引 言 DCS即所谓分布式控制系统，习惯地称之为集散系统，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．自20世纪70年代中期问世以来，经历了20多年的时间．它已由过去只在少数大型企业的控制系统中应用，发展成为电力、石油、化工、冶金、建材、制药等行业的最普通的控制工具．究其原因：一是各DCS制造厂家不断地提高了系统的可靠性、实用性、先进性和综合性，几种控制系统的相互渗透（PLC，DCS，IPC＋控制器）和竞争及先进计算机技术和网络通信技术的采用，使得DCS价格不断下降；二是全球市场竞争，迫使各企业必须不断应用先进的控制技术以提高产品质量和产量，降低成本和费用，为DCS提供了广泛的市场需求． 1 用户要求的不断提高 在自动控制领域中，应用的要求总是在不断提高．可以说，自动控制系统是永远不能满足应用要求的．每当自动控制系统取得了新的技术进展，开发出了新的功能，立即会有更新的功能要求被提出来．例如在控制仪表仅可实现简单的反馈控制时，已经有大量的PID调节的问题在等待解决；而当PID的自动调节可以实现时，人们又在寻求控制参数的自整定功能，以便使繁杂的参数整定工作可以自动、快速、准确地完成．在控制算法已趋完善的今天，仍有很多控制问题没有准确的数学模型，于是，模糊控制理论、神经元方法等一些非解析方法得到了长足的发展．在控制算法的发展方面是如此，在控制系统本身的硬件、软件方面更是如此． 先看检测控制仪表，以水位计为例，最早的检测元件大概要算浮子了，但很快就发现它的准确性、稳定性有问题，于是研制出了差压测量方法．新的原理和方法明显地在性能上优于老的方法，但是当容器内压力和温度发生变化时，水的密度也相应发生变化，又会造成测量的误差．因此将测量值就地数字化的智能型水位计得到了广泛的应用，它可以利用数字处理技术和算法模型对测量值进行处理和校正，或加些数字滤波措施，力求测量值的客观、准确、可靠． 再看计算机方面，早期的自动控制系统所使用的计算机速度很慢（只有每秒50万次左右），内存、外存都很少（内存约64kB，外存1 MB左右）．尽管如此，这样的计算机还是在不少计算机控制系统中应用，在某个历史时期起到了一定的作用．由这种计算机构成的系统大多为安全监视系统．如果有控制，其算法的综合性、复杂性都很低． 根据当前自动化控制系统状态及发展趋势，将在以下几方面提出更高的要求． 1 系统的功能 要求可实现的算法更多，实现控制的目标更高．系统功能更趋综合化，不仅有经典控制，还应有高级控制，并具有质量统计、分析、批量处理、生产调度等功能，逐步发展成计算机集成制造系统． 2 系统的可靠性 要求无故障运行时间更长，系统可用率更高，达到99．99％以上，而系统的维修要快速简便，使停机时间控制到最短． 3 系统的易用性 要求有非常友好的人机界面，窗口化的操作、屏幕上的操作将成为主流．操作员基本不需培训就可以根据图形及系统的提示进行操作，语音、图像等多谋体信息将成为人机界面中不可缺少的部分． 4 系统的安全性 系统可提供各种安全保护措施，避免误操作和人为事故，可对各种异常状态进行分析记录，及时报警以使操作员尽快了解所发生的情况并及时处理． 5 信息广泛共享 自动化控制系统，得到的各种实时信息可以被其他管理和调度系统共享．不仅生产的领导者和管理者可以在自己的办公桌上得到生产信息，甚至可以在任何地方通过电话线路和无线电通信得到生产信息． 6 系统的规模要求更大 不仅可以包括最基本的过程控制功能，还可以包括各方面的生产、控制状态信息．系统控制回路数及检测的点数将大大增加，用以实现复杂生产过程的全面管理与控制． 7 系统容易升级 随着生产规模的扩大和生产工艺的改变，甚至生产流程的改变均可以在对系统进行少量更改或扩充后适应新的要求．简单地扩充监测点数、控制回路、调整控制参数等工作都要求可以在线进行． 8 系统的成本降低 更高的自动化水平，并不意味着更高的成本．科学技术本身一方面在创造着更高的功能和性能，另一方面也在创造更低的成本．只有成本不断降低，才能使自动化深入到生产的各个环节，实现更高的自动化水平． 2 应用技术的不断提高 促进DCS不断向前发展的主要动力，一是应用需求的不断提高，二是应用技术的不断提高．这两个因素就像一列火车的两台机车，一台在前面牵引，另一台在后面推动，相辅相成．