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(fā)展、軟件技術的不斷創(chuàng)新和無線連接技術（Wireless Linking Technology）的出現(xiàn)，DCS面臨諸多機遇與挑戰(zhàn)，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(fā)展歷史可以追溯到古代，但至于在工業(yè)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(tǒng)為簡單系統(tǒng)，儀表是基地式、大尺寸的；到二戰(zhàn)前后，各種復雜的控制系統(tǒng)發(fā)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(fā)展[4]，到了上個世紀70年代，微型計算機的出現(xiàn)[4]，給過程控制帶來了重大突破，數(shù)字計算機進入到了工業(yè)控制領域，產生了第一代控制系統(tǒng)：計算機集中控制系統(tǒng)CCS（Concentrated Control System），它取代了傳統(tǒng)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(fā)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(yè)控制網絡體系DCS，這種系統(tǒng)在集中控制的同時分散了危險，所以普遍用于當今的工業(yè)控制領域，但今天的技術發(fā)展更是突飛猛進，F(xiàn)CS、網絡技術、計算機技術等技術對DCS構成了極大的挑戰(zhàn)。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(tǒng)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(xiàn)場總線構成對現(xiàn)場設備的基本控制；第二層是控制管理級，即以監(jiān)控計算機通過工控網絡與PLC或I/O模塊相連，實現(xiàn)對流程設備的上位機監(jiān)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(yè)局域網與監(jiān)控計算機相連，隨時讀取現(xiàn)場信息實現(xiàn)上層的生產管理。這種系統(tǒng)的構成，對于某個局部的不可靠，從而使對整個系統(tǒng)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(tǒng)的可靠性，因而DCS成為了當今工業(yè)自動控制系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)現(xiàn)，它充分體現(xiàn)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(xiàn)場控制站一般都用其專用軟件來實現(xiàn)，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(xiàn)出一些不足，具體有[9]：①系統(tǒng)接線工作特別繁重，因為每個現(xiàn)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(shù)字信號進行數(shù)據(jù)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(lián)接時，在互相通訊上往往有一些麻煩，這就給系統(tǒng)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(fā)展的幾種主要技術 3.1 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的迅速發(fā)展 現(xiàn)場總線系統(tǒng)是指一種新的控制系統(tǒng)，它是在現(xiàn)場總線技術發(fā)展的驅動之下形成的新型網絡集成式全分布控制系統(tǒng)，主要特點有[1]：①從結構上講打破了傳統(tǒng)的系統(tǒng)結構，將控制單元置入現(xiàn)場設備，加上現(xiàn)場設備的通訊功能，現(xiàn)場變速器可直接與閥門等執(zhí)行機構通訊，因而控制系統(tǒng)能夠不依賴于控制室的計算機而直接現(xiàn)場完成控制，實現(xiàn)了徹底的分散控制；②從采用技術上講，F(xiàn)CS是一個開放系統(tǒng)，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(xiàn)各種不同設備的互聯(lián)，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(tǒng)；③從可靠性上講，它由于采用了全數(shù)字信號通訊，加之現(xiàn)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(xiàn)場總線的發(fā)展來看，F(xiàn)CS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(tǒng)。 3.2 網絡技術的飛速發(fā)展 控制網絡的發(fā)展，其基本趨勢是逐漸走向開放、透明的通訊協(xié)議，但在DCS中應用的各種現(xiàn)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(yōu)勢，同時它又支持所以流行的TCP/IP網絡協(xié)議，所以在商業(yè)系統(tǒng)中被廣泛應用。近年來，隨著網絡技術的發(fā)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(yè)以太網的特性作一分析。傳統(tǒng)的工業(yè)以太網采用隨機訪問協(xié)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(xiàn)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(xiàn)優(yōu)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(fā)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(tǒng)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(xiàn)無線數(shù)據(jù)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(xiàn)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(fā)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(fā)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(yè)過程的一種工業(yè)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(yè)控制要求的接口規(guī)范，將現(xiàn)場信號按照統(tǒng)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(tǒng)一方式對不同廠商的設備進行數(shù)據(jù)存 取，無須重復開發(fā)驅動程序，這樣就大大提高了控制系統(tǒng)的互操作性和適應性。 4 今后DCS的發(fā)展趨勢 通過以上的分析可以看出[19]，工業(yè)控制領域中各種新技術不斷涌現(xiàn)，新的控制方案和思想對傳統(tǒng)對DCS控制發(fā)起了有力挑戰(zhàn)，但從另一方面看，這些技術又為DCS的發(fā)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(fā)展趨勢。 4.1 充分利用現(xiàn)場總線技術將DCS進一步分散化 上面可以看出FCS有許多優(yōu)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(fā)具有現(xiàn)場總線接口的設備成本過高，對企業(yè)來說將傳統(tǒng)的儀表換為總線儀表花費過高；②雖然現(xiàn)場總線已經形成標準，但標準太多（IEC規(guī)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(tǒng)一尚須時日；③對一些復雜的工藝過程DCS現(xiàn)場控制站的組態(tài)控制有優(yōu)越性，能夠組態(tài)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(xiàn)場來完成數(shù)據(jù)采集和通訊，對一些簡單的控制下放到現(xiàn)場，而對復雜的控制策略繼續(xù)由DCS控制實現(xiàn)，這樣就組成了DCS和FCS混合的控制系統(tǒng)，它兼得二者優(yōu)點，不失為一種可選的控制思想。 4.2 將工業(yè)控制網絡進一步引入DCS，將其完全網絡化 DCS數(shù)據(jù)通訊網絡是典型的局域網通訊，當今的DCS都采用工業(yè)局域網技術來傳輸實時信息，進行全系統(tǒng)綜合管理，但在現(xiàn)場級中與各種現(xiàn)場設備通訊多采用現(xiàn)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(tǒng)一，已有近20年發(fā)展歷史，人們對其拓撲結構、CSMA/CD協(xié)議和系統(tǒng)協(xié)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(xiàn)場級使得整個系統(tǒng)網絡更加容易集成，所以將以太網技術引入工業(yè)控制現(xiàn)場級是DCS未來發(fā)展的一個重要方向。 4.3 將無線連接技術引入DCS系統(tǒng) 目前的DCS中數(shù)據(jù)采集設備都采用專用電纜和控制室相連，這樣在系統(tǒng)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(tǒng)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(yè)作出了巨大的貢獻，但任何一種事物的出現(xiàn)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(fā)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(yè)控制領域來看，現(xiàn)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(tǒng)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(yè)自動化網絡；從軟件方面來看，目前的各種DCS組態(tài)軟件功能已十分強大，因此以后的發(fā)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(xiàn)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(fā)展，在技術成熟時將其引入自己的系統(tǒng)。 綜上所述，DCS作為一項成熟的工程技術，面對諸多挑戰(zhàn)應發(fā)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(fā)展保持同步。 參考資料： [1] 陽憲惠，現(xiàn)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(yè)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(fā)展對策，自動化儀表，2003（1）； [4] 邱化元等編，集散控制系統(tǒng)，北京，機械工業(yè)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(guī)范OPC技術講座”，2002（6、7）； [7] 劉軍民等，基于CDMA的無線DCS系統(tǒng)，工業(yè)儀表與自動化裝置，2003（1）； [8] 熊育民等，工業(yè)以太網在控制系統(tǒng)中的應用前景，自動化儀表，2002（1）； [9] 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