*章 集散系統概述

隨著現代化工業的飛速發展，生產規模不斷擴大，工藝過程愈趨復雜，工藝流程前后工序相互關聯與制約更加緊密；熱量平衡和物料平衡相互依賴，能源得以充分利用；與此同時，為連續、安全、平穩生產，增加產量，提高產品質量，相應地對過程信息與控制管理提出了更高的要求。

根據工業生產過程需要，1975年誕生了世界上*套集散型控制系統，到目前，集散型控制系統已在世界范圍內的過程控制領域得到了廣泛的應用，它是工業自動化代表領域的一個重大變革，是過程自動控制技術發展*出現的劃時代進步，標志著生產過程控制的一個新的發展階段。

所謂集散型控制系統，簡稱集散系統，其英語名稱為Distributed Control System（簡稱DCS），其含義是，利用微處理機或微型計算機技術對生產過程進行集中管理和分散控制的系統。

1995年標準化組織（ISO）為DCS系統作了如下定義：DCS系統是一類滿足大型工業生產和日益復雜的過程控制要求，從綜合自動化角度出發，按功能分散、管理集中的原則構思，具有高可靠性指標，將微處理機技術、數字通訊技術、人機接口技術、I/O接口技術相結合，用于數據采集、過程控制和生產管理的綜合控制系統。

從上述定義可以看出，DCS的技術基礎是微型計算機，應用對象是生產過程，技術特點是集中操作、管理和分散控制。

1.DCS的產生和發展

1.1 DCS的產生過程

早在50年代，工業自動化儀表以氣動儀表為主流。大家很熟悉的氣動單元組合儀表，是根據自動調節系統中各個環節的不同功能，將整個調節系統分成若干個具有獨立作用的單元，各個單元之間用統一的信號相互。單元的品種并不很多，可以滿足生產工藝的需要，組成各種調節系統。目前，一些工廠或裝置仍有氣動單元組合儀表控制系統在運行。

50年代后期，由于電子技術的迅速發展，出現了電動單元組合儀表，它的明顯優點是速度快、功能強、應用范圍廣、組成系統規模大，因此很快發展成為主流，控制室里安裝的儀表愈來愈多，儀表盤的面積愈來愈大。現在，我國大多數工廠或裝置仍采用電動單元組合儀表控制系統。

60年代，隨著工業生產過程的大規模化、復雜化，要求控制系統既能處理大量數據，又能實現較控制，便逐漸引入計算機，開始采用直接數字控制（DDC）技術。計算機控制具有容易實現控制，容易進行信息通信，實現集中控制顯示操作，控制精度高等優點，從而使生產過程綜合控制水平得到進一步提高。但是，在一個大型化工廠或裝置中，一臺計算機控制系統，往往要集中控制幾十個甚至幾百個回路，要集中顯示幾百個過程變量的報警信息，顯然隨著控制功能高度集中，事故發生的危險性也高度集中，一旦計算機控制系統出現故障，控制、監視、操作都將無法進行，勢必給生產帶來重大損失。因此，DDC技術在帶來很多優點的同時，也帶來了“危險集中”的隱患。為此，解決危險分散及可靠性問題日益重要。

進入70年代，大規模集成電路問世，微處理器(Micro Processor)誕生，使4C技術（即控制技術、顯示技術、計算機技術、通信技術）得到重大發展，人們為了繼承常規模擬儀表和計算機控制系統的優點，進—步提高控制系統安全性和可靠性，降低成本，開發研制了集散型控制系統（即DCS）。DCS按控制功能或區域將微處理器進行分散配置，每個帶微處理器的控制站控制裝置的一部分，使控制功能得以分散，從而實現了危險分散，較好地解決了DDC危險性集中的問題。同時，DCS系統還極大地改進了操作界面，實現多種控制功能，將操作、管理與生產過程密切地結合了起來。