应用技术的提高主要表现在以下几个方面．2．1 计算机技术的发展与进步 计算机从问世后的近60年中经历了从电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路到超大规模集成电路等几个发展阶段．虽然其基本原理没有发生大的变化，但其元器件和体系结构的改变却是日新月异的，呈现出极快的发展速度． 计算机从电子管发展到晶体管大约用了近20年的时间，从晶体管到集成电路大约用了10年时间，从集成电路到大规模集成电路则用了5年多时间，以后集成电路的集成度以每3～4年翻一番的速度发展着．CPU也以惊人的速度不断提高．在70年代，每秒运行100万次的计算机就称得上大型机了，而现在一台普通的微机就可达2．0GHz．70年代，计算机的内存以kB为单位，现在一般微机也可达256MB、硬盘一般为40GB． 计算机性能的提高并不意味着价格的提高．一方面高技术体现在产品的功能和性能上，即能够实现过去无法实现的要求；另一方面体现在成本上，即用更低的成本实现同样的要求．性能价格比不断提高，促进了DCS的广泛运用．2．2 网络技术的发展与进步 DCS本身是建立在网络的基础之上的，可以说，网络是DCS的命脉．有了一个高速的、可靠的、标准的、实用的网络，DCS就成功了一半．在DCS发展的初期，各厂家所用的网络大多是专用的，性能也不高．因此形成了一种“孤岛”现象，即为了某个生产装置或某个生产过程而建立的DCS成了一个与外界无法沟通的孤岛． 随着网络技术的发展，各种独立于某个厂家的网络产品纷纷问世．这些网络产品由于性能好，价格便宜，符合标准，因而开放性、互联性很强．这种优势促使DCS厂家纷纷抛弃了专用网络结构，转向了通用网络结构．现在基本上已看不到建立在专用网络上的DCS了． 网络采用高的通信速率，为DCS的发展拓展了更大的空间，在应用范围上也不断扩大，已发展到不仅仅是传统意义上的计算机，包括各种各样的仪器、仪表、设备，都可以联网，在微控制器上就可集成网络控制器． 现在的网络按照其通信的距离和范围可分为局域网（LAN）和广域网（WAN）两种．局域网的通信距离一般在2km以内，所用的通信介质主要是
同轴电缆或双绞线．近年来随着光纤通信技术的发展，基于光纤的传输介质应用得越来越多．因为光纤通信不受电磁干扰，可靠性高，因此在工业环境中得到了广泛的应用．另外，无线通信具有很大的灵活性，免去了组网过程中的布线工作，其应用也较广．而广域网的通信距离可以说没有什么限制，其通信介质也很多，从电话
电缆到卫星通信都可以使用． 除了局域网和广域网这两种网络外，近年来还有一种通信距离介于二者之间的“城域网”得到了很大的发展．这种网络的用途相当广泛，特别是几十公里范围之内．很多生产过程都需要有这种范围的通信能力，如城市的供水、供暖、煤气、交通等．城域网的主要通信介质是电话线和无线电．2．3 软件技术的发展与进步 软件在DCS中有着很重要的作用，几乎所有的DCS功能都要靠软件实现．在PC平台上软件做得最成功的当属微软公司．其Windows软件风靡全球，上千家软件公司在Windows下开发应用软件．软件的标准界面已经形成，各厂家的软件可以方便地互通信息、互相操作，使得应用系统具有了强大坚实的软件基础．DCS也不例外，各DCS厂家在自己的软件中纷纷加入能与广大软件资源接口的界面，而在硬件的选择上更多的DCS厂家选用了通用的PC平台．推出这种平台的操作员站，使得CRT的作用在DCS中越来越重要，CRT成了人机界面的主要设备，很多操作已从过去对物理设备的实际操作变成了对CRT的屏幕操作，很大程度上增加了DCS的功能和灵活性． 3 智能化仪表和现场总线技术对DCS的促进和创新 目前在仪器仪表行业中发展最快的两个部分是智能化仪表和现场总线，二者的关系是密不可分、相辅相成的． 智能化仪表建立在微电子技术的基础上，超大规模集成电路、嵌入式系统、CPU、存储器、A／D转换器和输入、输出回路等功能集成在一块芯片上的单片机等．使得模拟信号数字化这一工作从计算机端移到了现场端，现场仪表与计算机之间传送的不是模拟信号，而是数字信号，更确切地说是信息． 在安装于现场的检测或控制执行仪表中，完全有条件装上一小块集成电路芯片及少量外围电路，将传感器的模拟信号直接数字化后再送往计算机．