摘要：DCS（Distributed Control System）作為一種成熟的技術(shù)在當(dāng)今的工控領(lǐng)域占有主導(dǎo)地位，但是隨著FCS （Fieldbus Control System）技術(shù)的成熟、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（Network Technology）的飛速發(fā)展、軟件技術(shù)的不斷創(chuàng)新和無(wú)線連接技術(shù)（Wireless Linking Technology）的出現(xiàn)，DCS面臨諸多機(jī)遇與挑戰(zhàn)，本文就是以此為基點(diǎn)展開(kāi)。 關(guān)鍵字： DCS FCS 網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 無(wú)線連接技 1 引言 過(guò)程控制作為自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)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(yīng)用只能從上個(gè)世紀(jì)20年代算起，那時(shí)的過(guò)程控制系統(tǒng)為簡(jiǎn)單系統(tǒng)，儀表是基地式、大尺寸的；到二戰(zhàn)前后，各種復(fù)雜的控制系統(tǒng)發(fā)展了起來(lái)，在控制器方面，單元組合式儀表應(yīng)運(yùn)而生，氣動(dòng)單元組合儀表（QDZ）和電動(dòng)單元組合儀表（DDZ）成為當(dāng)時(shí)控制儀表的主流；隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展[4]，到了上個(gè)世紀(jì)70年代，微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)[4]，給過(guò)程控制帶來(lái)了重大突破，數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)入到了工業(yè)控制領(lǐng)域，產(chǎn)生了第一代控制系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)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(jìn)的控制技術(shù)，使過(guò)程控制發(fā)生了質(zhì)的飛躍，但由于CCS控制直接面向被控對(duì)象，并未形成控制網(wǎng)體系，集中了控制的同時(shí)也集中了危險(xiǎn)；針對(duì)CCS的缺點(diǎn)，沒(méi)過(guò)幾年人們就研制出了真正意義上的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)體系DCS，這種系統(tǒng)在集中控制的同時(shí)分散了危險(xiǎn)，所以普遍用于當(dāng)今的工業(yè)控制領(lǐng)域，但今天的技術(shù)發(fā)展更是突飛猛進(jìn)，F(xiàn)CS、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等技術(shù)對(duì)DCS構(gòu)成了極大的挑戰(zhàn)。本文就是對(duì)DCS的一些膚淺認(rèn)識(shí)。 2 當(dāng)前DCS結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其所采用的技術(shù) 2.1 硬件的網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu) 典型的DCS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可分為過(guò)程控制級(jí)、控制管理級(jí)、生產(chǎn)管理級(jí)三個(gè)分級(jí)[4,16]。第一層過(guò)程控制級(jí)主要以PLC（Programmable Logical Controller）或I/O模塊通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的基本控制；第二層是控制管理級(jí)，即以監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過(guò)工控網(wǎng)絡(luò)與PLC或I/O模塊相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)流程設(shè)備的上位機(jī)監(jiān)控；第三層為生產(chǎn)管理層，即以文件服務(wù)器、管理計(jì)算機(jī)極其工業(yè)局域網(wǎng)與監(jiān)控計(jì)算機(jī)相連，隨時(shí)讀取現(xiàn)場(chǎng)信息實(shí)現(xiàn)上層的生產(chǎn)管理。這種系統(tǒng)的構(gòu)成，對(duì)于某個(gè)局部的不可靠，從而使對(duì)整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成損害的概率降 的很低，加之各種軟硬件技術(shù)的不斷走向成熟，極大地提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，因而DCS成為了當(dāng)今工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)地主流。 2.2 軟件特點(diǎn) 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(shuō)的軟件，它有自己的特點(diǎn)，如圖1所示為一般DCS軟件的構(gòu)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)于我們來(lái)說(shuō)大量工作集中在工程師站上，而操作員站、服務(wù)器站和現(xiàn)場(chǎng)控制站一般都用其專(zhuān)用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，我們只是學(xué)會(huì)使用就行了。 2.3 DCS的缺點(diǎn) 作為一項(xiàng)比較成熟的工程技術(shù)，DCS在全世界范圍內(nèi)取得了巨大成功，但隨著時(shí)代的進(jìn)步，各種新技術(shù)的推陳出新，人們對(duì)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?yàn)槊總€(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都需要用線纜連至控制室，因而為以后的查線、維護(hù)帶來(lái)許多不便；②由于采用的是標(biāo)準(zhǔn)模擬4～20mA信號(hào)，不是數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此在信號(hào)可靠性、抗干擾等方面值得懷疑；③各種不同的DCS在互連時(shí)存在問(wèn)題，也就是說(shuō)我們?cè)谕还こ讨羞x用不同DCS聯(lián)接時(shí)，在互相通訊上往往有一些麻煩，這就給系統(tǒng)集成帶來(lái)困難，因此我們需要在不同DCS的互操作性上作些工作。 