分布式控制系統（DCS）技術工藝特點及市場前景預測

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分布式控制系統（DCS）(Distributed?Control?System，簡稱DCS)又稱集散控制系統，是一種對生產過程進行集中管理和分散控制的計算機系統，也可稱為“分散控制系統”或“分布式計算機控制系統”。它應用成熟的網絡技術、總線技術、微處理技術和計算機技術將現場加工控制設備、傳感器儀表、服務器、工作站等進行分散控制和集中管理，形成具有多層體系結構的控制系統。

分布式控制系統（DCS）是以微處理器為基礎，綜合了計算機(Computer)、通訊(Communication)、顯示(CRT)和控制(Control)等4C技術，采用控制功能分散、顯示操作集中、兼顧分而自治和綜合協調等設計原則，最終實現系統的分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態方便等功能。可解釋為:DCS是在模擬量回路控制較多的行業中廣泛使用的，盡量將控制所造成的危險性分散,而將管理和顯示功能集中的一種自動化高技術產品。

分布式控制系統（DCS）的特點：分布式控制系統（DCS）吸取了計算機集中控制和常規模擬儀表分散控制兩者的優點，并克服了兩者的缺點，將通訊、計算、控制、屏幕顯示結合為一體，能方便地改變控制模式，實現各種復雜控制，同時，故障引起的危險被徹底分散，提高了控制系統的可靠性。其系統特點為：分級遞階控制；硬件積木化；軟件模塊化（工程師站組態軟件、操作站實時監控軟件以及過程控制站軟件）；控制系統用組態方法生成；通信網絡的應用；可靠性高（系統結構、冗余技術、自診斷技術、抗干擾技術和高性能的元件）；開放系統（可移植性、互操作性、可適宜性、可得到性）。

（1）系統結構：分布式控制系統（DCS）的結構一般由多層體系構成，在垂直方向上可以分為現場控制設備層，集中管理層以及遠程監控層；水平方向上實現不同的功能，如數據采集層和現場控制設備層，但是各水平層之間又存在信息交換和協調動作。這樣的功能分層、風險分散的系統結構使得DCS?具有了高可靠性和較好的系統應用靈活性，同時也充分顯示了DCS?分散控制和集中管理的特點。

圖表?1??分布式控制系統（DCS）的分層結構

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DCS?的分散控制體現在現場加工設備的分散，人員的分散，地域的分散等；而集中的思想正是將這些分散的設備和人員通過工業網絡和現場總線技術聯系到一起，進行集中的管理和信息的共享，實現了統一調度，從而提高資源利用率和生產效率，為制造業的現代化和信息化提供了技術基礎。

（2）系統功能：

--現場I/O驅動，完成過程量的輸入輸出；

--對輸入的過程量進行預處理，盡量用具體的數字值還原現場值為下一步計算做準備；

--實時采樣現場數據并存儲在現場控制站內本地數據庫中；

--進行控制計算，根據控制算法和檢測數據、相關參數進行計算，得到實施控制的量；

--通過現場I/O驅動，將控制量輸出到現場。

分布式控制系統（DCS）分類：

（1）產品種類更新：根據研究資料：目前，市場上的分布式控制系統（DCS）已經過四代發展，其產品在系統設計、功能結構、應用市場等領域不斷完善和成熟。其產品主要更新歷程為：

第一階段：1975-1980年，代表產品主要有美國Honeywell公司的TDC2000，Baily公司的Network90，Foxboro公司的Spectrum，日本橫河公司的Centum等。主要由過程控制單元PCU、數據采集裝置DAU、CRT操作站、監控計算機和數據高速公路HW五部分組成。在這個時期集散控制系統的技術特點表現為：

--采用微處理器為基礎的控制單元，實現分散控制，有各種各樣的算法，通過組態獨立完成回路控制，具有自診斷功能；

--采用帶CRT顯示器的操作站與過程單元分離，實現集中監視，集中操作；

--采用較先進的冗余通信系統。?