这种方法极大地提高了信号转换的精度和可靠性，并且数字信息的传输完全避免了模拟信号传输存在的信号衰减、精度降低和干扰信号的引入等长期难以解决的问题． 随着智能化仪表的发展，现场总线技术也迅速地发展起来．所谓现场总线（Field bus）实际上是一种计算机网络，每个节点都是一个智能化仪表．过去每一个模拟信号一对传输线的传统方式，被一对能传输多台智能仪表数字信息的现场总线所代替．现场总线简化了仪表信号线的布线工作、可以节省大量的金属导线；数字信息传输方面完善的纠错技术，使得信息传输的误差大大降低了．同时，还可以利用多种传输介质完成信息的传输，如双绞线、光纤、无线电波、红外线等，大大提高了在不同现象条件下信息传输的适应性． 现场总线网、智能化仪表的发展，不可避免地影响着DCS的体系结构，最大的特点是促进了DCS的发展与创新，一个明显的趋势是使DCS进一步分散化． 传统的DCS，在I／O控制站这一层仍然是一个集中式的结构，有些系统出于成本或其他方面的考虑，将I／O控制站的规模做得很大．比如高性能CPU的价格已降得很低，为了充分发挥CPU的能力，可以将一个I／O控制站的点数、回路数扩充，以降低成本，但是这种设计提高了危险性的集中度．如果为了提高可靠性增加冗余措施，系统成本仍然会上升． 利用现场总线网和智能化仪表，加上通用的工业微机，完全可以组成一个小型的DCS，这就对传统的DCS提出了挑战．将过去DCS中集中式的I／O控制站变成分布式的I／O控制站，在传统DCS网络的下一层再引入一层现场网络．总体上形成了控制网络（以现场总线网为基础）、系统网络（传统的DCS网络）和管理网络（适应管理控制一体化要求的上层网）这样3层网络结构，以此来满足不断提高的应用需要．DCS在形成了3层网络结构以后，其基本控制单元深入到了设备控制这一级．向上，DCS的功能延伸到管理控制级，逐步形成了一个较完整的控制、管理一体化的体系结构．如图1所示．图1空框中可以是智能I／O，也可以是智能仪表和IEDs．
4 结 论经过改进创新后的DCS将有以下几个特性： 1 开放性 新型DCS中所使用的设备将趋于通用的产品，专用的产品将越来越少，特别是计算机和网络，高性能的工业微机、工作站将被大量采用，通用网络产品也将逐步淘汰专用网络．网络通信规约逐步向得到普遍承认的标准靠拢，以系统集成的方式构成应用系统方法，已得到越来越广泛的应用． 2 分散化和智能化 智能化仪表和现场总线技术被大量采用，DCS的体系结构进一步走向分散化，直接数字控制将深入到每一个控制回路、现场设备．因此，随着所采用的现场总线网络的发展，新型DCS最终将越来越接近FCS（现场总线控制系统）． 3 系统构成的多样化 现在几乎已看不到传统意义上的DCS了，目前所说的DCS是一种广义的概念，实际上越来越接近FCS．其中包括了传统的DCS厂家推出的新一代系统，也包括由PLC和高速总线网及专业厂家的组态软件构成的系统．在不同的应用领域，DCS的构成也各有不同． 4 综合自动化 将来的任何系统都不是孤立的，无法与其他系统互相通信并实现集成的DCS已不再有生命力．系统的发展正逐步走向综合自动化．参考文献：［1］谢庭渝．计算机网络控制系统在大型糖厂的开发应用［J］．自动化与仪器仪表，2002，103（5）：47～50．［2］韩 湘．Symphony控制系统在云浮发电厂中的应用［J］．自动化与仪器仪表，2002，104（6）：26～30．［3］朱祖涛，毛静涛．自动化仪表的重大变革-论现场总线智能仪表［J］．上海电力学院学报，2000，16（4）：35～40．［4］刘曙光，王 斌．智能仪器仪表的进展与展望［J］．自动化与仪表，2001，16（4）：1～5．［5］张凤登，应启戛．现场总线与智能现场仪表设计技术［J］．自动化与仪器仪表，2001，（5）：14～16．［6］周立求．可编程控制器与集散型控制系统之间的通信［J］．自动化仪表，2002，23（7）：37～39．［7］贺文敏．国产化DCS在焦化装置上的应用［J］．计算机测量与控制，2002，10（8）：521～523．［8］张德．I／A智能自动化系统电站应用新发展［J］．中国仪器仪表，2000，（4）：42－43．
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