什么是DCS？关于集散控制系统DCS的简介

说到控制系统很多人貌似说得头头是道，继续深究下去，什么是控制器，什么是PLC，什么是DCS，什么又是FCS？三两句话介绍完基本概念后，顿时语塞，怎么聊都感觉枯燥生硬。今天小蜘就来挑战一下这个枯燥的话题，和大家谈谈什么是DCS。

本文将从以下几个部分对DCS进行介绍：

• 一、DCS的基本定义

• 二、DCS的发展历程

• 三、DCS的主要特点

• 四、DCS的发展趋势

一、DCS的基本定义

DCS是分布式控制系统（Distributed Control System）的英文缩写，在国内自控行业又称之为集散控制系统。所谓的分布式控制系统，或在有些资料中称之为集散系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机，通信、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。

分散型控制系统（DCS）是以微处理机为基础，以危险分散控制，操作和管理集中为特性，集先进的计算机技术、通讯技术、CRT技术和控制技术即4C技术于一体的新型控制系统。随着现代计算机和通讯网络技术的高速发展，DCS正向着多元化、网络化、开放化、集成管理方向发展，使得不同型号的DCS可以互连，进行数据交换，并可通过以太网将DCS系统和工厂管理网相连，实现实时数据上网，成为过程工业自动控制的主流。

二、DCS的发展历程

上世纪60年代以后，随着生产工程的大型化和复杂化，诞生了计算机集中监视和控制的集中控制系统。集中控制方便了监视、操作和管理，同样也使危险性高度集中，系统一旦故障，对装置造成的影响和危险性都是非常大的。

随着微处理机的诞生，为新型控制系统的开放创造了无比优越的条件。1975年，随着计算机、通讯、控制和CRT 4C技术的不断发展和完善，美国Honeywell首次向全球推出了分散控制系统TDC-2000，从第一套DSC诞生至今，DCS系统已经经历了三个发展阶段。

• 第一个发展阶段：1975至1980年（初创阶段）

由于软硬件技术的限制，此时的DCS系统性能还不十分完善，硬件结构还不十分成熟。
在这个时期集散控制系统的技术特点表现为：1）采用微处理器为基础的控制单元，实现分散控制，有各种各样的算法，通过组态独立完成回路控制，具有自诊断功能；2）采用带CRT显示器的操作站与过程单元分离，实现集中监视，集中操作；3）采用较先进的冗余通信系统。

第二个发展阶段：1981至1987年

这一时期容错、冗余技术已经成熟使用，系统可靠性很高，性能十分优越，各种控制功能十分丰富。在该阶段DCS从单纯的工业过程自动化控制向生产管理自动化发展。这一代的DCS主要将LAN（Local Area Network）技术引入，使DCS的网络功能大大加强。
在这个时期集散控制系统的技术特点表现为：1）微处理器的位数提高，CRT显示器的分辨率提高；2）强化的模块化系统；3）强化了系统信息管理，加强通信功能

• 第三个发展阶段：1987年至今

各厂家采用国际标准化组织（ISO）开放系统互连（OSI）结构基础上产生制造自动化协议（MAP）标准来解决不同机型的互连问题。 DCS系统在硬件上使用了更先进的CPU及冗余技术，存储容量及通讯速度大幅度提高，软件上采用通用操作系统。在该阶段DCS将控制、监督和管理调度有机结合起来，实现了各种生产经营信息的自动化管理。
集散系统进入第三代，其技术特点表现为：1）采用开放系统管理；2）操作站采用32位微处理器；3）采用实时多用户多任务的操作系统

三、DCS的组成部分

集散控制系统一般有以下四部分组成：

（一）现场控制级

现场控制级，又称数据采集装置，主要是将过程非控变量进行数据采集和预处理，而且对实时数据进一步加工处理，供CRT操作站显示和打印，从而实现开环监视，并将采集到的数据传输到监控计算机。

输出装置在有上位机的情况下，能以开关量或者模拟量信号的方式，向终端元件输出计算机控制命令。这一个级别直接面对现场，跟现场过程相连。比如阀门、电机、各类传感器、变送器、执行机构等等。它们都是工业现场的基础设备、同样也是DCS的基础。在DCS系统中，这一级别的功能就是服从上位机发来的命令，同时向上位机反馈执行的情况。拿军队来举例的话，可以形容为最底层的士兵。它们只要能准确地服从命令，并且准确地向上级汇报情况即完成使命。至于它与上位机交流，就是通过模拟信号或者现场总线的数字信号。由于模拟信号在传递的过程或多或少存在一些失真或者受到干扰，所以目前流行的是通过现场总线来进行DCS信号的传递。

