引　言 　　DCS即所謂分布式控制系統(tǒng)，習(xí)慣地稱之為集散系統(tǒng)，是相對(duì)于集中式控制系統(tǒng)而言的一種新型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它是在集中式控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展、演變而來的．自20世紀(jì)70年代中期問世以來，經(jīng)歷了20多年的時(shí)間．它已由過去只在少數(shù)大型企業(yè)的控制系統(tǒng)中應(yīng)用，發(fā)展成為電力、石油、化工、冶金、建材、制藥等行業(yè)的最普通的控制工具．究其原因：一是各DCS制造廠家不斷地提高了系統(tǒng)的可靠性、實(shí)用性、先進(jìn)性和綜合性，幾種控制系統(tǒng)的相互滲透（PLC，DCS，IPC＋控制器）和競(jìng)爭(zhēng)及先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的采用，使得DCS價(jià)格不斷下降；二是全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，迫使各企業(yè)必須不斷應(yīng)用先進(jìn)的控制技術(shù)以提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，降低成本和費(fèi)用，為DCS提供了廣泛的市場(chǎng)需求． 1　用戶要求的不斷提高 　　在自動(dòng)控制領(lǐng)域中，應(yīng)用的要求總是在不斷提高．可以說，自動(dòng)控制系統(tǒng)是永遠(yuǎn)不能滿足應(yīng)用要求的．每當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)取得了新的技術(shù)進(jìn)展，開發(fā)出了新的功能，立即會(huì)有更新的功能要求被提出來．例如在控制儀表僅可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的反饋控制時(shí)，已經(jīng)有大量的PID調(diào)節(jié)的問題在等待解決；而當(dāng)PID的自動(dòng)調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)時(shí)，人們又在尋求控制參數(shù)的自整定功能，以便使繁雜的參數(shù)整定工作可以自動(dòng)、快速、準(zhǔn)確地完成．在控制算法已趨完善的今天，仍有很多控制問題沒有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，于是，模糊控制理論、神經(jīng)元方法等一些非解析方法得到了長足的發(fā)展．在控制算法的發(fā)展方面是如此，在控制系統(tǒng)本身的硬件、軟件方面更是如此． 　　先看檢測(cè)控制儀表，以水位計(jì)為例，最早的檢測(cè)元件大概要算浮子了，但很快就發(fā)現(xiàn)它的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性有問題，于是研制出了差壓測(cè)量方法．新的原理和方法明顯地在性能上優(yōu)于老的方法，但是當(dāng)容器內(nèi)壓力和溫度發(fā)生變化時(shí)，水的密度也相應(yīng)發(fā)生變化，又會(huì)造成測(cè)量的誤差．因此將測(cè)量值就地?cái)?shù)字化的智能型水位計(jì)得到了廣泛的應(yīng)用，它可以利用數(shù)字處理技術(shù)和算法模型對(duì)測(cè)量值進(jìn)行處理和校正，或加些數(shù)字濾波措施，力求測(cè)量值的客觀、準(zhǔn)確、可靠． 　　再看計(jì)算機(jī)方面，早期的自動(dòng)控制系統(tǒng)所使用的計(jì)算機(jī)速度很慢（只有每秒50萬次左右），內(nèi)存、外存都很少（內(nèi)存約64kB，外存1 MB左右）．盡管如此，這樣的計(jì)算機(jī)還是在不少計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)用，在某個(gè)歷史時(shí)期起到了一定的作用．由這種計(jì)算機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)大多為安全監(jiān)視系統(tǒng)．如果有控制，其算法的綜合性、復(fù)雜性都很低． 　　根據(jù)當(dāng)前自動(dòng)化控制系統(tǒng)狀態(tài)及發(fā)展趨勢(shì)，將在以下幾方面提出更高的要求． 　　1　系統(tǒng)的功能　要求可實(shí)現(xiàn)的算法更多，實(shí)現(xiàn)控制的目標(biāo)更高．系統(tǒng)功能更趨綜合化，不僅有經(jīng)典控制，還應(yīng)有高級(jí)控制，并具有質(zhì)量統(tǒng)計(jì)、分析、批量處理、生產(chǎn)調(diào)度等功能，逐步發(fā)展成計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)． 　　2　系統(tǒng)的可靠性　要求無故障運(yùn)行時(shí)間更長，系統(tǒng)可用率更高，達(dá)到99．99％以上，而系統(tǒng)的維修要快速簡(jiǎn)便，使停機(jī)時(shí)間控制到最短． 　　3　系統(tǒng)的易用性　要求有非常友好的人機(jī)界面，窗口化的操作、屏幕上的操作將成為主流．操作員基本不需培訓(xùn)就可以根據(jù)圖形及系統(tǒng)的提示進(jìn)行操作，語音、圖像等多謀體信息將成為人機(jī)界面中不可缺少的部分． 　　