*章 集散系统概述

随着现代化工业的飞速发展，生产规模不断扩大，工艺过程愈趋复杂，工艺流程前后工序相互关联与制约更加紧密；热量平衡和物料平衡相互依赖，能源得以充分利用；与此同时，为连续、安全、平稳生产，增加产量，提高产品质量，相应地对过程信息与控制管理提出了更高的要求。

根据工业生产过程需要，1975年诞生了世界上*套集散型控制系统，到目前，集散型控制系统已在世界范围内的过程控制领域得到了广泛的应用，它是工业自动化代表领域的一个重大变革，是过程自动控制技术发展*出现的划时代进步，标志着生产过程控制的一个新的发展阶段。

所谓集散型控制系统，简称集散系统，其英语名称为Distributed Control System（简称DCS），其含义是，利用微处理机或微型计算机技术对生产过程进行集中管理和分散控制的系统。

1995年标准化组织（ISO）为DCS系统作了如下定义：DCS系统是一类满足大型工业生产和日益复杂的过程控制要求，从综合自动化角度出发，按功能分散、管理集中的原则构思，具有高可靠性指标，将微处理机技术、数字通讯技术、人机接口技术、I/O接口技术相结合，用于数据采集、过程控制和生产管理的综合控制系统。

从上述定义可以看出，DCS的技术基础是微型计算机，应用对象是生产过程，技术特点是集中操作、管理和分散控制。

1.DCS的产生和发展

1.1 DCS的产生过程

早在50年代，工业自动化仪表以气动仪表为主流。大家很熟悉的气动单元组合仪表，是根据自动调节系统中各个环节的不同功能，将整个调节系统分成若干个具有独立作用的单元，各个单元之间用统一的信号相互。单元的品种并不很多，可以满足生产工艺的需要，组成各种调节系统。目前，一些工厂或装置仍有气动单元组合仪表控制系统在运行。

50年代后期，由于电子技术的迅速发展，出现了电动单元组合仪表，它的明显优点是速度快、功能强、应用范围广、组成系统规模大，因此很快发展成为主流，控制室里安装的仪表愈来愈多，仪表盘的面积愈来愈大。现在，我国大多数工厂或装置仍采用电动单元组合仪表控制系统。

60年代，随着工业生产过程的大规模化、复杂化，要求控制系统既能处理大量数据，又能实现较控制，便逐渐引入计算机，开始采用直接数字控制（DDC）技术。计算机控制具有容易实现控制，容易进行信息通信，实现集中控制显示操作，控制精度高等优点，从而使生产过程综合控制水平得到进一步提高。但是，在一个大型化工厂或装置中，一台计算机控制系统，往往要集中控制几十个甚至几百个回路，要集中显示几百个过程变量的报警信息，显然随着控制功能高度集中，事故发生的危险性也高度集中，一旦计算机控制系统出现故障，控制、监视、操作都将无法进行，势必给生产带来重大损失。因此，DDC技术在带来很多优点的同时，也带来了“危险集中”的隐患。为此，解决危险分散及可靠性问题日益重要。

进入70年代，大规模集成电路问世，微处理器(Micro Processor)诞生，使4C技术（即控制技术、显示技术、计算机技术、通信技术）得到重大发展，人们为了继承常规模拟仪表和计算机控制系统的优点，进—步提高控制系统安全性和可靠性，降低成本，开发研制了集散型控制系统（即DCS）。DCS按控制功能或区域将微处理器进行分散配置，每个带微处理器的控制站控制装置的一部分，使控制功能得以分散，从而实现了危险分散，较好地解决了DDC危险性集中的问题。同时，DCS系统还极大地改进了操作界面，实现多种控制功能，将操作、管理与生产过程密切地结合了起来。

继1975年美国霍尼韦尔公司（Honeywell）和日本横河电机株式会社(Yokogawa)相继推出TDCS2000(Total Distributed Control System，TDCS)系统和CENTUM系统后，世界各国各大仪表制造公司推出了一个又一个DCS产品，从此，过程控制进入了DCS的新时期。

1.2 DCS的发展历程

从1975年以来，DCS的硬件和软件功能不断完善和强化，其发展过程大体可分三个阶段。

*阶段（1975年至1980年）为DCS的初创期。*代DCS产品中比较的还有：美国FOXBORO公司的Spectrum，Bailey公司的Network 90，德国西门子 (Simens)公司的eper M等。

这一时期DCS的基本结构由5个部分组成：过程控制单元(Process Control Unit，简称PCU)、数据采集装置（Data Acquisition Unit，简称DAU）、CRT操作站、监控计算机（Supervisor Computer）和数据高速公路（Data Hiway）。见图1-1。其技术特点是：

