集散控制系统的发展及应用现状

集散控制系统的发展及应用现状The Development and Application Status of Distributed Control System摘要：本文介绍了集散控制系统（DCS）的发展，分析了DCS在我国的应用现状。

结合DCS的技术特点和新技术的发展，指出新一代DCS是集过程控制、信息管理、开放式网络交互等于一身的自动化信息平台。

关键词：计算机控制；集散控制系统；现场总线；网络通信Abstract ：The article introduces the development of DCS(distributed control system) , and analyzes its application status in China．Combining the technical character of DCS and the development of new technology, the article indicates the new DCS is an automation and information united platform with process control、information management、open network communication．Key words：Computer control；Distributed control system；Fieldbus；Network communication引言上世纪70年代工业的发展使生产过程日益复杂，规模更加扩大，在生产中采用传统的计算机集中控制系统，计算机一旦出现故障，就会使整个系统瘫痪、生产停产的严重事故,其可靠性、稳定性较差，为提高系统的可靠性和稳定性，满足生产过程控制中分散风险的要求，美国、日本及欧洲等国开始研制集散型控制系统(DCS)。

DCS自1975年问世以来，受到微电子技术的飞速发展以及生产过程管理控制的双重作用下，虽然系统的体系结构没有发生重大改变，但是经过不断的发展和完善，其功能和性能都得到了巨大的提高。

DCS综合了计算机技术、通信技术和过程控制技术，在当今现代化生产过程控制中起着重要的作用。

1 什么是DCSDCS是计算机(computer)、通信(communication)、CRT显示和控制(control)技术(简称四C技术)发展起来的产物[1]。

它采用危险分散、控制分散，而操作和管理集中的基本设计思想，以分层、分级和合作自治的结构形式，适应现代工业的生产和管理要求。

DCS也是一种模拟数字混合系统，它是在常规组合模拟仪表与计算机集中DDC的基础上发展形成的。

其变送、执行单元仍然采用4～20 mA 的模拟仪表，控制计算、监控与人机界面采用多个CPU递阶构成的集中与分散相结合的分散控制系统[2]。

常规的模拟仪表组成的过程控制系统存在许多局限性，如难以实现多变量相关对象的控制；难以实现复杂的高级控制算法和参数的集中显示操作；由于生产工艺过程的复杂和规模的扩大，就要增加仪表，相应的模拟仪表也要增大。

而计算机集中DDC控制会导致危险的集中。

虽不难实现用一台计算机控制几十个甚至上百个回路，但这样必然降低系统的安全性能。

DCS 吸收了模拟仪表和计算机集中控制DDC的优点，将多台微机分散应用于过程控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一、人机交互差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既在监视、操作与管理三方面集中，又在功能、负荷和危险性三方面分散。

DCS自上世纪70年代问世以来，各国公司各自推出了多种不同设计、风格各异的DCS，即使是同一厂家，其早期产品和近期产品也有很大差异。

但是，尽管种种DCS千差万别，其核心结构却基本上是一致的，即所谓“三点一线”式结构。

“一线”是指DCS的骨架计算机网络，“三点”则是连接在网络上的三种不同类型的节点。

这三种不同类型的节点是：面向被控过程现场的现场I/O控制站；面向操作人员的操作站；面向DCS监控管理人员的工程师站。

一般情况下，一个DCS中只需配置一台工程师站，而现场I/O 控制站和操作员站的数量则根据实际要求配置。

这三种节点通过系统网络互相连接并相互交换信息，协调各方面的工作，共同完成DCS的整体功能。

图1 所示为一个DCS的典型递阶分层结构[3]，系统中所有的设备分别处于四个不同的层次，自下而上分别是：现场级、控制级、监控级和管理级。

对应着这四层结构，分别由四层计算机网络即现场网络Fnet(Field Network)、控制网络Cnet(Control Network)、监控网络Snet(Supervision Network)和管理网络Mnet(Management Network)把相应的设备连接在一起。

现场级控制级监控级管理级常规仪表现场总线仪表常规仪表图1 DCS 的分层结构2 DCS 的发展计算机技术、通信技术、控制技术、大规模集成电路技术、通信技术和图形显示技术、多媒体技术、人工智能技术及其它高新技术的发展为DCS 在工业控制系统中的应用和发展提供了技术基础，DCS 已经成为工业过程控制中不可缺少的工具。