4　系統(tǒng)的安全性　系統(tǒng)可提供各種安全保護(hù)措施，避免誤操作和人為事故，可對(duì)各種異常狀態(tài)進(jìn)行分析記錄，及時(shí)報(bào)警以使操作員盡快了解所發(fā)生的情況并及時(shí)處理． 　　5　信息廣泛共享　自動(dòng)化控制系統(tǒng)，得到的各種實(shí)時(shí)信息可以被其他管理和調(diào)度系統(tǒng)共享．不僅生產(chǎn)的領(lǐng)導(dǎo)者和管理者可以在自己的辦公桌上得到生產(chǎn)信息，甚至可以在任何地方通過電話線路和無線電通信得到生產(chǎn)信息． 　　6　系統(tǒng)的規(guī)模要求更大　不僅可以包括最基本的過程控制功能，還可以包括各方面的生產(chǎn)、控制狀態(tài)信息．系統(tǒng)控制回路數(shù)及檢測(cè)的點(diǎn)數(shù)將大大增加，用以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜生產(chǎn)過程的全面管理與控制． 　　7　系統(tǒng)容易升級(jí)　隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和生產(chǎn)工藝的改變，甚至生產(chǎn)流程的改變均可以在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行少量更改或擴(kuò)充后適應(yīng)新的要求．簡(jiǎn)單地?cái)U(kuò)充監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)、控制回路、調(diào)整控制參數(shù)等工作都要求可以在線進(jìn)行． 　　8　系統(tǒng)的成本降低　更高的自動(dòng)化水平，并不意味著更高的成本．科學(xué)技術(shù)本身一方面在創(chuàng)造著更高的功能和性能，另一方面也在創(chuàng)造更低的成本．只有成本不斷降低，才能使自動(dòng)化深入到生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)更高的自動(dòng)化水平． 2　應(yīng)用技術(shù)的不斷提高 　　促進(jìn)DCS不斷向前發(fā)展的主要?jiǎng)恿?，一是?yīng)用需求的不斷提高，二是應(yīng)用技術(shù)的不斷提高．這兩個(gè)因素就像一列火車的兩臺(tái)機(jī)車，一臺(tái)在前面牽引，另一臺(tái)在后面推動(dòng)，相輔相成．應(yīng)用技術(shù)的提高主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面． 2．1　計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步 　　計(jì)算機(jī)從問世后的近60年中經(jīng)歷了從電子管、晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路到超大規(guī)模集成電路等幾個(gè)發(fā)展階段．雖然其基本原理沒有發(fā)生大的變化，但其元器件和體系結(jié)構(gòu)的改變卻是日新月異的，呈現(xiàn)出極快的發(fā)展速度． 　　計(jì)算機(jī)從電子管發(fā)展到晶體管大約用了近20年的時(shí)間，從晶體管到集成電路大約用了10年時(shí)間，從集成電路到大規(guī)模集成電路則用了5年多時(shí)間，以后集成電路的集成度以每3～4年翻一番的速度發(fā)展著．CPU也以驚人的速度不斷提高．在70年代，每秒運(yùn)行100萬次的計(jì)算機(jī)就稱得上大型機(jī)了，而現(xiàn)在一臺(tái)普通的微機(jī)就可達(dá)2．0GHz．70年代，計(jì)算機(jī)的內(nèi)存以kB為單位，現(xiàn)在一般微機(jī)也可達(dá)256MB、硬盤一般為40GB． 　　計(jì)算機(jī)性能的提高并不意味著價(jià)格的提高．一方面高技術(shù)體現(xiàn)在產(chǎn)品的功能和性能上，即能夠?qū)崿F(xiàn)過去無法實(shí)現(xiàn)的要求；另一方面體現(xiàn)在成本上，即用更低的成本實(shí)現(xiàn)同樣的要求．性能價(jià)格比不斷提高，促進(jìn)了DCS的廣泛運(yùn)用． 2．2　網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步 　　DCS本身是建立在網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)之上的，可以說，網(wǎng)絡(luò)是DCS的命脈．有了一個(gè)高速的、可靠的、標(biāo)準(zhǔn)的、實(shí)用的網(wǎng)絡(luò)，DCS就成功了一半．在DCS發(fā)展的初期，各廠家所用的網(wǎng)絡(luò)大多是專用的，性能也不高．因此形成了一種“孤島”現(xiàn)象，即為了某個(gè)生產(chǎn)裝置或某個(gè)生產(chǎn)過程而建立的DCS成了一個(gè)與外界無法溝通的孤島． 　　隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，各種獨(dú)立于某個(gè)廠家的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品紛紛問世．這些網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品由于性能好，價(jià)格便宜，符合標(biāo)準(zhǔn)，因而開放性、互聯(lián)性很強(qiáng)．