繼1975年美國霍尼韋爾公司（Honeywell）和日本橫河電機株式會社(Yokogawa)相繼推出TDCS2000(Total Distributed Control System，TDCS)系統和CENTUM系統后，世界各國各大儀表制造公司推出了一個又一個DCS產品，從此，過程控制進入了DCS的新時期。

1.2 DCS的發展歷程

從1975年以來，DCS的硬件和軟件功能不斷完善和強化，其發展過程大體可分三個階段。

*階段（1975年至1980年）為DCS的初創期。*代DCS產品中比較的還有：美國FOXBORO公司的Spectrum，Bailey公司的Network 90，德國西門子 (Simens)公司的eper M等。

這一時期DCS的基本結構由5個部分組成：過程控制單元(Process Control Unit，簡稱PCU)、數據采集裝置（Data Acquisition Unit，簡稱DAU）、CRT操作站、監控計算機（Supervisor Computer）和數據高速公路（Data Hiway）。見圖1-1。其技術特點是：

• 采用以微處理器為基礎的過程控制單元，實現了分散控制。
• 在硬件制造和軟件設計上采用了冗余技術，信號處理采用抗干擾措施，系統可靠性極大提高。
• 實現集中監視、集中操作、系統信息綜合管理的操作站與過程控制單元分離，初步形成集中分散的分級遞階結構，具備了DCS的重要標志。
• 引入了網絡通信技術，系統各組成部分由網絡傳輸介質相連。

第二階段（1980年至1985年）為DCS的成熟期。80年代隨著超大規模集成電路的出現，產生了第二代集散控制系統。這一時期的典型產品有：Honeywell公司的TDC3000（Basic），YOKOGAWA的CENTUM-A/B/C，Tailor公司的MOD-300，西屋（Westing House）公司的WDPE，羅斯蒙特（Rosemount）公司的SYSTEM 3，費希爾（Fisher）公司的Provox6400/6500系列等。 

這一時期的DCS一般由6個部分組成：局域網（Local Area Network，）、多功能PCU、主計算機、增強型操作站（Enhanced Operation Station）、網間連接器(Gateway)和系統管理站。見圖1-2。這一時期DCS的技術特點是：

• 引入了*的局域網技術，以加強系統通信。但各廠家網絡通信機制各不相同。
• 應用了16位或32位微處理機技術，板級模塊化，單元結構化，PCU的功能兼有連續控制、順序控制、批量控制和數據采集監控的功能，成為多功能的PCU。
• *操作站是局域網上的一個節點，其功能進一步增強，除了對過程進行操作管理外，還可以調用、了解系統各部分的其它信息，是全系統的主操作站。
• 加強了全系統的管理功能，用一臺計算機專門負責，它包括歷史單元模件、應用單元模件及系統優化模件等。
• 上位計算機(主機)，常為小型機，外設功能強，具有進行復雜運算的能力和較強的管理能力。
• 采用網間連接器（GateWay，GW），便于與其子網絡或其它網絡連接，是實現互連網的一種過渡措施。

顯而易見，如果說*階段集散控制系統以實現分散控制為主的話，第二階段集散控制系統則是實現全系統信息的管理為主。

第三階段（1985年以后）為DCS的擴展期。由于網絡通信技術的迅速發展，產生了打破“自動化孤島”，建立標準化的通信協議，實現各種工業網絡互連的需要，出現了第三代集散型控制系統。這一時期的代表性產品有：Honeywell的TDC3000，TPS， Yokogawa的CENTUM–XL/CS /CS3000，Fisher-Rosemount的Delta-V，Foxboro的I／AS，Bailey公司的INFI-90，Westing House的WDPE II、III等。這一時期DCS的基本組成如圖l-3所示。