第二階段：1980-1985年，主要代表產品有Honeywell公司的TDC3000，日本橫河公司的Centum?A，B，D等。主要由局部網絡LAN、多功能控制器MC、增強型操作站EOS、通用操作站US、網間連接器GW、系統管理模塊SMM和主計算機HC七部分組成。在這個時期集散控制系統的技術特點表現為：

--微處理器的位數提高，CRT顯示器的分辨率提高；

--強化的模塊化系統；

--強化了系統信息管理，加強通信功能。

第三階段：1985-1990年，集散系統進入第三代。DCS向計算機網絡控制擴展，將過程控制、監督控制和管理調度進一步結合起來，并且加強斷續系統功能，采用專家系統和開放系統互連參考模型為基礎的制造自動化協議MAP標準，以及硬件上的諸多新技術，從而克服了自動化孤島問題。典型產品有Honeywell公司的TDCS3000，日本橫河公司的Centum-XL，Bailey的INFI-90等。其技術特點表現為：

--采用開放系統管理；

--操作站采用32位微處理器；

--采用實時多用戶多任務的操作系統。

第四階段：1990年以后：集散系統進入第四代。DCS以管控一體化出現，在硬件上采用了開放的工作站，采用了Client/Server的結構，在網絡結構上增加了工廠信息網，并可與互聯網聯網，在軟件上采用UNIX和X-Windows的圖形用戶界面，系統的軟件更豐富，一些優化和管理良好的界面的軟件被開發并移植到DCS中。典型產品有Honeywell公司的TPS控制系統，日本橫河公司的Centum-CS控制系統，Foxboro公司的I/AS50/51系統等。其技術特點表現為：

--綜合化、信息化、集成化混合控制系統；

--引入先進的控制理論；

--形成系列產品；

--采用人工智能技術；

--先進的軟硬件技術；

--DCS包含FCS功能并進一步分散化。

（2）PLC、DCS、FCS三大控制系統基本特點：

目前，在連續型流程生產工業過程控制中，有PLC、DCS和FCS三大控制系統。其各自的基本特點如下：

①PLC：可編程邏輯控制器（PLC）是一種采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。

--從開關量控制發展到順序控制、運算處理，是從下往上的；

--邏輯控制、定時控制、計數控制、步進(順序)控制、連續PID控制、數據控制--PLC具有數據處理能力、通信和聯網等多功能；

--可用一臺PC機為主站，多臺同型PLC為從站。

--也可一臺PLC為主站，多臺同型PLC為從站，構成PLC網絡。這比用PC機作為主站的優勢是：有用戶編程時，不必知道通信協議，只要按說明書格式寫就行；

--PLC網絡既可作為獨立DCS/TDCS，也可作為DCS/TDCS的子系統；

--主要用于工業過程中的順序控制，新型PLC也兼有閉環控制功能。

②DCS：分散控制系統DCS與集散控制系統TDCS是集4C（Communication、?Computer、Control、CRT）技術于一身的監控技術，是第四代過程控制系統。

--既有計算機控制系統控制算式先進、精度高、響應速度快的優點，又有儀表控制系統安全可靠、維護方便的要求；

--從上到下的樹狀拓撲大系統，其中通信（Communication）是關鍵；

--是樹狀拓撲和并行連續的鏈路結構，也有大量電纜從中繼站并行到現場儀器儀表；

--模擬信號，A/D—D/A、帶微處理器的混合。是由幾臺計算機和一些智能儀表智能部件組成，并逐漸地以數字信號來取代模擬信號；

--一臺儀表/一對線接到I/O，由控制站掛到局域網LAN；

--DCS是控制（工程師站）、操作（操作員站）、現場儀表（現場測控站）的3級結構。缺點是成本高，各公司產品不能互換，不能互操作，差異性較大。

--用于大規模的連續過程控制，如石化、大型電廠機組、化工的集中控制等。

③FCS：FCS是第五代過程控制系統，3C技術（Communication，Computer，Control）的融合，也是21世紀自動化控制系統的方向。基本任務是：本質（本征）安全、危險區域、易變過程、難于對付的非常環境。主要功能結構為：