這種優(yōu)勢(shì)促使DCS廠家紛紛拋棄了專用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)向了通用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)．現(xiàn)在基本上已看不到建立在專用網(wǎng)絡(luò)上的DCS了． 　　網(wǎng)絡(luò)采用高的通信速率，為DCS的發(fā)展拓展了更大的空間，在應(yīng)用范圍上也不斷擴(kuò)大，已發(fā)展到不僅僅是傳統(tǒng)意義上的計(jì)算機(jī)，包括各種各樣的儀器、儀表、設(shè)備，都可以聯(lián)網(wǎng)，在微控制器上就可集成網(wǎng)絡(luò)控制器． 　　現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)按照其通信的距離和范圍可分為局域網(wǎng)（LAN）和廣域網(wǎng)（WAN）兩種．局域網(wǎng)的通信距離一般在2km以內(nèi)，所用的通信介質(zhì)主要是同軸電纜或雙絞線．近年來隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，基于光纖的傳輸介質(zhì)應(yīng)用得越來越多．因?yàn)楣饫w通信不受電磁干擾，可靠性高，因此在工業(yè)環(huán)境中得到了廣泛的應(yīng)用．另外，無線通信具有很大的靈活性，免去了組網(wǎng)過程中的布線工作，其應(yīng)用也較廣．而廣域網(wǎng)的通信距離可以說沒有什么限制，其通信介質(zhì)也很多，從電話電纜到衛(wèi)星通信都可以使用． 　　除了局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)這兩種網(wǎng)絡(luò)外，近年來還有一種通信距離介于二者之間的“城域網(wǎng)”得到了很大的發(fā)展．這種網(wǎng)絡(luò)的用途相當(dāng)廣泛，特別是幾十公里范圍之內(nèi)．很多生產(chǎn)過程都需要有這種范圍的通信能力，如城市的供水、供暖、煤氣、交通等．城域網(wǎng)的主要通信介質(zhì)是電話線和無線電． 2．3　軟件技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步 　　軟件在DCS中有著很重要的作用，幾乎所有的DCS功能都要靠軟件實(shí)現(xiàn)．在PC平臺(tái)上軟件做得最成功的當(dāng)屬微軟公司．其Windows軟件風(fēng)靡全球，上千家軟件公司在Windows下開發(fā)應(yīng)用軟件．軟件的標(biāo)準(zhǔn)界面已經(jīng)形成，各廠家的軟件可以方便地互通信息、互相操作，使得應(yīng)用系統(tǒng)具有了強(qiáng)大堅(jiān)實(shí)的軟件基礎(chǔ)．DCS也不例外，各DCS廠家在自己的軟件中紛紛加入能與廣大軟件資源接口的界面，而在硬件的選擇上更多的DCS廠家選用了通用的PC平臺(tái)．推出這種平臺(tái)的操作員站，使得CRT的作用在DCS中越來越重要，CRT成了人機(jī)界面的主要設(shè)備，很多操作已從過去對(duì)物理設(shè)備的實(shí)際操作變成了對(duì)CRT的屏幕操作，很大程度上增加了DCS的功能和靈活性． 3　智能化儀表和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)對(duì)DCS的促進(jìn)和創(chuàng)新 　　目前在儀器儀表行業(yè)中發(fā)展最快的兩個(gè)部分是智能化儀表和現(xiàn)場(chǎng)總線，二者的關(guān)系是密不可分、相輔相成的． 　　智能化儀表建立在微電子技術(shù)的基礎(chǔ)上，超大規(guī)模集成電路、嵌入式系統(tǒng)、CPU、存儲(chǔ)器、A／D轉(zhuǎn)換器和輸入、輸出回路等功能集成在一塊芯片上的單片機(jī)等．使得模擬信號(hào)數(shù)字化這一工作從計(jì)算機(jī)端移到了現(xiàn)場(chǎng)端，現(xiàn)場(chǎng)儀表與計(jì)算機(jī)之間傳送的不是模擬信號(hào)，而是數(shù)字信號(hào)，更確切地說是信息． 　　在安裝于現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)或控制執(zhí)行儀表中，完全有條件裝上一小塊集成電路芯片及少量外圍電路，將傳感器的模擬信號(hào)直接數(shù)字化后再送往計(jì)算機(jī)．這種方法極大地提高了信號(hào)轉(zhuǎn)換的精度和可靠性，并且數(shù)字信息的傳輸完全避免了模擬信號(hào)傳輸存在的信號(hào)衰減、精度降低和干擾信號(hào)的引入等長期難以解決的問題． 　　隨著智能化儀表的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)也迅速地發(fā)展起來．所謂現(xiàn)場(chǎng)總線（Field bus）實(shí)際上是一種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)智能化儀表．過去每一個(gè)模擬信號(hào)一對(duì)傳輸線的傳統(tǒng)方式，被一對(duì)能傳輸多臺(tái)智能儀表數(shù)字信息的現(xiàn)場(chǎng)總線所代替．現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)化了儀表信號(hào)線的布線工作、可以節(jié)省大量的金屬導(dǎo)線；數(shù)字信息傳輸方面完善的糾錯(cuò)技術(shù)，使得信息傳輸?shù)恼`差大大降低了．