第四代分布式控制系統(tǒng)（DCS）

        ARC咨詢機(jī)構(gòu)2003年發(fā)布了世界DCS市場(chǎng)預(yù)測(cè)報(bào)告。該報(bào)告預(yù)測(cè)，世界DCS市場(chǎng)從2002年至2007年將保持2.5％的增長(zhǎng)，從2003年的 91億美元增長(zhǎng)到103億美元。DCS的發(fā)展速度之所以不高，主要原因是美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度減慢所造成。而中國(guó)近幾年的DCS的增長(zhǎng)速度應(yīng)該在 10％以上。當(dāng)今的DCS與十年前的DCS相比，發(fā)生了根本性的變化。
        DCS已經(jīng)進(jìn)入第四代

        受信息技術(shù)（網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、各種組態(tài)軟件技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等）發(fā)展的影響，以及用戶對(duì)先進(jìn)的控制功能與管理功能需求的增加，各DCS廠商（以Honeywell、Emerson、Foxboro、橫河、ABB為代表）紛紛提升DCS系統(tǒng)的技術(shù)水平，并不斷地豐富其內(nèi)容?？梢哉f(shuō)，以Honeywell 公司最新推出的Experion PKS（過程知識(shí)系統(tǒng)）、Emerson 公司的PlantWeb (Emerson Process Management)、Foxboro公司的A2、橫河公司的R3（PRM-工廠資源管理系統(tǒng)）和ABB公司的 Industrial IT 系統(tǒng)為標(biāo)志的新一代DCS 已經(jīng)形成。

        如果我們把當(dāng)年Foxboro公司的I/A Series看作第三代DCS 系統(tǒng)里程碑的話，那么以上幾家的最新DCS可以劃為第四代。第四代DCS 的最主要標(biāo)志是兩個(gè)“I”開頭的單詞：Information (信息)和Integration（集成）。

        第四代DCS的技術(shù)特點(diǎn)

        第四代DCS的體系結(jié)構(gòu)主要分為四層結(jié)構(gòu)：現(xiàn)場(chǎng)儀表層、控制裝置單元層、工廠（車間）層和企業(yè)管理層。一般DCS廠商主要提供除企業(yè)管理層之外的三層功能，而企業(yè)管理層則通過提供開放的數(shù)據(jù)庫(kù)接口，連接第三方的管理軟件平臺(tái)（ERP、CRM、SCM等）。所以說(shuō)，當(dāng)今DCS主要提供工廠（車間）級(jí)的所有控制和管理功能，并集成全企業(yè)的信息管理功能。

        DCS充分體現(xiàn)信息化和集成化

        信息和集成基本描述了當(dāng)今DCS系統(tǒng)正在發(fā)生的變化。用戶已經(jīng)可以采集整個(gè)工廠車間和過程的信息數(shù)據(jù)，但是用戶希望這些大量的數(shù)據(jù)能夠以合適的方式體現(xiàn)，并幫助決策過程，讓用戶以他明白的方式，在方便的地方得到真正需要的數(shù)據(jù)。

        信息化體現(xiàn)在各DCS系統(tǒng)已經(jīng)不是一個(gè)以控制功能為主的控制系統(tǒng)，而是一個(gè)充分發(fā)揮信息管理功能的綜合平臺(tái)系統(tǒng)。DCS提供了從現(xiàn)場(chǎng)到設(shè)備，從設(shè)備到車間，從車間到工廠，從工廠到企業(yè)集團(tuán)整個(gè)信息通道。這些信息充分體現(xiàn)了全面性、準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和系統(tǒng)性。

