摘要：DCS（Distributed Control System）作為一種成熟的技術在當今的工控領域占有主導地位，但是隨著FCS （Fieldbus Control System）技術的成熟、網絡技術（Network Technology）的飛速發展、軟件技術的不斷創新和無線連接技術（Wireless Linking Technology）的出現，DCS面臨諸多機遇與挑戰，本文就是以此為基點展開。 關鍵字： DCS FCS 網絡技術 無線連接技 1 引言 過程控制作為自動化技術的應用[5,15]，其發展歷史可以追溯到古代，但至于在工業上的應用只能從上個世紀20年代算起，那時的過程控制系統為簡單系統，儀表是基地式、大尺寸的；到二戰前后，各種復雜的控制系統發展了起來，在控制器方面，單元組合式儀表應運而生，氣動單元組合儀表（QDZ）和電動單元組合儀表（DDZ）成為當時控制儀表的主流；隨著科學技術的發展[4]，到了上個世紀70年代，微型計算機的出現[4]，給過程控制帶來了重大突破，數字計算機進入到了工業控制領域，產生了第一代控制系統：計算機集中控制系統CCS（Concentrated Control System），它取代了傳統的模擬儀表，從而能夠使用更為先進的控制技術，使過程控制發生了質的飛躍，但由于CCS控制直接面向被控對象，并未形成控制網體系，集中了控制的同時也集中了危險；針對CCS的缺點，沒過幾年人們就研制出了真正意義上的工業控制網絡體系DCS，這種系統在集中控制的同時分散了危險，所以普遍用于當今的工業控制領域，但今天的技術發展更是突飛猛進，FCS、網絡技術、計算機技術等技術對DCS構成了極大的挑戰。本文就是對DCS的一些膚淺認識。 2 當前DCS結構特點及其所采用的技術 2.1 硬件的網絡分層結構 典型的DCS網絡系統可分為過程控制級、控制管理級、生產管理級三個分級[4,16]。第一層過程控制級主要以PLC（Programmable Logical Controller）或I/O模塊通過現場總線構成對現場設備的基本控制；第二層是控制管理級，即以監控計算機通過工控網絡與PLC或I/O模塊相連，實現對流程設備的上位機監控；第三層為生產管理層，即以文件服務器、管理計算機極其工業局域網與監控計算機相連，隨時讀取現場信息實現上層的生產管理。這種系統的構成，對于某個局部的不可靠，從而使對整個系統構成損害的概率降 的很低，加之各種軟硬件技術的不斷走向成熟，極大地提高了整個系統的可靠性，因而DCS成為了當今工業自動控制系統地主流。 2.2 軟件特點 由于DCS的特殊功能[3]，所以它的軟件系統不同于我們常說的軟件，它有自己的特點，如圖1所示為一般DCS軟件的構成框圖和工作原理，從中我們可以發現，它充分體現了DCS的分層網絡結構，對于我們來說大量工作集中在工程師站上，而操作員站、服務器站和現場控制站一般都用其專用軟件來實現，我們只是學會使用就行了。 2.3 DCS的缺點 作為一項比較成熟的工程技術，DCS在全世界范圍內取得了巨大成功，但隨著時代的進步，各種新技術的推陳出新，人們對DCS的要求也日益苛刻，所以今天的DCS呈現出一些不足，具體有[9]：①系統接線工作特別繁重，因為每個現場設備都需要用線纜連至控制室，因而為以后的查線、維護帶來許多不便；②由于采用的是標準模擬4～20mA信號，不是數字信號進行數據傳輸，因此在信號可靠性、抗干擾等方面值得懷疑；③各種不同的DCS在互連時存在問題，也就是說我們在同一工程中選用不同DCS聯接時，在互相通訊上往往有一些麻煩，這就給系統集成帶來困難，因此我們需要在不同DCS的互操作性上作些工作。 3 當前影響DCS發展的幾種主要技術 3.1 現場總線系統的迅速發展 現場總線系統是指一種新的控制系統，它是在現場總線技術發展的驅動之下形成的新型網絡集成式全分布控制系統，主要特點有[1]：①從結構上講打破了傳統的系統結構，將控制單元置入現場設備，加上現場設備的通訊功能，現場變速器可直接與閥門等執行機構通訊，因而控制系統能夠不依賴于控制室的計算機而直接現場完成控制，實現了徹底的分散控制；②從采用技術上講，FCS是一個開放系統，存在相關標準的一致性、公開性，所以只要遵守相同的標準就可以實現各種不同設備的互聯，對用戶而言就可以按照自 己的需要，組織不同廠商的產品，構建適合自己的最經濟有效的系統；③從可靠性上講，它由于采用了全數字信號通訊，加之現場設備的智能化與功能自治性，所以具有更高的可靠性，而且在布線和維護上帶來許多便利。 