工业自动控制的DCS特点、构成与未来发展

目前，在连续型流程生产自动控制（PA）或习惯称之为工业过程控制中，有三大控制系统，即DCS（分散控制系统）、PLC（可编程逻辑控制器）和FCS（现场总线控制系统）。

什么是DCS

DCS集散控制系统(Distributed Control System)是20世纪70年代中期发展起来的以微处理器为基础的分散型计算机制系统。它是控制技术（Control）、计算机技术（Computer）、通信技术（Communication）、图形显示(Display)相结合的产物．该装置是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散制的一种全新的分布式计算机控制系统。

DCS的特点

DCS是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合的产物。DCS通常采用若干个控制器（过程站）对一个生产过程中的众多控制点进行控制，各控制器间通过网络连接并可进行数据交换。操作采用计算机操作站，通过网络与控制器连接，收集生产数据，传达操作指令。因此，DCS的主要特点归结为一句话就是：分散控制集中管理。

分级递阶控制系统

在垂直和水平方向都是分级的。

最简单的DCS系统至少在垂直方向分两级，即：操作管理级和过程控制级。在水平方向上各个过程控制级之间是相互协调的分级，它们把数据向上送达操作管理级，同时接收操作管理级的指令，各个水平分级间相互也进行数据交换。DCS系统越大，其垂直方向和水平方向分级的范围也越广。

分级递阶控制系统的优点是各个分级有各自的分工范围，相互之间有协调，通常，这种协调由上一级来完成。

分散控制

分散是DCS的一个重要特点。

分散的含义不单是分散控制，还包含了其他意义。如：地域分散，功能分散，设备分散，危险分散等。分散的目的是为了使危险分散，提高设备的可利用率。

自治与协调性

DCS的各个组成部分是各自为政的自治系统，各自完成各自的功能，相互之间又有联系，数据信息相互交换，各种条件相互制约，在系统的协调下工作。

分散过程控制装置完成数据的采集、信号的处理、计算以及数据输出等功能。操作管理装置完成数据的显示、操作监视和操纵信号的发送等功能。通信系统则完成操作管理装置与分散过程控制装置间的通信。

分散的基础是被分散的系统是自治的系统；递阶分级的基础是被分级的系统是协调的。

DCS的基本结构

DCS控制系统包括分散过程控制装置、操作管理装装置、数据通信系统。

分散过程控制装置

是集散控制系统与生产过程间的界面，生产过程的各种变量通过分散控制装置转化为操作监视的数据，而操作的各种信息也通过分散控制装置送到执行机构。在分散控制站装置内，进行模拟量与数字量的相互转换，完成控制算法的各种运算，对输入量与输出量进行有关的软件滤波及其他的一些运算。

操作管理装置

是操作人员与集散控制系统间的界面，操作人员通过操作管理装置了解生产过程的运行状况，并通过它发出操作指令给生产系统。生产过程的各种参数在操作管理装置上显示，以便于操作人员监视和操作。

包括操作员站和工程师站，完成系统的操作和组态。以及工厂管理信息系统（MIS系统），这是DCS更高层次的应用。

数据通信系统

完成分散控制装置与操作管理装置之间的数据传递与交换，使之连成一个整体。通讯网络有几种不同的结构行式。如总线式、环形和星形。总线形在逻辑上也是环形的。星形的只适用于小系统。不论是环形还是总线形，一般都采用广播式。其它一些协议方式已用的较少。通讯网络的速率在10M和100M左右。

有的集散控制系统在分散控制装置内又增加了现场级的控制装置和现场总线的通信系统；有的集散控制系统在操作管理装置内增加了综合级的控制装置和相应的通信系统。但从总的结构来看，都是由这三部分组成的。

DCS集散控制系统的硬件构成

1、控制站

控制站包括现场控制站和数据采集站等。有机柜、电源、控制计算机、其他部件。

现场控制单元的主要任务是进行数据采集及处理，对被控对象实施闭环反馈控制、顺序控制和批量控制。

用户可以根据不同的应用需求，选择配置不同的现场控制单元以构成现场控制站。以面向连续生产的过程控制为主，顺序逻辑控制为辅，构成一个可以实现多种复杂控制方案的现场控制站；以顺序控制、联锁控制功能为主的现场控制站；构成对大批量过程信号进行总体信息采集的现场控制站。

