过程控制作为自动化技术的应用[1 ,2 ] ,其发展历
史可以追溯到古代,但至于在工业上的应用只能从
20 世纪20 年代算起。那时的过程控制系统为简单
系统,仪表是基地式、大尺寸的;到二战前后,各种复
杂的控制系统发展了起来,在控制器方面,单元组合
式仪表应运而生,气动单元组合仪表(QDZ) 和电动
单元组合仪表(DDZ) 成为当时控制仪表的主流;随
着科学技术的发展[3 ] ,到了20 世纪70 年代,微型计
算机的出现[3 ] ,给过程控制带来了重大突破,数字计
算机进入到了工业控制领域,产生了第1 代控制系
统———计算机集中控制系统CCS ( Concent rated
Cont rol System) ,取代了传统的模拟仪表,从而能
够使用更为先进的控制技术,使过程控制发生了质
的飞跃。但由于CCS 控制直接面向被控对象,并未
形成控制网络体系,在集中了控制的同时也集中了
危险;针对CCS 的缺点,没过几年人们就研制出了真
正意义上的工业控制网络体系DCS。这种系统在集
中控制的同时分散了危险,所以普遍应用于当今的工
业控制领域。但当今的技术发展更是突飞猛进,FCS ,
网络技术,计算机技术等对DCS 构成了极大的挑战。
本文就是对DCS 技术的现状和未来展开分析。1 当前的DCS 结构特点及其所采用的技术
1. 1 硬件的网络分层结构
典型的DCS 网络系统可分为过程控制级、控制管理级、生产管理级3 个分级[ 3 ,4 ] 。第1 层过程
控制级主要以PLC 或I/ O 模块通过现场总线构成
对现场设备的基本控制;第2 层是控制管理级,即
以监控计算机通过工控网络与PLC 或I/ O 模块相
连,实现对流程设备的上位机监控;第3 层为生产
管理层,即以文件服务器、管理计算机及工业局域
网与监控计算机相连,随时读取现场信息实现上层
的生产管理。这种系统的构成,使某个局部的不可
靠对整个系统构成损害的概率大大降低,加之各种
软硬件技术不断走向成熟,这就极大地提高了整个
系统的可靠性,因而DCS 成为当今工业自动控制
系统的主流。
1. 2 软件特点
由于DCS 的特殊功能[ 5 ] ,其软件系统有自己
的特点,图1 所示为一般DCS 软件的构成框图和
工作原理,图1 充分体现了DCS 的分层网络结构,
对于技术人员来说大量工作集中在工程师站上,而
操作员站、服务器站和现场控制站一般都用其专用
软件来实现,只需要学会使用就行了。
1. 3 DCS 的缺点
作为一项比较成熟的工程技术,DCS 在全世
界范围内取得了巨大成功,但随着时代的进步,各
种新技术的推陈出新,人们对DCS 的要求也日益
苛刻,所以DCS 逐渐呈现出一些不足[6 ] : 系统接
线工作特别繁重,因为每台现场设备都需要用线缆
连接至控制室,因而为以后的查线、维护带来许多
不便;由于采用的是标准模拟4～20 mA 信号,而
不是采用数字信号进行数据传输,因此在信号传输
的可靠性、抗干扰性等方面值得怀疑;各种不同的
DCS 在互联时存在问题,同一工程中选用不同的
DCS 连接时,在互相通讯上往往存在一些麻烦,这
就给系统集成带来困难, 因此需要大家在不同
DCS 的互操作性上做一些工作。
2 当前影响DCS 发展的几种主要技术
2. 1 现场总线控制系统(FCS) 的迅速发展
FCS 是一种新型的控制系统,它是在现场总
线技术发展的驱动之下形成的新型网络集成式全
分布控制系统,主要特点[7 ] : 从结构上讲, FCS 打
破了传统的系统结构,将控制单元置入现场设备,
加上现场设备的通讯功能,现场变送器可直接与
阀门等执行机构进行通讯,因而控制系统能够不
依赖于控制室的计算机而直接在现场完成控制,
实现了彻底的分散控制; 从采用技术上讲, FCS
是一个开放系统,存在相关标准的一致性、公开