--FCS系統的核心是總線協議，即總線標準：采用雙絞線、光纜或無線電方式傳輸數字信號，減少大量導線，提高了可靠性和抗干擾能力。FCS從傳感器、變送器到調節器一直是數字信號，這就使我們很容易地處理更復雜、更精確的信號，同時數字通信的差錯功能可檢出傳輸中的誤碼。

--FCS系統的基礎是數字智能現場裝置：控制功能下放到現場儀表中，控制室內儀表裝置主要完成數據處理、監督控制、優化控制、協調控制和管理自動化等功能。

--FCS系統的本質是信息處理現場化：對于一個控制系統，無論是采用DCS還是采用現場總線，系統需要處理的信息量至少是一樣多的。實際上，采用現場總線后，可以從現場得到更多的信息。現場總線系統的信息量沒有減少，甚至增加了，而傳輸信息的線纜卻大大減少了。這就要求一方面要大大提高線纜傳輸信息的能力，另一方面要讓大量信息在現場就地完成處理，減少現場與控制機房之間的信息往返。可以說現場總線的本質就是信息處理的現場化。

此外，FCS系統還具有的優勢為：

1）全數字化、智能、多功能取代模擬式單功能儀器、儀表、控制裝置。

2）用兩根線聯接分散的現場儀表、控制裝置，取代每臺儀表的兩根線。“現場控制”取代“分散控制”；數據的傳輸采用“總線”方式。

3）從控制室到現場設備的雙向數字通信總線，是互聯的、雙向的、串行多節點、開放的數字通信系統取代單向的、單點、并行、封閉的模擬系統。

4）用分散的虛擬控制站取代集中的控制站。

5）把微機處理器轉入現場自控設備，使設備具有數字計算和數字通信能力，信號傳輸精度高，遠程傳輸。實現信號傳輸全數字化、控制功能分散、標準統一全開放。

6）可上局域網，再可與internet相通。既是通信網絡，又是控制網絡。

3類FCS的典型應用：

1)連續的工藝過程自動控制如石油化工，其中“本安防爆”技術是絕對重要的；

2）分立的工藝動作自動控制如汽車制造機器人、汽車；

3）多點控制如樓宇自動化。

（3）PLC、DCS、FCS三大控制系統對比分析：

①DCS與PLC對比分析：PLC系統與DCS系統的結構差異不大，只是在功能的著重點上的不同，DCS著重于閉環控制及數據處理。PLC著重于邏輯控制及開關量的控制，也可實現模擬量控制。

DCS或PLC系統的關鍵是通信。也可以說數據公路是分散控制系統DCS及PLC的脊柱。由于它的任務是為系統所有部件之間提供通信網絡，因此，數據公路自身的設計就決定了總體的靈活性和安全性。數據公路的媒體可以是：一對絞線、同軸電纜或光纖電纜。DCS的特點是：1）控制功能強：可實現復雜的控制規律，如串級、前饋、解耦、自適應、最優和非線性控制等；也可實現順序控制；2）系統可靠性高；3）采用CRT操作站有良好的人機界面；4）軟硬件采用模塊化積木式結構；5）系統容易開發；6）用組態軟件，編程簡單，操作方便；7）有良好的性價比。

目前，在DCS和PLC系統中一般使用兩類通信手段，即同步的和異步的，同步通信依靠一個時鐘信號來調節數據的傳輸和接收，異步網絡采用沒有時鐘的報告系統。

②DCS與FCS對比分析：FCS具有：1）很好的開放性、互操作性和互換性；2）全數字通信；3）智能化與功能自治性；4）高度分散性；5）很強的適用性。與DCS系統對比，主要差異體現在：