從目前全球現場總線的發展來看，FCS已經有十多年的歷史，技術已趨于成熟，并形成了國際標準，也有成功用于過程控制的例子，因此有人認為FCS將會代替DCS，成為新一代控制系統。 3.2 網絡技術的飛速發展 控制網絡的發展，其基本趨勢是逐漸走向開放、透明的通訊協議，但在DCS中應用的各種現場總線，其開放性是不徹底的，相比而言以太網有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優勢，同時它又支持所以流行的TCP/IP網絡協議，所以在商業系統中被廣泛應用。近年來，隨著網絡技術的發展成熟，以太網已經進入到控制領域，形成了新型的以太網控制技術。下面就是對工業以太網的特性作一分析。傳統的工業以太網采用隨機訪問協議——帶沖突檢測的載波偵聽多路存取[2]（CSMA/CD），通過它進行介質訪問控制，對于響應時間要求嚴格的控制過程會可能產生碰撞沖突，但近年來出現的快速交換式以太網技術，采用全雙工通訊，可以完全避免CSMA/CD中的碰撞，并且可以方便的實現優先級機制，保證網絡帶寬的最大利用率和最好實時性，并且網速也在不斷提高，從10M發展到快速以太網100M、1000M，GM級的以太網技術也在研究之中，因此有理由相信未來的以太網完全可以滿足工控系統的實時性要求。 3.3 無線連接技術 無線連接（Wireless Linking）技術在目前常見應用于實現無線數據采集[12,18]，而用在控制工程上的很少，但隨著這種技術的日趨成熟和越來越標準化，在工控領域大范圍應用也可成為可能，特別是值得一提的是藍牙（Bluetooth）技術正為人們所關注[13]，下面就以它為例簡要介紹一下這種技術的特點：使用2.4GHz的ISM頻段；采用FM調制方式。該技術的傳輸速率設計為1MHz，以時分方式進行全雙工通信，現在的通訊距離為10～100m，由此可見要在工控領域內應用必須擴大通訊距離。特別值得一提的是在參考資料[17]中，一種基于無線連接的鐘擺控制已在實驗室取得成功，這為我們在工控領域采用這種技術奠定了基礎。 3.4 軟件技術的發展 從工程角度講，隨著硬件性能的大幅度提高，如何有效的組織利用它們，充分發揮其潛能是工程軟件師面臨的主要課題，就從目前工程界來講，各種獨立的SCADA軟件包越來越成熟，也被更多的用戶接受，在這里我想講的是新興的軟連接技術用于工控領域，例如：ODBC、OLEDB、OPC、COM等，特別是OPC（OLE For Process Control）技術[6,18]，是將COM引入工業過程的一種工業標準，滿足這個標準的設備都能同其他OPC客戶程序進行通訊，它的工作方式如圖2所示，這種技術建立了一組符合工業控制要求的接口規范，將現場信號按照統一的標準與SCADA、HMI等軟件無縫連接起來，同時將硬件與應用軟件有效地分離開，只要設備有OPC接口的服務器，任何支持其接口地客戶程序都可以采用統一方式對不同廠商的設備進行數據存 取，無須重復開發驅動程序，這樣就大大提高了控制系統的互操作性和適應性。 4 今后DCS的發展趨勢 通過以上的分析可以看出[19]，工業控制領域中各種新技術不斷涌現，新的控制方案和思想對傳統對DCS控制發起了有力挑戰，但從另一方面看，這些技術又為DCS的發展提供了更多的機遇，所以DCS要緊跟時代步伐，不斷采用最新的技術和思想來充實、完善自己，就是做到“與時俱進”，下面就針對上文提出一些DCS發展趨勢。 4.1 充分利用現場總線技術將DCS進一步分散化 上面可以看出FCS有許多優點，但在實際應用之中完全的FCS很少，究其原因主要有：①開發具有現場總線接口的設備成本過高，對企業來說將傳統的儀表換為總線儀表花費過高；②雖然現場總線已經形成標準，但標準太多（IEC規定的就有8種標準總線），而且各種標準之間互相排斥，做到完全統一尚須時日；③對一些復雜的工藝過程DCS現場控制站的組態控制有優越性，能夠組態先進復雜的控制策略，但FCS無法與之相比。 對于我們而言，既要利用FCS技術的先進性，又要適應客觀實際，這就需要將FCS技術融于DCS之中，采用結構轉換[3]，具體就是將DCS中的I/O模塊從控制柜中分離出來，移至現場來完成數據采集和通訊，對一些簡單的控制下放到現場，而對復雜的控制策略繼續由DCS控制實現，這樣就組成了DCS和FCS混合的控制系統，它兼得二者優點，不失為一種可選的控制思想。 