I/O、现场变送器和阀门定位器等仪表的两线制供电、本质安全防爆等方面。但是FCS相对于DCS/PLC的技术进步产生了质的飞跃，超越了DCS/PLC的框架，也不适当再称之为"改进了的DCS/PLC"。FCS最深刻的改变是现场设备的数字化、智能化和网络化。DCS多为模拟数字混合系统，FCS是分步式网络自动化系统。DCS采用独家封闭的通信协议，FCS采用标准的通信协议。DCS属多级分层网络结构，FCS为分散控制结构。故FCS比传统DCS性能好，准确度高，误码率低。FCS相对于DCS组态简单，由于结构、性能标准化，便于安装、运行、维护。
DCS当前正面临着FCS技术的挑战。尽管现场总线的国际标准不理想，但是作为一种技术趋势已经是不可阻挡的了。目前各家公司都采用将自己的DCS和各种现场总线协议通过接口设备实现连接的过渡方式，虽然
五 DCS/PLC/FCS共存
FCS顺应了自动控制系统的发展潮流，不久的将来完善的FCS必将替代DCS。然而，在FCS还没有完全成熟的现阶段，对FCS系统而言才刚刚进入实用化的阶段，在兼容开放、双向数字通信、数字智能现场装置和高速总线等技术方面还有待于完善。作为DCS系统发展到今天，开发初期提出的技术要求基本都已得到了满足和完善。DCS/PLC则以其完备的功能及广泛的应用而占居着一个尚不可完全替代的地位。FCS应该与DCS和PLC取长补短，相互兼容，综合考虑性能和成本，以达到最佳的控制效果。