--DCS系統是個大系統，其控制器的功能強而且在系統中的作用十分重要，數據公路更是系統的關鍵，所以，必須整體投資一步到位，事后的擴容難度較大。而FCS功能下放較徹底，信息處理現場化，數字智能現場裝置的廣泛采用，使得控制器功能與重要性相對減弱。因此，FCS系統投資起點低，可以邊用、邊擴、邊投運；

--DCS系統是封閉式系統，各公司產品基本不兼容。而FCS系統是開放式系統，不同廠商、不同品牌的各種產品基本能同時連入同一現場總線，達到最佳的系統集成；

--DCS系統的信息全都是二進制或模擬信號形成的，必須通過D/A與A/D轉換。而FCS系統將D/A與A/D轉換在現場一次表完成，實現全數字化通信，使精度得到大的提高，可提高到0.1%。并且FCS系統可以將PID閉環控制功能裝入現場設備中，縮短了控制周期，提高運算速度，從而改善調節性能；

--DCS它可以控制和監視工藝全過程，對自身進行診斷、維護和組態。但是，由于自身的致命弱點，其I/O信號采用傳統的模擬量信號，因此，它無法在DCS工程師站上對現場儀表（含變送器、執行器等）進行遠方診斷、維護和組態。FCS采用全數字化技術，數字智能現場裝置發送多變量信息，而不僅僅是單變量信息，并且還具備檢測信息差錯的功能。FCS采用的是雙向數字通信現場總線信號制。因此，它可以對現場裝置（含變送器、執行機構等）進行遠方診斷、維護和組態；

--FCS由于信息處理現場化，與DCS相比可以省去相當數量的隔離器、端子柜、I/O終端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜，同時也節省了I/O裝置及裝置室的空間與占地面積。同時，FCS可以減少大量電纜與敷設電纜用的橋架等，同時也節省了設計、安裝和維護費用；

--FCS相對于DCS組態簡單，由于結構、性能標準化，便于安裝、運行、維護。

（4）重點功能結構及關鍵技術：DCS整個系統構成方式十分靈活，可由專用的管理計算機站、操作員站、工程師站、記錄站、現場控制站和數據采集站等組成，也可由通用的服務器、工業控制計算機和可編程控制器構成。其重點功能結構為：

①DCS的骨架-系統網絡：系統網絡是DCS的基礎和核心，對于DCS整個系統的實時性、可靠性和擴充性，起著決定性的作用。

--實時性：對于DCS的系統網絡來說，它必須滿足實時性的要求，即在確定的時間限度內完成信息的傳送。這里所說的“確定”的時間限度，是指在無論何種情況下，信息傳送都能在這個時間限度內完成，而這個時間限度則是根據被控制過程的實時性要求確定的。因此，衡量系統網絡性能的指標并不是網絡的速率，即通常所說的每秒比特數（bps），而是系統網絡的實時性，即能在多長的時間內確保所需信息的傳輸完成。

--可靠性：系統網絡還必須非常可靠，無論在任何情況下，網絡通信都不能中斷，因此多數廠家的DCS均采用雙總線、環形或雙重星形的網絡拓撲結構。

--擴充性：為了滿足系統擴充性的要求，系統網絡上可接入的最大節點數量應比實際使用的節點數量大若干倍。這樣，一方面可以隨時增加新的節點，另一方面也可以使系統網絡運行于較輕的通信負荷狀態，以確保系統的實時性和可靠性。在系統實際運行過程中，各個節點的上網和下網是隨時可能發生的，特別是操作員站，這樣，網絡重構會經常進行，而這種操作絕對不能影響系統的正常運行，因此，系統網絡應該具有很強在線網絡重構功能。

②一種完全對現場I/O處理并實現直接數字控制（DOS）功能的網絡節點：

--現場I/O控制站：一般一套DCS中要設置現場I/O控制站，用以分擔整個系統的I/O和控制功能。這樣既可以避免由于一個站點失效造成整個系統的失效，提高系統可靠性，也可以使各站點分擔數據采集和控制功能，有利于提高整個系統的性能。