• 采用以微处理器为基础的过程控制单元，实现了分散控制。
• 在硬件制造和软件设计上采用了冗余技术，信号处理采用抗干扰措施，系统可靠性极大提高。
• 实现集中监视、集中操作、系统信息综合管理的操作站与过程控制单元分离，初步形成集中分散的分级递阶结构，具备了DCS的重要标志。
• 引入了网络通信技术，系统各组成部分由网络传输介质相连。

第二阶段（1980年至1985年）为DCS的成熟期。80年代随着超大规模集成电路的出现，产生了第二代集散控制系统。这一时期的典型产品有：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，罗斯蒙特（Rosemount）公司的SYSTEM 3，费希尔（Fisher）公司的Provox6400/6500系列等。 

这一时期的DCS一般由6个部分组成：局域网（Local Area Network，）、多功能PCU、主计算机、增强型操作站（Enhanced Operation Station）、网间连接器(Gateway)和系统管理站。见图1-2。这一时期DCS的技术特点是：

• 引入了*的局域网技术，以加强系统通信。但各厂家网络通信机制各不相同。
• 应用了16位或32位微处理机技术，板级模块化，单元结构化，PCU的功能兼有连续控制、顺序控制、批量控制和数据采集监控的功能，成为多功能的PCU。
• *操作站是局域网上的一个节点，其功能进一步增强，除了对过程进行操作管理外，还可以调用、了解系统各部分的其它信息，是全系统的主操作站。
• 加强了全系统的管理功能，用一台计算机专门负责，它包括历史单元模件、应用单元模件及系统优化模件等。
• 上位计算机(主机)，常为小型机，外设功能强，具有进行复杂运算的能力和较强的管理能力。
• 采用网间连接器（GateWay，GW），便于与其子网络或其它网络连接，是实现互连网的一种过渡措施。

显而易见，如果说*阶段集散控制系统以实现分散控制为主的话，第二阶段集散控制系统则是实现全系统信息的管理为主。

第三阶段（1985年以后）为DCS的扩展期。由于网络通信技术的迅速发展，产生了打破“自动化孤岛”，建立标准化的通信协议，实现各种工业网络互连的需要，出现了第三代集散型控制系统。这一时期的代表性产品有：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。这一时期DCS的基本组成如图l-3所示。

这一时期DCS的技术特点是：

• 由于企业用户对DCS开放性的要求日益增强，DCS开始走向开放。新的系统向上能有条件地与工厂自动化协议(Manufacture Automation Protocol，简称MAP协议)和Ethernet(以太网)连接，构成综合的管理系统；向下支持标准化的现场总线，能与智能变送器、智能调节阀等实现可靠的数字通信。
• 普遍采用32位微处理器，处理信息量扩大，功能增强，标准算法中开始包括复杂控制算法；采用集成电路和表面安装技术，使各种板卡上的元件数更少、体积小、可靠性更高。
• 操作站功能增强，操作界面更为友好。采用高分辨率显示器、触摸屏、鼠标器以及窗口技术的运用等，使其操作更简单，响应速度更快。
• 采用实时多用户、多任务的操作系统，提供多种组态编程工具，把过程控制、*控制、过程优化和管理调度有机结合起来，构成较大范围的信息管理系统。
• 系统小型化，以满足中、小规模生产装置的需要。

集散控制系统还将继续发展，特别是在系统小型及微型化，现场变送器智能化，现场总线标准化，通信网络标准化，DCS与PLC互相渗透，监控计算机、PC机进入DCS系统，系统软件引入应用专家系统和人工智能等方面会进一步完善，集散控制系统更加适应各种过程控制的需要，将会取得更好的技术经济效益。

在国外厂家的DCS迅速发展之际，国内的DCS也在自己的道路上不断发展。国内DCS的研制工作开始于1978年，现在已有若干颇具规模的制造商，其中，北京和利时、浙大中控、上海新华都已形成自己的产品系列，在与国外产品竞争中占据了一席之地。这三个厂家的DCS产品分别是：和利时的MACS，浙大中控的SUPCON JX，上海新华的XDPS-500，它们在电力、轻工、化工、石化等行业得到了较广泛的应用。

2. 集散控制系统的特点

DCS自70年代中期推出以来之所以经久不衰，是因为它始终紧跟时代的发展而不断丰富和完善，与常规仪表相比，具有*而鲜明的技术特点。

2.1 相同或类似的构成

集散控制系统虽然品种繁多，但都是由操作站，控制站和数据通信总线等构成的。用户可依据自己被控系统的大小和需要，选用或配置不同类型，不同功能，不同规模的集散控制系统，配置灵活方便，易于扩展。