這一時期DCS的技術特點是：

• 由于企業用戶對DCS開放性的要求日益增強，DCS開始走向開放。新的系統向上能有條件地與工廠自動化協議(Manufacture Automation Protocol，簡稱MAP協議)和Ethernet(以太網)連接，構成綜合的管理系統；向下支持標準化的現場總線，能與智能變送器、智能調節閥等實現可靠的數字通信。
• 普遍采用32位微處理器，處理信息量擴大，功能增強，標準算法中開始包括復雜控制算法；采用集成電路和表面安裝技術，使各種板卡上的元件數更少、體積小、可靠性更高。
• 操作站功能增強，操作界面更為友好。采用高分辨率顯示器、觸摸屏、鼠標器以及窗口技術的運用等，使其操作更簡單，響應速度更快。
• 采用實時多用戶、多任務的操作系統，提供多種組態編程工具，把過程控制、*控制、過程優化和管理調度有機結合起來，構成較大范圍的信息管理系統。
• 系統小型化，以滿足中、小規模生產裝置的需要。

集散控制系統還將繼續發展，特別是在系統小型及微型化，現場變送器智能化，現場總線標準化，通信網絡標準化，DCS與PLC互相滲透，監控計算機、PC機進入DCS系統，系統軟件引入應用專家系統和人工智能等方面會進一步完善，集散控制系統更加適應各種過程控制的需要，將會取得更好的技術經濟效益。

在國外廠家的DCS迅速發展之際，國內的DCS也在自己的道路上不斷發展。國內DCS的研制工作開始于1978年，現在已有若干頗具規模的制造商，其中，北京和利時、浙大中控、上海新華都已形成自己的產品系列，在與國外產品競爭中占據了一席之地。這三個廠家的DCS產品分別是：和利時的MACS，浙大中控的SUPCON JX，上海新華的XDPS-500，它們在電力、輕工、化工、石化等行業得到了較廣泛的應用。

2. 集散控制系統的特點

DCS自70年代中期推出以來之所以經久不衰，是因為它始終緊跟時代的發展而不斷豐富和完善，與常規儀表相比，具有*而鮮明的技術特點。

2.1 相同或類似的構成

集散控制系統雖然品種繁多，但都是由操作站，控制站和數據通信總線等構成的。用戶可依據自己被控系統的大小和需要，選用或配置不同類型，不同功能，不同規模的集散控制系統，配置靈活方便，易于擴展。

2.2 采用分級遞階結構

集散控制系統采用分級遞階結構，控制和故障相對分散，從根本上提高了系統長期連續運行的能力和抗故障能力。 

分級遞階結構通常分為四級，分別為過程控制、優化控制、自適應控制和工廠管理。DCS系統是分級遞階控制系統，這里的“遞階”，可通俗地理解為階梯形的“金字塔”。zui簡單的DCS系統在垂直方向上分為二級，即過程控制級和過程管理級，較復雜的DCS系統在垂直方向上分為三級(過程控制級，過程管理級，生產管理級)和四級(過程控制級、過程管理級、生產管理級、經營管理級)。在水平方向上，如過程控制級的控制操作站、數據監測站間是相互協調的同一層級，它們把數據向上送達操作管理級，同時接收操作管理級的指令，各水平分級間也進行數據交換。

2.3 采用計算機技術

集散控制系統以微處理器為其技術基礎，凝聚了計算機的*技術，隨計算機技術的發展而發展，成為計算機應用完善、豐富的領域。DCS中的現場控制單元、過程輸入輸出接口、帶CRT操作站以及數據通信接口等均采用16位或32位微處理器，有記憶、數據運算、邏輯判斷功能，可以實現自適應、自診斷、自檢測等“智能”。

2.4 豐富的功能軟件包

集散控制系統具有豐富的功能軟件包，它能提供控制運算模塊、控制程序軟件包、過程監視軟件包、顯示程序包、信息檢索和報表打印程序包等。

應用軟件模塊化后，用戶只需根據系統設計的要求進行組態，就能達到程序設計的目的。的DCS系統提供包括功能模塊法、語言進行程序設計等在內的多種組態方法，控制功能模塊的連接方式則包括表格、圖形等方式，采用的編程語言包括C語、FORTRAN、BASIC等語言以及控制語言。