4.2 將工業控制網絡進一步引入DCS，將其完全網絡化 DCS數據通訊網絡是典型的局域網通訊，當今的DCS都采用工業局域網技術來傳輸實時信息，進行全系統綜合管理，但在現場級中與各種現場設備通訊多采用現場總線方式，它的傳輸速率較之以太網低，產品價格卻大大高于以太網產品，相比而言，以太網設備價格低廉、標準國際統一，已有近20年發展歷史，人們對其拓撲結構、CSMA/CD協議和系統協議提出了許多改進措施，從根本上解除了沖突碰撞，而信號傳輸速度有了大幅度提升，從另外一方面講，以太網的進一步滲入現場級使得整個系統網絡更加容易集成，所以將以太網技術引入工業控制現場級是DCS未來發展的一個重要方向。 4.3 將無線連接技術引入DCS系統 目前的DCS中數據采集設備都采用專用電纜和控制室相連，這樣在系統接線、查線、維護等方面造成很多不便，從而限制了DCS的使用范圍和空間距離，如果我們采用如圖3的無線連接網絡結構[7]，則可省去繁重的接線，同時減少了投資，提高系統了性能，雖然目前這項技術還不是很成熟，但“沒有做不到，只有想不到”，因此有理由相信隨著它的技術進步，無線連接技術在DCS中大顯身手并非神化。 5總結 DCS技術風雨歷程已有近30年的歷史，30年來它為全世界自動化業作出了巨大的貢獻，但任何一種事物的出現必是一個過程，有其輝煌的鼎盛，也伴隨著無奈的終結，在人類科技高速發展的今天，這一過程也正在縮短它的周期，DCS也不例外，科學技術成就了它的輝煌，同時也會使它走向沒落。但從今天工業控制領域來看，現場總線的標準之爭遲遲不能解決，各種總線之間互相排斥，難以在短期內形成國際統一的唯一標準，所以FCS要想完全替代DCS尚須時日，但這并不是意味著DCS可以高枕無憂，相反應該充分利用FCS的先進技術來完善自己；從網絡通訊方面來講，通訊可靠性與實時性的解決，為其在DCS中運用提供了廣闊的天地，DCS要充分利用它來構筑我們未來的企業自動化網絡；從軟件方面來看，目前的各種DCS組態軟件功能已十分強大，因此以后的發展方向應在各種軟件（包括DCS與DCS、DCS與其他軟件）之間互相通訊——軟連接上下工夫，促使DCS的大同化；作為一種新出現的技術，無線連接技術還顯幼嫩，但它代表了一種全新的思路，DCS應時刻關注它的發展，在技術成熟時將其引入自己的系統。 綜上所述，DCS作為一項成熟的工程技術，面對諸多挑戰應發揮自己的長處，并不斷采用最新的技術，完善自己的功能，使之與時代的發展保持同步。 參考資料： [1] 陽憲惠，現場總線技術及其應用，北京，清華大學出版社，1999； [2] 侯維巖等，工業控制網絡的以太網技術，自動化儀表，2003（1）； [3] 刑建春等，新技術形勢下DCS的發展對策，自動化儀表，2003（1）； [4] 邱化元等編，集散控制系統，北京，機械工業出版社，1992； [5] 蔣慰孫等編，過程控制工程（第二版），北京，中國石化出版社，1999； [6] 張文超等，“工控軟件互操作規范OPC技術講座”，2002（6、7）； [7] 劉軍民等，基于CDMA的無線DCS系統，工業儀表與自動化裝置，2003（1）； [8] 熊育民等，工業以太網在控制系統中的應用前景，自動化儀表，2002（1）； [9] 馮麗輝，DCS、FCS、CIPS的集成與應用，工業儀表與自動化裝置，2002（2）； [10] 胡強等，OPC技術在DCS與工廠管理網數據建立通訊的應用，工業儀表與自動化裝置，2002（3）； [11] 賈東耀等，工業控制網絡結構的發展趨勢，工業儀表與自動化裝置，2002（5）； [12] 唐軍，無線局域網技術縱覽，現代通訊，2002（8）； [13] 郭今淮等，藍牙技術及其應用展望，現代通訊，2002（9）； [14] 趙懷林等，控制網絡與Internet的融合，自動化儀表，2002（7）； [15] H, J.Burckhart, Detector Control System, Presented at the LEB98 Workshop, Rome, ITALY, 1998（21～25）; [16]Toyoaki Tomura and Satoshi Kanai, Developing Simulation Models of Open Distributed Control System by Using Object-Oriented Structual and Behavioral Patterns http://minf.coin.eng.hokudai.ac.jp/members/kanai/ISORC2001.pdf; [17] Johan Eker and Anton Cerbin, 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