--DCS的操作員站：DCS的操作員站是處理一切與運行操作有關的人機界面功能的網絡節點。

--系統網絡是DCS的工程師站：它是對DCS進行離線的配置、組態工作和在線的系統監督、控制、維護的網絡節點，其主要功能是提供對DCS進行組態，配置工作的工具軟件（即組態軟件），并在DCS在線運行時實時地監視DCS網絡上各個節點的運行情況，使系統工程師可以通過工程師站及時調整系統配置及一些系統參數的設定，使DCS隨時處在最佳的工作狀態之下。與集中式控制系統不同，所有的DCS都要求有系統組態功能，可以說，沒有系統組態功能的系統就不能稱其為DCS。

③關鍵技術：DCS?要實現分散控制和集中管理，必須實現各控制節點數據的高效傳輸，因此數據結構的定義、傳輸的方式以及存儲顯得尤為重要。而要實現數據的實時和高效傳輸，必須要構建實時傳輸網絡，這就依賴于現場總線技術或工業以太網。

因此，各種現場總線技術和工業以太網技術的日趨成熟，加快了DCS?的應用和發展，為DCS提供了眾多網絡構建的解決方案，同時也正是這些技術的發展，使得DCS?的應用變得更加簡單和可靠。迄今為止，比較流行的現場總線和工業以太網技術已有40?多種，如CAN?總線、EthernetPowerLink、EtherNet/IP（Ethernet?Industrial?Protocol，以太網工業協議）、EtherCAT、EPA?(Ethernetfor?Plant?Automation)等。

（5）技術發展趨向：在未來，工業過程控制系統中，數字技術將向智能化、開放性、網絡化、信息化發展；同時，工業控制軟件也將向標準化、網絡化、智能化、開放性發展。因此，在現場總線控制系統FCS競爭下，將促進數字式分散控制DCS及PLC產業向高端產品領域發展，其系統產品將更加向智能化、開放性、網絡化、信息化發展。據中金企信國際咨詢公布的《2020-2026年中國分布式控制系統行業市場發展深度調查及投資戰略可行性報告》統計數據顯示：而最為先進的工業過程控制系統將兼有DCS、PLC、FCS等系統共同優點，最終形成新型標準化、智能化、開放性、網絡化、信息化的控制系統。總體來說，“十三五”期間，DCS系統正在向著更加開放，更加標準化，更加產品化的方向發展。

對于本土企業來說，隨著DCS集散控制系統的功能越來越強大，軟件系統的開發也越來越深，軟件之間的無縫連接越來越好。公司內部工作人員在此基礎上還要不斷探索新領域、新知識，來勝任自己的崗位，干好自己的工作，使得DCS與PLC通訊技術能夠得到更好的實施。

（6）PLC、DCS、FCS三大控制系統發展前景：專家表示：FCS是在PLC、DCS等控制系統的基礎上發展起來的。由于PLC起步最早，其產品已十分成熟與完善，并具有強大的運算、處理和數據傳輸功能。但隨著DCS、FCS等先進的控制系統技術的不斷成熟，逐漸替代了PLC系統。

不過，專家分析：由于FCS控制系統目前正處于發展初期，各方面發展仍不成熟，市場地位仍不穩固；且傳統控制系統的維護和改造還需要DCS；在科學技術不斷發展下，未來DCS不會被FCS所代替，而是DCS會包容FCS，實現真正的DCS。

如目前市場上出現的第四代DCS都包含了各種形式的現場總線接口，可以支持多種標準的現場總線儀表、執行機構等。此外，各DCS還改變了原來機柜架式安裝I/O模件、相對集中的控制站結構，取而代之的是進一步分散的I/O模塊（導軌安裝），或小型化的I/O組件（可以現場安裝）或中小型的PLC。因此，未來DCS產業發展前景較好。