        大部分DCS提供了過去常規(guī)DCS功能、SCADA（監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集）功能以及MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）的大部分功能。與ERP不同，ＭＥＳ匯集了車間中用以管理和優(yōu)化、從下訂單到產(chǎn)成品的生產(chǎn)活動(dòng)全過程的相關(guān)硬件或軟件組件，它控制和利用實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的制造信息來(lái)指導(dǎo)、傳授、響應(yīng)并報(bào)告車間發(fā)生的各項(xiàng)活動(dòng), 同時(shí)向企業(yè)決策支持過程提供有關(guān)生產(chǎn)活動(dòng)的任務(wù)評(píng)價(jià)信息。ＭＥＳ的功能包括車間的資源分配、過程管理、質(zhì)量控制、維護(hù)管理、數(shù)據(jù)采集、性能分析和物料管理等功能模型，與DCS相關(guān)的各功能模塊有資源配置與狀態(tài)(Resource Allocation and Status )、派遣生產(chǎn)單元(Dispatching Production Units)、文檔控制(Document Control)、數(shù)據(jù)收集/獲取(Data Collection/Acquisition)、勞工管理(Labor Management)、質(zhì)量管理(Quality Management)、維護(hù)管理(Maintenance Management)、產(chǎn)品跟蹤(Product Tracking)、性能分析(Performance Analysis)。

        DCS的集成性則體現(xiàn)在兩個(gè)方面：功能的集成和產(chǎn)品的集成。過去的DCS 廠商基本上是以自主開發(fā)為主，提供的系統(tǒng)也是自己的系統(tǒng)。當(dāng)今的DCS 廠商更強(qiáng)調(diào)的系統(tǒng)集成性和方案能力，DCS中除保留傳統(tǒng)DCS所實(shí)現(xiàn)的過程控制功能之外，還集成了PLC（可編程邏輯控制器）、RTU（采集發(fā)送器）、 FCS、各種多回路調(diào)節(jié)器、各種智能采集或控制單元等。此外，各DCS廠商不再把開發(fā)組態(tài)軟件或制造各種硬件單元視為核心技術(shù)，而是紛紛把DCS的各個(gè)組成部分采用第三方集成方式或OEM方式。例如，多數(shù)DCS廠商自己不再開發(fā)組態(tài)軟件平臺(tái)，而轉(zhuǎn)入采用兄弟公司（如Foxboro 用Wonderware軟件為基礎(chǔ)）的通用組態(tài)軟件平臺(tái)，或其它公司提供的軟件平臺(tái)（Emerson 用Intellution的軟件平臺(tái)做基礎(chǔ)）。此外，許多DCS廠家甚至I/O組件也采用OEM方式（Foxboro 采用 Eurothem的I/O模塊，橫河的R3采用富士電機(jī)的Processio作為I/O單元基礎(chǔ), Honeywell 公司的PKS系統(tǒng)則采用Rockweell公司的PLC單元作為現(xiàn)場(chǎng)控制站。

        DCS變成真正的混合控制系統(tǒng)

        過去DCS和PLC主要通過被控對(duì)象的特點(diǎn)（過程控制和邏輯控制）來(lái)進(jìn)行劃分。但是，第四代的DCS已經(jīng)將這種劃分模糊化了。幾乎所有的第四代DCS都包容了過程控制、邏輯控制和批處理控制，實(shí)現(xiàn)混合控制。這也是為了適應(yīng)用戶的真正控制需求。因?yàn)槎鄶?shù)的工業(yè)企業(yè)絕不能簡(jiǎn)單地劃分為單一的過程控制和邏輯控制需求，而是由過程控制為主或邏輯控制為主的分過程組成的。我們要實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過程的優(yōu)化，提高整個(gè)工廠的效率，就必須把整個(gè)生產(chǎn)過程納入統(tǒng)一的分布式集成信息系統(tǒng)。例如，典型的冶金系統(tǒng)、造紙過程、水泥生產(chǎn)過程、制藥生產(chǎn)過程和食品加工過程、發(fā)電過程，大部分的化工生產(chǎn)過程都是由部分的連續(xù)調(diào)節(jié)控制和部分的邏輯聯(lián)鎖控制構(gòu)成。

        第四代的DCS系統(tǒng)幾乎全部采用IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行組態(tài)軟件設(shè)計(jì)。該標(biāo)準(zhǔn)原為PLC語(yǔ)言設(shè)計(jì)提供的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)一些DCS（如Honeywell 公司的PKS）還直接采用成熟的PLC作為控制站。多數(shù)的第四代DCS都可以集成中小型PLC作為底層控制單元。今天的小型和微型PLC不僅具備了過去大型PLC的所有基本邏輯運(yùn)算功能，而且高級(jí)運(yùn)算、通信以及運(yùn)動(dòng)控制也能實(shí)現(xiàn)。