2、操作站

DCS 操作站一般分为操作员站和工程师站两种。

工程师站主要是技术人员与控制系统的人机接口，可以对应用系统进行监视。工程师站为用户提供了一个灵活的、功能齐全的工作平台，通过组态软件来实现用户所要求的各种控制策略。有些小型DCS的工程师站可以用一个操作员站代替。

操作站的主要设备有操作台、微处理机系统、外部存储设备、图形显示设备、操作键盘和鼠标、打印输出设备。

DCS的软件系统

包括组态软件、控制层软件和监控软件

（1）组态软件：

安装于工程师站。完成系统控制层软件和监控软件的组态功能。

根据实际生产过程控制的需要，预先将DCS所提供的硬件设备和软件功能模块组织起来，以完成特定的任务。要做的组态主要包括：硬件配置、数据库组态、控制算法组态、流程显示及操作画面组态、报表组态、编译和下装

（2）控制层软件：

特指运行于现场控制站的控制器中的软件，针对控制对象，完成控制功能。

其基本功能：I/O数据的采集、数据预处理、数据组织管理、控制运算及I/O数据的输出。

（3）监控软件

指操作员站或工程师站上的软件，主要完成操作人员所发出的各个命令的执行、图形与画面的显示、报警信息的显示处理、对现场各类检测数据的集中处理。

DCS和PLC之间有什么不同

先进的大中型过程控制基本上以采用PLC和DCS为主，包括将DCS概念拓展的FCS。而目前，新型的DCS与新型的PLC，都有向对方靠拢的趋势。新型的DCS已有很强的顺序控制功能；而新型的PLC，在处理闭环控制方面也不差，并且两者都能组成大型网络，DCS与PLC的适用范围，已有很大的交叉。

之前我们介绍过PLC，自控系统发展到现在，DCS和PLC之间没有一个严格的界线，在大多数人看来，大的系统就是DCS，小的系统就叫PLC。现在我们就这两个来找不同：

1、发展的来由

DCS从传统的仪表盘监控系统发展而来。因此，DCS从先天性来说较为侧重仪表的控制，比如我们使用的YOKOGAWA CS3000 DCS系统甚至没有PID数量的限制（PID,比例微分积分算法，是调节阀、变频器闭环控制的标准算法，通常PID的数量决定了可以使用的调节阀数量）。

PLC从传统的继电器回路发展而来，最初的PLC甚至没有模拟量的处理能力，因此，PLC从开始就强调的是逻辑运算能力。

2、系统的可扩展性和兼容性

市场上控制类产品繁多，无论DCS还是PLC，均有很多厂商在生产和销售。对于PLC系统来说，一般没有或很少有扩展的需求，因为PLC系统一般针对于设备来使用。一般来讲，PLC也很少有兼容性的要求，比如两个或以上的系统要求资源共享，对PLC来讲也是很困难的事。而且PLC一般都采用专用的网络结构，比如西门子的MPI总线性网络，甚至增加一台操作员站都不容易或成本很高。

DCS在发展的过程中也是各厂家自成体系，但大部分的DCS系统，比如横河、YOKOGAWA、霍尼维尔、ABB等等，虽说系统内部（过程级）的通讯协议不尽相同，但操作级的网络平台不约而同的选择了以太网络，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，各系统也可很方便的通讯，以实现资源共享。

3、数据库

DCS一般都提供统一的数据库。换句话说，在DCS系统中一旦一个数据存在于数据库中，就可在任何情况下引用，比如在组态软件中，在监控软件中，在趋势图中，在报表中……而PLC系统的数据库通常都不是统一的，组态软件和监控软件甚至归档软件都有自己的数据库。为什么常说西门子的S7400要到了414以上才称为DCS？因为西门子的PCS7系统才使用统一的数据库，而PCS7要求控制器起码到S7 414-3以上的型号。