性,只要遵守相同的标准就可以实现各种不同设
备的互联,对用户而言就可以按照自己的需要,
组织不同厂商的产品,构建适合自己的最经济有
效的系统; 从可靠性上讲,它由于采用了全数字
信号通讯,加之现场设备的智能化与功能自治
性,所以具有更高的可靠性,而且在布线和维护
上带来许多便利。
从目前全球现场总线的发展来看, FCS 已经有十多年的历史,技术已趋于成熟,并形成了国际
标准,也有成功应用于过程控制的例子,因此有人
认为FCS 将会代替DCS ,成为新一代控制系统。
2. 2 网络技术的飞速发展
控制网络的发展趋势是逐渐走向开放、透明
的通讯协议,但在DCS 中应用的各种总线,其开
放性是不彻底的。相比而言以太网有传输速度
高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势,同
时它又支持TCP/ IP 网络协议,所以在商业系统
中被广泛应用。近年来,随着网络技术的发展成
熟,以太网已经进入到控制领域,并形成了新型
的以太网控制技术。下面对工业以太网的特性
作一分析。
传统的工业以太网采用随机访问协议———带
冲突检测的载波侦听多路存取[8 ] (CSMA/ CD) ,通
过它进行介质访问控制。对于响应时间要求严格
的控制过程可能会产生碰撞冲突,但近年来出现的
快速交换式以太网技术,采用全双工通讯,可以完
全避免CSMA/ CD 中的碰撞,并且可以方便地实
现优先级机制,保证网络带宽的最大利用率和最好
实时性,而且网速也在不断提高,从10 M 发展到
快速以太网的100 M ,1 000 M ,GM 级的以太网技
术也在研究之中,因此有理由相信未来的以太网完
全可以满足工控系统的实时性要求。
2. 3 无线连接技术
无线连接(Wireless Linking) 技术目前常见的
应用是实现无线数据采集[9 ,10 ] ,而用在控制工程上
应用很少,但随着这种技术的日趋成熟和越来越标
准化,在工控领域大范围应用也成为可能。特别值
得一提的是蓝牙(Bluetoot h) 技术正为人们所关
注[ 11 ] 。它使用2. 4 GHz 的ISM 频段;采用FM 调
制方式。该技术的传输速率设计为1 MHz ,以时
分方式进行全双工通信,现在的通讯距离为10～
100 m ,由此可见要在工控领域内应用必须扩大通
讯距离。特别值得一提的是在文献[ 12 ]中,一种基
于无线连接的钟摆控制已在实验室取得成功,这为
工控领域采用这种技术奠定了基础。2. 4 软件技术的发展
从工程角度讲,随着硬件性能的大幅度提高,
如何有效地组织利用它们,充分发挥其潜能是工程
软件师面临的主要课题。就从目前工程界来讲,各
种独立的SCADA 软件包越来越成熟,也被更多的
用户所接受,在这里笔者想讲的是新兴的软连接技
术在工控领域的应用, 例如: ODBC , OL EDB ,
OPC ,COM 等。特别是OPC (OL E For ProcessCont rol) 技术[ 10 ,13 ] ,是将COM 引入工业过程的一
种工业标准。满足这个标准的设备都能同其他
OPC 客户程序进行通讯,其工作方式如图2 所示。
这种技术建立了一组符合工业控制要求的接口规
范,将现场信号按照统一的标准与SCADA , HMI
等软件无缝链接起来,同时将硬件与应用软件有效
地分离开,只要设备有OPC 接口的服务器,任何支
持其接口的客户程序都可以采用统一方式对不同
厂商的设备进行数据存取,无须重复开发驱动程
序,这样就大大提高了控制系统的互操作性和适
应性。
图2 OPC 技术的通讯工作方式
3 今后DCS 的发展趋势
通过以上的分析可以看出[14 ] ,工业控制领域
中各种新技术不断涌现,新的控制方案和控制思想
对传统的DCS 控制发起了有力挑战,但从另一方
面看,这些技术又为DCS 的发展提供了更多的机