        DCS包含F(xiàn)CS功能并進(jìn)一步分散化

        過去一段時(shí)間，一些學(xué)者和廠商把DCS和FCS對(duì)立起來(lái)。其實(shí)，真正推動(dòng)FCS進(jìn)步的仍然是世界主要幾家DCS廠商。所以，DCS不會(huì)被FCS所代替，而是DCS會(huì)包容FCS，實(shí)現(xiàn)真正的DCS。如今，這一預(yù)測(cè)正在被現(xiàn)實(shí)所驗(yàn)證。所有的第四代DCS都包含了各種形式的現(xiàn)場(chǎng)總線接口，可以支持多種標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。此外，各DCS還改變了原來(lái)機(jī)柜架式安裝I/O模件、相對(duì)集中的控制站結(jié)構(gòu)，取而代之的是進(jìn)一步分散的I/O模塊（導(dǎo)軌安裝），或小型化的I/O組件（可以現(xiàn)場(chǎng)安裝）或中小型的PLC。

        分布式控制的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是邏輯分割，工程師可以方便地把不同設(shè)備的控制功能按設(shè)備分配到不同的合適控制單元上，這樣操作工可以根據(jù)需要對(duì)單個(gè)控制單元進(jìn)行模塊化的功能修改、下裝和調(diào)試。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，各個(gè)控制單元分布安裝在被控設(shè)備附近，既節(jié)省電纜，又可以提高該設(shè)備的控制速度。一些DCS還包括分布式HMI就地操作站，人和機(jī)器將有機(jī)地融合在一起，共同完成一個(gè)智能化工廠的各種操作。例如Emerson 的DeltaV、Foxboro 的A2中的小模塊結(jié)構(gòu)、Ovation的分散模塊結(jié)構(gòu)等。

        可以說(shuō)，現(xiàn)在的DCS廠商已經(jīng)越過炒作概念的誤區(qū)，而是突出實(shí)用性。一套DCS可以適應(yīng)多種現(xiàn)場(chǎng)安裝模式：或用現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表，或采用現(xiàn)場(chǎng)I/O智能模塊就地安裝（既節(jié)省信號(hào)電纜，又不用昂貴的智能儀表），或采用柜式集中安裝（特別適合改造現(xiàn)場(chǎng)）。一切由用戶的現(xiàn)場(chǎng)條件決定，充分體現(xiàn)為用戶設(shè)想。

        DCS進(jìn)入低成本時(shí)代

        DCS在上世紀(jì)80年代甚至90年代還是技術(shù)含量高、應(yīng)用相對(duì)復(fù)雜、價(jià)格也相當(dāng)昂貴的工業(yè)控制系統(tǒng)。隨著應(yīng)用的普及，大家對(duì)信息技術(shù)的理解，DCS已經(jīng)走出高貴的神秘塔，變成大家熟悉的、價(jià)格合理的常規(guī)控制產(chǎn)品。

        第四代DCS的另一個(gè)顯著特征就是各系統(tǒng)紛紛采用現(xiàn)成的軟件技術(shù)和硬件（I/O處理）技術(shù)，采用靈活的規(guī)模配置，明顯地了降低系統(tǒng)的成本與價(jià)格。可以說(shuō)，現(xiàn)在采用先進(jìn)的DCS實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化控制比原來(lái)采用常規(guī)的儀器儀表進(jìn)行簡(jiǎn)單控制，用戶投資增加不多，但是實(shí)現(xiàn)的功能卻明顯加強(qiáng)。就控制站而言，原來(lái)一個(gè)物理信號(hào)處理平均1500元（人民幣），而現(xiàn)在已經(jīng)降到800元左右。過去國(guó)外DCS一般只適合于大中型的系統(tǒng)應(yīng)用，在小型應(yīng)用中成本很高，但第四代 DCS都采用靈活的配置，不僅經(jīng)濟(jì)地應(yīng)用于大中型系統(tǒng)，而且應(yīng)用于小系統(tǒng)也很合適。