2.2 采用分级递阶结构

集散控制系统采用分级递阶结构，控制和故障相对分散，从根本上提高了系统长期连续运行的能力和抗故障能力。 

分级递阶结构通常分为四级，分别为过程控制、优化控制、自适应控制和工厂管理。DCS系统是分级递阶控制系统，这里的“递阶”，可通俗地理解为阶梯形的“金字塔”。zui简单的DCS系统在垂直方向上分为二级，即过程控制级和过程管理级，较复杂的DCS系统在垂直方向上分为三级(过程控制级，过程管理级，生产管理级)和四级(过程控制级、过程管理级、生产管理级、经营管理级)。在水平方向上，如过程控制级的控制操作站、数据监测站间是相互协调的同一层级，它们把数据向上送达操作管理级，同时接收操作管理级的指令，各水平分级间也进行数据交换。

2.3 采用计算机技术

集散控制系统以微处理器为其技术基础，凝聚了计算机的*技术，随计算机技术的发展而发展，成为计算机应用完善、丰富的领域。DCS中的现场控制单元、过程输入输出接口、带CRT操作站以及数据通信接口等均采用16位或32位微处理器，有记忆、数据运算、逻辑判断功能，可以实现自适应、自诊断、自检测等“智能”。

2.4 丰富的功能软件包

集散控制系统具有丰富的功能软件包，它能提供控制运算模块、控制程序软件包、过程监视软件包、显示程序包、信息检索和报表打印程序包等。

应用软件模块化后，用户只需根据系统设计的要求进行组态，就能达到程序设计的目的。的DCS系统提供包括功能模块法、语言进行程序设计等在内的多种组态方法，控制功能模块的连接方式则包括表格、图形等方式，采用的编程语言包括C语、FORTRAN、BASIC等语言以及控制语言。

2.5 采用局部网络通信技术

通过高速数据通信总线，把检测，操作、监视、管理等部份，有机地连接成一个整体。可以进行集中显示和操作，从而使系统组态和操作更为方便，且大大提高了排除系统故障及调整操作的速度。

DCS系统的数据通信网络是典型的局部网络。现在的DCS系统都采用了*部网络技术进行通信，传输实时控制信息，进行全系统信息综合管理，对分散的过程控制单元、人机接口单元进行控制、操作管理。网络传输速率一般可达5～10Mbps甚至更高，响应时间仅为数百微秒，通信的可靠性和安全性得到保障。通信协议日益标准化，目前DCS中采用较多的网络标准有美国电子和电气工程师协会的IEEE 802.4，802.5等。

网络协议的标准化，使以DCS为基础的工厂信息管理系统的构建更为方便，同时为系统工程师的远程维护成为可能。 

2.6 强有力的操作界面

操作站为DCS的主要操作界面，一般配备20”以上的彩色显示器、集成键盘和触摸屏、滚动球或鼠标等定位设备。有多种类型的过程操作画面，包括总貌、报警、控制组、点细目、趋势组、操作指导信息及用户流程图等画面；有丰富的打印输出功能，如标准报表打印、报警打印，班报、日报、月报等自由报表打印；有声光报警功能、语音输出功能、系统维护功能等。

近几年，随着微处理器技术、人机工程学以及显示技术的不断发展，DCS的操作界面更加生动形象。目前，越来越多的DCS操作站不仅可以提供真彩色、高分辨率（1024×768及以上）的显示设备，还提供多窗口显示方式，操作更加便捷。

2.7 采用高可靠性的技术

集散系统的处理器、内部总线、电源等均采用冗余配置，重要的I/O卡件也可配置为冗余方式。对某些重要的控制回路还采用了手动作为自动备用，因而提高了系统的可靠性。系统内部还有很强的自诊断功能，一般卡件都支持热插拔，从而提高了系统故障的诊断时间，缩短了故障修复时间。

总之，控制分散、危险分散，而操作和管理集中是DCS的基本设计思想。分级递阶的分布式结构，灵活、易变更、易扩展是DCS的特点。

3. 集散控制系统的发展趋势

集散控制系统的发展是其它*发展的产物，同时它的发展也推动着其它*的进步。进入90年代以来，标准化的网络通信技术、光缆技术、信息技术和人工智能、专家系统技术的发展对DCS系统的发展产生了巨大的推动作用，给DCS的新发展注入了新的活力。

3.1 系统开放化

开放化系指系统本身能够与其它系统或其它计算机相连。过去的DCS，各厂家为了保护自身的利益，采用的都是网络，以有限范围为对象，在一个系统内一般不能接入其它厂家的产品或不同机型的产品，因此被称为封闭系统。对于大型企业，不可能只采用单一厂家的单一品种，要实现全企业的信息管理，必然要求DCS系统具有更大的开放性。因此，新的DCS是一个开放的系统网络，相互连接的规则是标准的，开放的。