同時(shí)，還可以利用多種傳輸介質(zhì)完成信息的傳輸，如雙絞線、光纖、無線電波、紅外線等，大大提高了在不同現(xiàn)象條件下信息傳輸?shù)倪m應(yīng)性． 　　現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)、智能化儀表的發(fā)展，不可避免地影響著DCS的體系結(jié)構(gòu)，最大的特點(diǎn)是促進(jìn)了DCS的發(fā)展與創(chuàng)新，一個(gè)明顯的趨勢(shì)是使DCS進(jìn)一步分散化． 　　傳統(tǒng)的DCS，在I／O控制站這一層仍然是一個(gè)集中式的結(jié)構(gòu)，有些系統(tǒng)出于成本或其他方面的考慮，將I／O控制站的規(guī)模做得很大．比如高性能CPU的價(jià)格已降得很低，為了充分發(fā)揮CPU的能力，可以將一個(gè)I／O控制站的點(diǎn)數(shù)、回路數(shù)擴(kuò)充，以降低成本，但是這種設(shè)計(jì)提高了危險(xiǎn)性的集中度．如果為了提高可靠性增加冗余措施，系統(tǒng)成本仍然會(huì)上升． 　　利用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)和智能化儀表，加上通用的工業(yè)微機(jī)，完全可以組成一個(gè)小型的DCS，這就對(duì)傳統(tǒng)的DCS提出了挑戰(zhàn)．將過去DCS中集中式的I／O控制站變成分布式的I／O控制站，在傳統(tǒng)DCS網(wǎng)絡(luò)的下一層再引入一層現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)．總體上形成了控制網(wǎng)絡(luò)（以現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)為基礎(chǔ)）、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（傳統(tǒng)的DCS網(wǎng)絡(luò)）和管理網(wǎng)絡(luò)（適應(yīng)管理控制一體化要求的上層網(wǎng)）這樣3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以此來滿足不斷提高的應(yīng)用需要． DCS在形成了3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以后，其基本控制單元深入到了設(shè)備控制這一級(jí)．向上，DCS的功能延伸到管理控制級(jí)，逐步形成了一個(gè)較完整的控制、管理一體化的體系結(jié)構(gòu)．如圖1所示．圖1空框中可以是智能I／O，也可以是智能儀表和IEDs． 4　結(jié)　論 經(jīng)過改進(jìn)創(chuàng)新后的DCS將有以下幾個(gè)特性： 　　1　開放性　新型DCS中所使用的設(shè)備將趨于通用的產(chǎn)品，專用的產(chǎn)品將越來越少，特別是計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)，高性能的工業(yè)微機(jī)、工作站將被大量采用，通用網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品也將逐步淘汰專用網(wǎng)絡(luò)．網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)約逐步向得到普遍承認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)靠攏，以系統(tǒng)集成的方式構(gòu)成應(yīng)用系統(tǒng)方法，已得到越來越廣泛的應(yīng)用． 　　2　分散化和智能化　智能化儀表和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)被大量采用，DCS的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)一步走向分散化，直接數(shù)字控制將深入到每一個(gè)控制回路、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備．因此，隨著所采用的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，新型DCS最終將越來越接近FCS（現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)）． 　　3　系統(tǒng)構(gòu)成的多樣化　現(xiàn)在幾乎已看不到傳統(tǒng)意義上的DCS了，目前所說的DCS是一種廣義的概念，實(shí)際上越來越接近FCS．其中包括了傳統(tǒng)的DCS廠家推出的新一代系統(tǒng)，也包括由PLC和高速總線網(wǎng)及專業(yè)廠家的組態(tài)軟件構(gòu)成的系統(tǒng)．在不同的應(yīng)用領(lǐng)域，DCS的構(gòu)成也各有不同． 　　4　綜合自動(dòng)化　將來的任何系統(tǒng)都不是孤立的，無法與其他系統(tǒng)互相通信并實(shí)現(xiàn)集成的DCS已不再有生命力．系統(tǒng)的發(fā)展正逐步走向綜合自動(dòng)化． 參考文獻(xiàn)： ［1］謝庭渝．計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在大型糖廠的開發(fā)應(yīng)用［J］．自動(dòng)化與儀器儀表，2002，103（5）：47～50． 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