4、时间调度

PLC的程序一般不能按事先设定的循环周期运行。PLC程序是从头到尾执行一次后又从头开始执行。（现在一些新型PLC有所改进，不过对任务周期的数量还是有限制。）而DCS可以设定任务周期。比如，快速任务等。同样是传感器的采样，压力传感器的变化时间很短，我们可以用200ms的任务周期采样，而温度传感器的滞后时间很大，我们可以用2s的任务周期采样。这样，DCS可以合理的调度控制器的资源。

5、网络结构

一般来讲，DCS惯常使用两层网络结构，一层为过程级网络，大部分DCS使用自己的总线协议，比如横河的Modbus、西门子和ABB的Profibus、ABB的 CAN bus等，这些协议均建立在标准串口传输协议RS232或RS485协议的基础上。现场IO模块，特别是模拟量的采样数据（机器代码，213/扫描周期）十分庞大，同时现场干扰因素较多，因此应该采用数据吞吐量大、抗干扰能力强的网络标准。基于RS485串口异步通讯方式的总线结构，符合现场通讯的要求。 IO的采样数据经CPU转换后变为整形数据或实形数据，在操作级网络（第二层网络）上传输。因此操作级网络可以采用数据吞吐量适中、传输速度快、连接方便的网络标准，同时因操作级网络一般布置在控制室内，对抗干扰的要求相对较低。因此采用标准以太网是最佳选择。TCP/IP协议是一种标准以太网协议，一般我们采用100Mbit/s的通讯速度。

PLC系统的工作任务相对简单，因此需要传输的数据量一般不会太大，所以常见的PLC系统为一层网络结构。过程级网络和操作级网络要么合并在一起，要不过程级网络简化成模件之间的内部连接。PLC很少使用以太网。

6、应用对象的规模

PLC一般应用在小型自控场所，比如设备的控制或少量的模拟量的控制及联锁，而大型的应用一般都是DCS。当然，这个概念不太准确，但很直观，习惯上我们把大于600点的系统称为DCS，小于这个规模叫做PLC。我们的热泵及QCS、横向产品配套的控制系统一般就是称为PLC。

PLC与DCS发展到今天，事实上都在向彼此靠拢，严格的说，现在的PLC与DCS已经不能一刀切开，很多时候之间的概念已经模糊了。

第四代DCS系统

受信息技术（网络通信技术、计算机硬件技术、嵌入式系统技术、现场总线技术、各种组态软件技术、数据库技术等）发展的影响，以及用户对先进的控制功能与管理功能需求的增加，各DCS厂商以Honeywell（霍尼韦尔）、Emerson（艾默生）、Foxboro（福克斯波罗）、横河、ABB为代表纷纷提升其DCS系统的技术水平，并不断丰富其内容。

第四代DCS的最主要标志是两个“I”开头的单词：Information（信息）和Integration（集成）。

第四代DCS的体系结构

第四代DCS的体系结构主要分四层：现场仪表层、控制装置单元层、工厂（车间）层和企业管理层。

一般DCS厂商主要提供下面的三层功能，而企业管理层则通过提供开放的数据库接口连接第三方的管理软件平台（ERP、CRM、SCM等）。所以说当今DCS主要提供工厂（车间）级的所有控制和管理功能，并集成全企业的信息管理功能。

第四代DCS的技术特点

（1）DCS充分体现信息化和集成化

信息和集成基本描述了当今DCS系统正在发生的变化。我们已经可以采集整个工厂车间和过程的信息数据，用户希望这些大量的数据能够以合适的方式体现，并帮助决策过程，让用户以他明白的方式，在他方便的地方得到他真正需要的数据。

信息化体现在各DCS系统已经不是一个以控制功能为主的控制系统，而是一个充分发挥信息管理功能的综合平台系统。DCS提供了从现场到设备，从设备到车间，从车间到工厂，从工厂到企业集团整个信息通道。这些信息充分体现了全面性、准确性、实时性和系统性。基本上大部分DCS提供了过去常规DCS功能、SCADA功能以及MES（制造执行系统）的大部分功能。与ERP不同，MES汇集了车间中用以管理和优化从下定单到产成品的生产活动全过程的相关硬件或软件组件，它控制和利用实时准确的制造信息来指导、传授、响应并报告车间发生的各项活动，同时向企业决策支持过程提供有关生产活动的任务评价信息。MES的功能包括车间的资源分配、过程管理、质量控制、维护管理、数据采集、性能分析及物料管理。