DCS 的出现符合现代工业向大型化、集成化方向发展的需要，对工业自动化的发展起了革命性的推动作用，是控制技术发展的里程碑。

目前，国际上比较著名的DCS 生产厂商有Honeywell 公司、福克斯波罗公司、贝利公司、西门子公司、日本横河公司、西屋公司、摩尔公司等。

这些公司大多在中国大陆都有分公司或代理商。

在我国各行业中投入使用的DCS 系统大多为这些公司的产品。

DCS 从诞生到现在，大致经历了以下几个发展阶段：(1) 第一代DCS; 具有分散控制、集中管理的过程控制、操作管理和数据通信三大主要功能，以Honeywell公司1975年推出的TDC2000等为代表。

(2) 第二代DCS; 第二代DCS 产品的主要特点是比第一代DCS 功能增强，包括控制算法，实现常规控制、逻辑控制、批量控制的结合，即混合控制。

管理范围扩大，功能增加。

通信方式为总线式和环式，并支持局域网协议。

以TDC3000等为代表。

(3) 第三代DCS; 第三代以FOXBORO 公司1987年推出的I/A Series 系统为代表。

主要是在局域网技术上实现10Mbps 的宽带网和5Mbps 的载带网，并符合OSI(开放互联参考模型)标准。

另外，还增加了自适应和自整定等控制算法。

(4) 第四代DCS; 第四代DCS 产品的主要标志是集成化、开放化、信息化。

其体系结构更为完整，包括四个层次：现场仪表层、控制装置单元层、工厂（车间）层和企业管理层。

DCS 的功能包括过程控制，PLC 、RTU(远程采集发送器)、FCS 、多回路调节器、智能采集和控制单元等功能集成，以及组态软件、I/O 组件、PLC 单元等产品集成。

以Honeywell 公司最新推出的Experion PKS （过程知识系统）、Emerson公司的PlantWeb (Emerson Process Management)、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 系统等，标志着第四代DCS的形成。

其核心标志是2个‘I’，即:Information(信息)和Integration(集成)。

一般DCS厂商主要提供除企业管理层之外的三层功能：即现场仪表层、控制装置单元层，工厂（车间）层，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）。

第四代DCS不仅提供了工厂（车间）级的所有控制和管理功能，而且还集成全企业的信息管理功能。

第四代DCS已成为过程控制和信息管理的综合信息平台。

核心标志之一：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。

核心标志之二：集成化则体现在两个方面：功能的集成和产品的集成。

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 厂商更强调的系统集成性和方案能力，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、RTU、FCS、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。

例如，多数DCS厂商自己不再开发组态软件平台，而转入采用兄弟公司（如Foxboro 用Wonderware软件为基础）的通用组态软件平台，或其它公司提供的软件平台（Emerson 用Intellution的软件平台做基础）。

此外，许多DCS厂家甚至I/O组件也采用OEM方式（Foxboro 采用Eurothem的I/O模块，横河的R3采用富士电机的Process io作为I/O单元基础, Honeywell 公司的PKS系统则采用Rockweell公司的PLC单元作为现场控制站。

此外，新一代的DCS采用了现成的软硬件技术和灵活的配置，也大大降低了成本。

3 目前我国DCS应用现状DCS技术在上世纪八十年代进入中国市场，截至2001年底，我国各行业共计应用DCS 4200 余套[4.5]。

DCS已广泛应用于电力、石油、化工、冶金、建材、制药等行业的生产过程中。

DCS在我国石化企业生产过程控制中的应用相当普及[6]，其中以日本横河和美国Honeywell公司的产品最多。

各行业应用的实践证明了DCS是可靠的、稳定的、精确的。

但由于DCS基本上采用一对一连线，4～20 mA 模拟信号进行传输监测和控制，致使设备与设备之间、系统与系统之间、系统与外界之间无法进行信息交流，在一定程度上成为“信息孤岛”；同时，DCS标准制定也相对落后，DCS厂家提供的系统大多是非标准的和封闭的，在提高局部生产过程控制水平的同时，又限制了交流和通用性，制约了全局生产潜力的充分发掘。

目前，DCS厂家都在顺着自动化控制技术发展潮流向集成化、开放化、信息化DCS发展。

但是应用了先进的DCS平台及控制软件并不等于实现了先进控制，多数企业的DCS应用水平较低，表现在以下几个方面：(1)只是用DCS替代常规自动化仪表，没有充分利用DCS具有的先进功能，DCS的潜力没有得到充分挖掘。

(2)在很多企业，DCS与用户的管理信息系统(MIS)往往独立进行设计，两者互连时，DCS厂商的技术支持有限，而用户又不愿冒险自主开发，造成DCS与其他部门之间难以配合，无法实现信息共享、全厂监控、维护和管理。