遇。所以DCS 要紧跟时代步伐,不断采用最新的
技术和思想来充实、完善自己,就是要做到“与时俱
进”。下面就针对上文提出一些DCS 发展趋势。
3. 1 充分利用现场总线技术将DCS 进一步分散化
上面可以看出FCS 有许多优点,但在实际应
用之中完全的FCS 很少,究其原因主要如下: 开
发具有现场总线接口的设备成本过高,对企业来说
将传统的仪表更换为总线仪表花费过高;虽然现场
总线已经形成标准,但标准太多( IEC 规定的就有
8 种标准总线) ,而且各种标准之间互相排斥,做到
完全统一尚须时日;对一些复杂的工艺过程,DCS
现场控制站的组态控制具有优越性,能够组态先进对于广大技术人员而言,既要利用FCS 技术
的先进性,又要适应客观实际,这就需要将FCS 技
术融于DCS 之中,采用如图3 所示的结构转换[5 ] ,
就是将DCS 中的I/ O 模块从控制柜中分离出来,
移至现场来完成数据采集和通讯,对一些简单的控
制下放到现场,而对复杂的控制策略继续由DCS
控制实现,这样就组成了DCS 和FCS 的混合控制
系统,它兼得二者之优点,不失为一种可选的控制
思想。3. 2 将工业控制网络引入DCS ,将其完全网络化
DCS 数据通讯网络是典型的局域网通讯,当
今的DCS 都采用工业局域网技术来传输实时信
息,进行全系统综合管理。但在现场级中与各种现
场设备通讯多采用现场总线方式,它的传输速率较
之以太网低,产品价格却大大高于以太网产品。相
比而言,以太网设备价格低廉、国际标准统一,并且
已有近20 年的发展历史,人们对其拓扑结构、CS2
MA/ CD 协议和系统协议也提出了许多改进措施,
从根本上解除了冲突碰撞,信号传输速度有了大幅
度提升,从另一方面讲,以太网的进一步渗入现场
级使得整个系统网络更加容易集成。所以,将以太
网技术引入工业控制现场级是DCS 未来发展的一
个重要方向。
3. 3 将无线连接技术引入DCS
目前的DCS 中数据采集设备都采用专用电缆
和控制室相连,这样在系统接线、查线、维护等方面
造成很多不便,从而限制了DCS 的使用范围和空
间距离。如果采用如图4 的无线连接网络结
构[ 15 ] ,则可省去繁重的接线,同时减少了投资,提
高了系统性能。虽然目前这项技术还不是很成熟,
但“没有做不到,只有想不到”。因此,有理由相信
随着技术的进步,无线连接技术在DCS 中大显身手并非神话。4 结束语
DCS 技术已有近30 年的风雨历程,30 年来它为全世界自动化行业做出了巨大的贡献。但任何
一种事物的出现必然是一个过程,有其辉煌的顶
峰,也伴随着无奈的终结。在人类科技高速发展的
今天,这一过程也正在缩短它的周期,DCS 也不例
外,科学技术成就了它的辉煌,同时也会使它走向
没落。但从今天的工业控制领域来看,现场总线的
标准之争迟迟不能解决,各种总线之间互相排斥,
难以在短期内形成国际统一的惟一标准, 所以
FCS 要想完全替代DCS 尚须时日,但这并不意味
着DCS 可以高枕无忧,相反DCS 应该充分利用
FCS 的先进技术来完善自己;从网络通讯方面来
讲,通讯的可靠性与实时性的解决,为其在DCS 中
的应用提供了广阔的天地,DCS 要充分利用它来
构筑未来的企业自动化网络;从软件方面来看,目
前各种DCS 组态软件的功能已十分强大,因此以
后的发展方向应在各种软件(包括DCS 与DCS ,
DCS 与其他软件) 之间互相通讯———软连接技术
上下工夫,促使DCS 的大同化;作为一种新出现的
技术,无线连接技术还显幼嫩,但它代表了一种全
新的思路,DCS 应时刻关注它的发展,在技术成熟
时将其引入自己的系统。
综上所述,DCS 作为一项成熟的工程技术,面对
诸多挑战应发挥自己的长处,并不断采用最新的技
术,完善自己的功能,使之与时代的发展保持同步