（二）过程控制级

过程控制级，又称现场控制单元或基本控制器，是DCS系统中的核心部分。生产工艺的调节都是靠它来实现。比如阀门的开闭调节、顺序控制、连续控制等等。上面说到现场控制级是“士兵”，那么给它发号施令的就是过程控制级了。它接受现场控制级传来的信号，按照工艺要求进行控制规律运算，然后将结果作为控制信号发给现场控制级的设备。所以，过程控制级要具备聪明的大脑，能将“士兵”反馈的军情进行分析，然后做出命令，以使“士兵”能打赢“战争”。这个级别不是最高的，相当于军队里的“中尉”。它也一样必须将现场的情况反馈给更高级别的“上校”也就是下面讲的过程管理级。

（三）过程管理级

DCS的人机接口装置，普遍配有高分辨率、大屏幕的色彩CRT、操作者键盘、打印机、大容量存储器等。操作员通过操作站选择各种操作和监视生产情况、这个级别是操作人员跟DCS交换信息的平台。是DCS的核心显示、操作跟管理装置。操作人员通过操作站来监视和控制生产过程，可以通过屏幕了解到生产运行情况，了解每个过程变量的数字跟状态。这一级别在军队中算是很高的“上校”了。它所掌握的“大权”可以根据需要随时进行手动自动切换、修改设定值，调整控制信号、操纵现场设备，以实现对生产过程的控制。

（四）经营管理级

经营管理级，又称上位机，功能强、速度快、容量大。通过专门的通信接口与高速数据通路相连，综合监视系统各单元，管理全系统的所有信息。 这是全厂自动化系统的最高一层。只有大规模的集散控制系统才具备这一级。相当于军队中的“元帅”，他们所面向的使用者是厂长、经理、总工程师等行政管理或运行管理人员。它的权限很大，可以监视各部门的运行情况，利用历史数据和实时数据预测可能发生的各种情况，从企业全局利益出发，帮助企业管理人员进行决策，帮助企业实现其计划目标。

四、DCS的主要特点

（一）高可靠性

由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设计，因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能的丧失。此外，由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一，可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机，从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。

（二）开放性

DCS采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机采用局域网方式通信，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他计算机的工作。

（三）灵活性

通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态，即确定测量与控制信号及相互间连接关系、从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面，从而方便地构成所需的控制系统。

（四）易于维护

功能单一的小型或微型专用计算机，具有维护简单、方便的特点，当某一局部或某个计算机出现故障时，可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换，迅速排除故障。

（五）协调性

各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息共享，协调工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。

（六）控制功能齐全

控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体，可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。

五、DCS的发展趋势

（一）系统功能向开放式方向发展

传统DCS的结构是封闭式的，不同制造商的DCS之间难以兼容。而开放式的DCS将可以赋予用户更大的系统集成自主权，用户可根据实际需要选择不同厂商的设备连同软件资源连入控制系统，达到最佳的系统集成。这里不仅包括DCS与DCS的集成，更包括DCS与PLC、FCS及各种控制设备和软件资源的广义集成。

（二）仪表技术向数字化、智能化、网络化方向发展

工业控制设备的智能化、网络化发展，可以促使过程控制的功能进一步分散下移，实现真正意义上的“全数字”、“全分散”控制。另外，由于这些智能仪表具有的精度高、重复性好、可靠性高，并具备双向通信和自诊断功能等特点，致使系统的安装、使用和维护工作更为方便。

（三）工控软件正向先进控制方向发展

广泛应用各种先进控制与优化技术是挖掘并提升DCS综合性能最有效、最直接、也是最具价值的发展方向，主要包括先进控制、过程优化、信息集成、系统集成等软件的开发和产业化应用。在未来，工业控制软件也将继续向标准化、网络化、智能化和开放性发展方向。

（四）系统架构向FCS方向发展

单纯从技术而言，现阶段现场总线集成于DCS可以有三种方式：

1、现场总线于DCS系统I/O总线上的集成――通过一个现场总线接口卡挂在DCS的I/O总线上，使得在DCS控制器所看到的现场总线来的信息就如同来自一个传统的DCS设备卡一样。例如Fisher-Rosemount公司推出的DeltaV系统采用的就是此种集成方案。

2、现场总线于DCS系统网络层的集成――就是在DCS更高一层网络上集成现场总线系统，这种集成方式不需要对DCS控制站进行改动，对原有系统影响较小。如Smar公司的302系列现场总线产品可以实现在DCS系统网络层集成其现场总线功能。

3、现场总线通过网关与DCS系统并行集成――现场总线和DCS还可以通过网关桥接实现并行集成。如SUPCON的现场总线系统，利用HART协议网桥连接系统操作站和现场仪表，从而实现现场总线设备管理系统操作站与HART协议现场仪表之间的通信功能。