DCS的集成性则体现在两个方面：功能的集成（如上面所述）和产品的集成。过去的DCS厂商基本上是以自主开发为主，提供的系统也是自己的系统。当今的DCS厂商更强调系统的集成性和解决方案能力，DCS中除保留传统DCS所实现的过程控制功能之外，还集成了PLC（可编程逻辑控制器），RTU（远程终端设备），FCS（现场总线），各种多回路调节器，各种智能采集或控制单元等。此外各DCS厂商不再把开发组态软件或制造各种硬件单元视为核心技术，而是纷纷把DCS的各个组成部分采用第三方集成方式或OEM方式。

（2）DCS变成真正的混合控制系统

过去我们区分DCS和PLC主要通过被控对象的特点（过程控制逻辑控制）来进行划分。但是，第四代的DCS已经将这种划分模糊化了。几乎所有的第四代DCS都包容了过程控制、逻辑控制和批处理控制，实现了混合控制。这也是为了适应用户的真正控制需求。因为，多数的工业企业绝不能简单地划分为单一的过程控制和逻辑控制需求，而是由过程控制为主或逻辑控制为主的分过程组成的。我们要实现整个生产过程的优化，提高整个工厂的效率，就必须把整个生产过程纳入统一的分布集成信息系统。

（3）DCS包含FCS功能并进一步分散化

过去一段时间，一些学者和厂商把DCS和FCS（现场总线控制系统）对立起来。其实，真正推动FCS进步的仍然是世界主要几家DCS厂商。所有的第四代DCS都包含了各种形式的现场总线接口，可以支持多种标准的现场总线仪表、执行机构等。此外，各DCS还改变了原来机柜架式安装I/O模件、相对集中的控制站结构，取而代之的是进一步分散的I/O模块（导轨安装），或小型化的I/O组件（可以现场安装）或中小型的PLC。

（4）DCS已经走过高技术产品时代，进入低成本时代。配置灵活，适应各种系统应用。

DCS在上世纪九十年代还是技术含量高、应用相对复杂、价格也相当昂贵的工业控制系统。随着应用的普及， DCS已经变成大家熟悉的，价格合理的常规控制产品。第四代DCS的另一个显著特征就是各系统纷纷采用现成的软件技术和硬件（I/O处理）技术，采用灵活的规模配置，大大降低系统的成本与价格。 第四代DCS不仅经济地应用于大中型系统，而且应用于小系统也很合适。

（5）DCS平台开放性与应用服务专业化

二十年来，工业自动化界讨论非常多的一个概念就是开放性。过去由于通信技术的相对落后，开放性是困扰用户的一个重要问题。 而当代网络技术、数据库技术、软件技术、现场总线技术的发展为开放系统提供了可能。各DCS厂家竞争的加剧，促进了细化分工与合作，各厂家放弃了原来自己独立开发的工作模式，变成集成与合作的开发模式，所以开放性自动实现了。

第四代DCS全部支持某种程度的开放性。开放性体现在DCS可以从三个不同层面与第三方产品相互连接：在企业管理层支持各种管理软件平台连接；在工厂车间层支持第三方先进控制产品、SCADA平台、MES产品、BATCH处理软件、同时支持多种网络协议（以太网为主）；在装置控制层可以支持多种DCS单元（系统）、PLC、RTU、各种智能控制单元等以及各种标准的现场总线仪表与执行机构。

值得注意的是开放性的确有很多好处，但是在考虑开放性的同时，首先要充分考虑系统的安全性和可靠性，因为，生产过程的故障停车或事故造成的损失可能比开放性选择产品所节省的成本要高得多。

一直以来DCS的重点在于控制，它以“分散”作为关键字。但现代发展更着重于全系统信息综合管理，今后“综合”又将成为其关键字，向实现控制体系、运行体系、计划体系、管理体系的综合自动化方向发展，实施从最底层的实时控制、优化控制上升到生产调度、经营管理，以至最高层的战略决策，形成一个具有柔性、高度自动化的管控一体化系统。