        DCS 平臺(tái)開放與服務(wù)專業(yè)化

        20年來(lái)，業(yè)界討論非常多的一個(gè)概念就是開放性。過去，由于通信技術(shù)的相對(duì)落后，開放性是困擾用戶的一個(gè)重要問題。為了解決該問題，人們?cè)O(shè)想了多種方案，其中包括CIMS系統(tǒng)概念中的開放網(wǎng)絡(luò)（MAP 7層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議平臺(tái)）。然而，MAP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議并沒有得到真正的推廣應(yīng)用。而當(dāng)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、軟件技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展為開放系統(tǒng)提供了可能。各DCS廠家競(jìng)爭(zhēng)的加劇，促進(jìn)了細(xì)化分工與合作，各廠家放棄了原來(lái)自己獨(dú)立開發(fā)的工作模式，變成集成與合作的開發(fā)模式，所以開放性自動(dòng)實(shí)現(xiàn)了。

        第四代DCS的開放性

        開放性體現(xiàn)在DCS可以從三個(gè)不同層面與第三方產(chǎn)品相互連接：在企業(yè)管理層支持各種管理軟件平臺(tái)連接；在工廠車間層支持第三方先進(jìn)控制產(chǎn)品SCADA平臺(tái)、MES產(chǎn)品、BATCH 處理軟件，同時(shí)支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（以以太網(wǎng)為主）；在裝置控制層可以支持多種DCS單元（系統(tǒng)）、PLC、RTU、各種智能控制單元等，以及各種標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線儀表與執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

        開放性的確有很多好處，但是在考慮開放性的同時(shí)，首先要充分考慮系統(tǒng)的安全性和可靠性。因?yàn)樯a(chǎn)過程的故障停車或事故造成的損失，可能比開放性選擇產(chǎn)品所節(jié)省的成本要高得多。同時(shí)注意，在選擇系統(tǒng)設(shè)備時(shí)，先要確定系統(tǒng)的需求，然后根據(jù)需求選擇必要的設(shè)備。盡量不要裝備一些不必要的功能，特別是網(wǎng)絡(luò)功能和外設(shè)的選擇一定要慎重。例如，我們?cè)谶x擇開放網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，遭到病毒或黑客襲擊的可能就會(huì)加大；我們選擇豐富的外設(shè)如光驅(qū)或軟驅(qū)，就給操作人員提供了裝載無(wú)關(guān)軟件（如游戲等）的機(jī)會(huì)等。這些都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓或其它致命故障。

        隨著開放系統(tǒng)和平臺(tái)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品的選擇更加靈活，軟件組態(tài)功能越來(lái)越強(qiáng)大并靈活，但是每一個(gè)特定的應(yīng)用都需要一個(gè)獨(dú)特的解決方案，所以專業(yè)化的應(yīng)用知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)是當(dāng)今工業(yè)自動(dòng)化廠商或系統(tǒng)集成商成功的關(guān)鍵因素。各DCS廠家在努力宣傳各自DCS技術(shù)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，更是努力宣傳自己的行業(yè)方案設(shè)計(jì)與實(shí)施能力。為不同的用戶提供專業(yè)化的解決方案并實(shí)施專業(yè)化的服務(wù)，將是今后各DCS廠家和系統(tǒng)集成商競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，同時(shí)也是各廠家盈利的主要來(lái)源。

        國(guó)產(chǎn)DCS技術(shù)應(yīng)用概況

        目前，以和利時(shí)、浙大中控、上海新華為代表的國(guó)內(nèi)DCS廠家經(jīng)過10年的努力，各自推出自己的DCS系統(tǒng)：和利時(shí)推出MACS－Smartpro第四代 DCS系統(tǒng)、浙大中控推出Webfield(ECS)系統(tǒng)、新華推出XDPF-400系統(tǒng)。三家積極努力，通過競(jìng)爭(zhēng)成功地將自主系統(tǒng)應(yīng)用于各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，正在逐步取得用戶的認(rèn)可。例如新華公司在火力發(fā)電方面取得顯著成績(jī)，浙大中控在化工控制等方面業(yè)績(jī)突出，和利時(shí)公司在核電、熱電、化工、水泥、制藥以及造紙等方面取得了一定的業(yè)績(jī)。