目前，不少DCS的操作站都采用了以PC机为硬件平台、以Windows NT或Windows 2000为软件平台，这为DCS以多种形式实现开放创造了有利条件，例如，DDE（Direct Data Exchange），OPC（OLEM for Process Control）等。

3.2 中、小型及微型化

各制造厂家为了满足不同用户的需要，除了大型集散控制系统以外，又开发了中、小规模的集散控制系统，受到用户们欢迎。如Honeywell的Micro TDC3000其性能和TDC300相似，Yokogawa推出的CENTUM CS 1000与CENTUM CS 3000相似，只是规模较小，适合于中、小型装置使用。

3.3 操作站的功能强化

随着科学技术的发展，世界上大约3～5年就要推出一类新型的集散控制系统。系统不断更新，功能不断增强。操作监视站处理的信息量较以前扩大了；处理加工信息的质量也较以前提高了。近来，又采用了高分辨率的彩色图形显示器；使用了触摸式屏幕，转球式光标跟踪器及鼠标器，运用了窗口技术及智能显示技术。

操作站除了供用户自己把工艺设备和工艺过程的自控回路任意进行图形化，编制出各种工艺流程画面外，还有操作站的标准画面。在CRT画面上，可以把过程变量、设定值、控制参数，报警状态，变化趋势等信息，用文字、数字及图形、清楚而形象地显示出来。内容十分丰富，直观。画面可以上下，左右滚动；也可以进行翻页，使用十分方便。画面显示响应速度加快了，仅为1—4秒。画面上还开有各种超级窗口，以便于监视和操作。所有工艺操作或调整，全部集中在操作站，*实现了CRT化的操作。

除操作站之外，还增设了工程工作站计算机站等，以满足用户的多种需求。

3.4 通信网络光缆化

七十年代以来，光导纤维在通信技术上得到应用，引起各国普遍重视，并迅速地发展起来，光纤通信已广泛用于石油、化工、电力、铁路、航空、广播、军事等方面。高速通道的通信线路将由双绞线，同轴电缆，逐渐变为光纤或光缆。

集散控制系统的通信传输介质主要有基带同轴电缆，宽带同轴电缆，光纤和双绞线。与电缆通信相比，光缆通信在带宽、连接性能、地理覆盖范围、抗*力和安全性等方面有许多优点，因此，新型DCS在局域通信网上，已逐步采用光缆，从而大大改善了通信效能。

3.5 DCS和PLC、IPC相互渗透和融合

DCS原来多用于连续过程控制，而PLC则常用于逻辑控制、顺序控制、批量控制，两者都是基于微处理器的数字控制设备。PLC吸收了DCS分布式系统的特点，具有灵活、易变更的特点，自问世以来得到了广大用户的认可，发展迅速。

DCS在其发展过程中，融合了PLC的技术特长，尤其注重逻辑运算和顺序任务，增强批处理功能，同时为PLC留有接口，可以把PLC纳入DCS之中，以提高自身的优势，使自己在更多的应用场合能胜任工作。

当DCS系统在大中型装置日益占据主导地位的同时，中小型装置基于微机的控制系统IPC也得到了越来越多的应用，经过多年的发展，IPC与一些小型DCS系统的区别已经不大了。

总而言之，由于微电子学、信息科学和控制技术在工业控制领域得到深入广泛的应用，DCS、PLC、IPC正在相互渗透，融合发展，趋向于形成数字化、模块化、网络化的方布式控制系统，它们之间的区别正在缩小。

3.6 软件更加丰富

现在，DCS不只是完成数据采集和一般的控制任务，还可以完成实时数据库管理、表报生成、质量分析、文件传送等管理任务以及*控制任务。不少新的DCS中已经包含了线线性规划、解耦控制、非线性控制、多变量预估控制、自适应控制、模糊控制和优化控制等应用软件，有的还配有智能化的专家系统软件。

3.7 引入现场总线

现场总线是一种使能技术，而不是一种产品。它是DCS向着全数字化系统发展的结果，也是DCS向下开放的产物。它为系统底层的互连、互换和互可操作提供了坚实的基础，是系统开放的一个重要方面。

现场总线的节点是现场设备或现场仪表，如传感器、变送器、执行器和编程器等，是带微处理器的具有综合功能的智能仪表，具有输出特性补偿、自校验、自诊断功能；实现了数字信号双向传送，可同时传送多个参数信号，包括检测信号和诊断信号；具有互换性和互操作性，具有本质安全性。因此，现场总线技术与DCS的结合，不仅使现场总线技术借助于DCS平台得以充分发展，同时也极大地丰富了DCS的功能，推动着DCS的进步。