2.5 采用局部網絡通信技術

通過高速數據通信總線，把檢測，操作、監視、管理等部份，有機地連接成一個整體。可以進行集中顯示和操作，從而使系統組態和操作更為方便，且大大提高了排除系統故障及調整操作的速度。

DCS系統的數據通信網絡是典型的局部網絡。現在的DCS系統都采用了*部網絡技術進行通信，傳輸實時控制信息，進行全系統信息綜合管理，對分散的過程控制單元、人機接口單元進行控制、操作管理。網絡傳輸速率一般可達5～10Mbps甚至更高，響應時間僅為數百微秒，通信的可靠性和安全性得到保障。通信協議日益標準化，目前DCS中采用較多的網絡標準有美國電子和電氣工程師協會的IEEE 802.4，802.5等。

網絡協議的標準化，使以DCS為基礎的工廠信息管理系統的構建更為方便，同時為系統工程師的遠程維護成為可能。 

2.6 強有力的操作界面

操作站為DCS的主要操作界面，一般配備20”以上的彩色顯示器、集成鍵盤和觸摸屏、滾動球或鼠標等定位設備。有多種類型的過程操作畫面，包括總貌、報警、控制組、點細目、趨勢組、操作指導信息及用戶流程圖等畫面；有豐富的打印輸出功能，如標準報表打印、報警打印，班報、日報、月報等自由報表打印；有聲光報警功能、語音輸出功能、系統維護功能等。

近幾年，隨著微處理器技術、人機工程學以及顯示技術的不斷發展，DCS的操作界面更加生動形象。目前，越來越多的DCS操作站不僅可以提供真彩色、高分辨率（1024×768及以上）的顯示設備，還提供多窗口顯示方式，操作更加便捷。

2.7 采用高可靠性的技術

集散系統的處理器、內部總線、電源等均采用冗余配置，重要的I/O卡件也可配置為冗余方式。對某些重要的控制回路還采用了手動作為自動備用，因而提高了系統的可靠性。系統內部還有很強的自診斷功能，一般卡件都支持熱插拔，從而提高了系統故障的診斷時間，縮短了故障修復時間。

總之，控制分散、危險分散，而操作和管理集中是DCS的基本設計思想。分級遞階的分布式結構，靈活、易變更、易擴展是DCS的特點。

3. 集散控制系統的發展趨勢

集散控制系統的發展是其它*發展的產物，同時它的發展也推動著其它*的進步。進入90年代以來，標準化的網絡通信技術、光纜技術、信息技術和人工智能、專家系統技術的發展對DCS系統的發展產生了巨大的推動作用，給DCS的新發展注入了新的活力。

3.1 系統開放化

開放化系指系統本身能夠與其它系統或其它計算機相連。過去的DCS，各廠家為了保護自身的利益，采用的都是網絡，以有限范圍為對象，在一個系統內一般不能接入其它廠家的產品或不同機型的產品，因此被稱為封閉系統。對于大型企業，不可能只采用單一廠家的單一品種，要實現全企業的信息管理，必然要求DCS系統具有更大的開放性。因此，新的DCS是一個開放的系統網絡，相互連接的規則是標準的，開放的。

目前，不少DCS的操作站都采用了以PC機為硬件平臺、以Windows NT或Windows 2000為軟件平臺，這為DCS以多種形式實現開放創造了有利條件，例如，DDE（Direct Data Exchange），OPC（OLEM for Process Control）等。

3.2 中、小型及微型化

各制造廠家為了滿足不同用戶的需要，除了大型集散控制系統以外，又開發了中、小規模的集散控制系統，受到用戶們歡迎。如Honeywell的Micro TDC3000其性能和TDC300相似，Yokogawa推出的CENTUM CS 1000與CENTUM CS 3000相似，只是規模較小，適合于中、小型裝置使用。