        在中國(guó)的DCS市場(chǎng)上，三家國(guó)內(nèi)廠商已經(jīng)具備了相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)能力。例如通過新華公司與和利時(shí)公司在火電站控制領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)以及和利時(shí)公司與浙大中控在化工等領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)，使得國(guó)外的DCS紛紛降價(jià)?？梢哉f(shuō)，三家公司最大的貢獻(xiàn)是把國(guó)外的DCS價(jià)格降到了原來(lái)40％以下，為DCS在國(guó)內(nèi)工業(yè)企業(yè)的普及應(yīng)用，特別是在中小型企業(yè)中的應(yīng)用做出了貢獻(xiàn)。

        過程控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程

        50年前，過程控制是基于3～15psi的氣動(dòng)信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)的基地式氣動(dòng)控制儀表系統(tǒng)，即第一代過程控制體系結(jié)構(gòu)（PCS，Pneumatic Control System）；基于模擬電流信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)0～10mA(4～20 mA)的電動(dòng)單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)，即為第二代過程控制體系結(jié)構(gòu)（ACS，Analogous Control System）；20世紀(jì)70年代，由于使用了數(shù)字計(jì)算機(jī)，從而產(chǎn)生了集中式數(shù)字控制系統(tǒng)，即第三代過程控制體系結(jié)構(gòu)（CCS，Computer Control System）；20世紀(jì)80年代，微處理機(jī)的出現(xiàn)和應(yīng)用，從而產(chǎn)生了分布式控制系統(tǒng)，即第四代過程控制體系結(jié)構(gòu)（DCS，Distributed Control System）；20世紀(jì)90年代，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的出現(xiàn)產(chǎn)生了新的一代過程控制體系結(jié)構(gòu)，即現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS(Fieldbus Control System)

        現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

        現(xiàn)場(chǎng)總線被稱為21世紀(jì)工業(yè)過程測(cè)控網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。它能夠提供智能化、簡(jiǎn)單化、標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備接口，將使過程控制用戶在低成本、易移植、易擴(kuò)展這樣一種友好的環(huán)境中進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)行，給自動(dòng)化領(lǐng)域帶來(lái)了新的革命，有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和市場(chǎng)。

        現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品是用于過程自動(dòng)化和制造自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表互聯(lián)的通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，是現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成。其關(guān)鍵不單單是一種通信技術(shù)，而是用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）代替分布式控制系統(tǒng)（DCS）。

        與DCS相比較，F(xiàn)CS有多種優(yōu)勢(shì)：節(jié)省電纜和電纜橋架約60%，節(jié)約廠房面積；減少布線、安裝調(diào)試費(fèi)用50%以上；節(jié)省二次開發(fā)費(fèi)用，縮短開發(fā)周期，一次性投資可降低30%；備品備件種類明顯減少，維修更加方便；有利于企業(yè)實(shí)施綜合自動(dòng)化策略，使企業(yè)從粗放型向集約型轉(zhuǎn)化。

        自20 世紀(jì)80年代末以來(lái)，有幾種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已經(jīng)逐漸發(fā)展成熟，并在一些特定的應(yīng)用領(lǐng)域顯示了影響力和優(yōu)勢(shì)，它們是可尋址遠(yuǎn)程變換器數(shù)據(jù)鏈路 HART(Highway Addressable Remote Transducer)、控制器局部網(wǎng)CAN(Controller Area Network)、局部操作網(wǎng)絡(luò)LON(Local Operating Network)、過程現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus(Process Fieldbus)和基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF(Foundation Fieldbus)，這些現(xiàn)場(chǎng)總線各具特色，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展發(fā)揮著重要作用。

（轉(zhuǎn)載）