3.3 操作站的功能強化

隨著科學技術的發展，世界上大約3～5年就要推出一類新型的集散控制系統。系統不斷更新，功能不斷增強。操作監視站處理的信息量較以前擴大了；處理加工信息的質量也較以前提高了。近來，又采用了高分辨率的彩色圖形顯示器；使用了觸摸式屏幕，轉球式光標跟蹤器及鼠標器，運用了窗口技術及智能顯示技術。

操作站除了供用戶自己把工藝設備和工藝過程的自控回路任意進行圖形化，編制出各種工藝流程畫面外，還有操作站的標準畫面。在CRT畫面上，可以把過程變量、設定值、控制參數，報警狀態，變化趨勢等信息，用文字、數字及圖形、清楚而形象地顯示出來。內容十分豐富，直觀。畫面可以上下，左右滾動；也可以進行翻頁，使用十分方便。畫面顯示響應速度加快了，僅為1—4秒。畫面上還開有各種超級窗口，以便于監視和操作。所有工藝操作或調整，全部集中在操作站，*實現了CRT化的操作。

除操作站之外，還增設了工程工作站計算機站等，以滿足用戶的多種需求。

3.4 通信網絡光纜化

七十年代以來，光導纖維在通信技術上得到應用，引起各國普遍重視，并迅速地發展起來，光纖通信已廣泛用于石油、化工、電力、鐵路、航空、廣播、軍事等方面。高速通道的通信線路將由雙絞線，同軸電纜，逐漸變為光纖或光纜。

集散控制系統的通信傳輸介質主要有基帶同軸電纜，寬帶同軸電纜，光纖和雙絞線。與電纜通信相比，光纜通信在帶寬、連接性能、地理覆蓋范圍、抗*力和安全性等方面有許多優點，因此，新型DCS在局域通信網上，已逐步采用光纜，從而大大改善了通信效能。

3.5 DCS和PLC、IPC相互滲透和融合

DCS原來多用于連續過程控制，而PLC則常用于邏輯控制、順序控制、批量控制，兩者都是基于微處理器的數字控制設備。PLC吸收了DCS分布式系統的特點，具有靈活、易變更的特點，自問世以來得到了廣大用戶的認可，發展迅速。

DCS在其發展過程中，融合了PLC的技術特長，尤其注重邏輯運算和順序任務，增強批處理功能，同時為PLC留有接口，可以把PLC納入DCS之中，以提高自身的優勢，使自己在更多的應用場合能勝任工作。

當DCS系統在大中型裝置日益占據主導地位的同時，中小型裝置基于微機的控制系統IPC也得到了越來越多的應用，經過多年的發展，IPC與一些小型DCS系統的區別已經不大了。

總而言之，由于微電子學、信息科學和控制技術在工業控制領域得到深入廣泛的應用，DCS、PLC、IPC正在相互滲透，融合發展，趨向于形成數字化、模塊化、網絡化的方布式控制系統，它們之間的區別正在縮小。

3.6 軟件更加豐富

現在，DCS不只是完成數據采集和一般的控制任務，還可以完成實時數據庫管理、表報生成、質量分析、文件傳送等管理任務以及*控制任務。不少新的DCS中已經包含了線線性規劃、解耦控制、非線性控制、多變量預估控制、自適應控制、模糊控制和優化控制等應用軟件，有的還配有智能化的專家系統軟件。

3.7 引入現場總線

現場總線是一種使能技術，而不是一種產品。它是DCS向著全數字化系統發展的結果，也是DCS向下開放的產物。它為系統底層的互連、互換和互可操作提供了堅實的基礎，是系統開放的一個重要方面。

現場總線的節點是現場設備或現場儀表，如傳感器、變送器、執行器和編程器等，是帶微處理器的具有綜合功能的智能儀表，具有輸出特性補償、自校驗、自診斷功能；實現了數字信號雙向傳送，可同時傳送多個參數信號，包括檢測信號和診斷信號；具有互換性和互操作性，具有本質安全性。因此，現場總線技術與DCS的結合，不僅使現場總線技術借助于DCS平臺得以充分發展，同時也極大地豐富了DCS的功能，推動著DCS的進步。