3 當(dāng)前影響DCS發(fā)展的幾種主要技術(shù) 3.1 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的迅速發(fā)展 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)是指一種新的控制系統(tǒng)，它是在現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)之下形成的新型網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)，主要特點(diǎn)有[1]：①?gòu)慕Y(jié)構(gòu)上講打破了傳統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將控制單元置入現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，加上現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的通訊功能，現(xiàn)場(chǎng)變速器可直接與閥門(mén)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)通訊，因而控制系統(tǒng)能夠不依賴(lài)于控制室的計(jì)算機(jī)而直接現(xiàn)場(chǎng)完成控制，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制；②從采用技術(shù)上講，F(xiàn)CS是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)，存在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致性、公開(kāi)性，所以只要遵守相同的標(biāo)準(zhǔn)就可以實(shí)現(xiàn)各種不同設(shè)備的互聯(lián)，對(duì)用戶(hù)而言就可以按照自 己的需要，組織不同廠商的產(chǎn)品，構(gòu)建適合自己的最經(jīng)濟(jì)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(hào)通訊，加之現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(hù)上帶來(lái)許多便利。 從目前全球現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展來(lái)看，F(xiàn)CS已經(jīng)有十多年的歷史，技術(shù)已趨于成熟，并形成了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，也有成功用于過(guò)程控制的例子，因此有人認(rèn)為FCS將會(huì)代替DCS，成為新一代控制系統(tǒng)。 3.2 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展 控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，其基本趨勢(shì)是逐漸走向開(kāi)放、透明的通訊協(xié)議，但在DCS中應(yīng)用的各種現(xiàn)場(chǎng)總線，其開(kāi)放性是不徹底的，相比而言以太網(wǎng)有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)它又支持所以流行的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，所以在商業(yè)系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展成熟，以太網(wǎng)已經(jīng)進(jìn)入到控制領(lǐng)域，形成了新型的以太網(wǎng)控制技術(shù)。下面就是對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)的特性作一分析。傳統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)采用隨機(jī)訪問(wèn)協(xié)議——帶沖突檢測(cè)的載波偵聽(tīng)多路存取[2]（CSMA/CD），通過(guò)它進(jìn)行介質(zhì)訪問(wèn)控制，對(duì)于響應(yīng)時(shí)間要求嚴(yán)格的控制過(guò)程會(huì)可能產(chǎn)生碰撞沖突，但近年來(lái)出現(xiàn)的快速交換式以太網(wǎng)技術(shù)，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(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)機(jī)制，保證網(wǎng)絡(luò)帶寬的最大利用率和最好實(shí)時(shí)性，并且網(wǎng)速也在不斷提高，從10M發(fā)展到快速以太網(wǎng)100M、1000M，GM級(jí)的以太網(wǎng)技術(shù)也在研究之中，因此有理由相信未來(lái)的以太網(wǎng)完全可以滿(mǎn)足工控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。 3.3 無(wú)線連接技術(shù) 無(wú)線連接（Wireless Linking）技術(shù)在目前常見(jiàn)應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)無(wú)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(shù)的日趨成熟和越來(lái)越標(biāo)準(zhǔn)化，在工控領(lǐng)域大范圍應(yīng)用也可成為可能，特別是值得一提的是藍(lán)牙（Bluetooth）技術(shù)正為人們所關(guān)注[13]，下面就以它為例簡(jiǎn)要介紹一下這種技術(shù)的特點(diǎn)：使用2.4GHz的ISM頻段；采用FM調(diào)制方式。該技術(shù)的傳輸速率設(shè)計(jì)為1MHz，以時(shí)分方式進(jìn)行全雙工通信，現(xiàn)在的通訊距離為10～100m，由此可見(jiàn)要在工控領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用必須擴(kuò)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(wú)線連接的鐘擺控制已在實(shí)驗(yàn)室取得成功，這為我們?cè)诠た仡I(lǐng)域采用這種技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。 3.4 軟件技術(shù)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(lái)講，各種獨(dú)立的SCADA軟件包越來(lái)越成熟，也被更多的用戶(hù)接受，在這里我想講的是新興的軟連接技術(shù)用于工控領(lǐng)域，例如：ODBC、OLEDB、OPC、COM等，特別是OPC（OLE For Process Control）技術(shù)[6,18]，是將COM引入工業(yè)過(guò)程的一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，滿(mǎn)足這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備都能同其他OPC客戶(hù)程序進(jìn)行通訊，它的工作方式如圖2所示，這種技術(shù)建立了一組符合工業(yè)控制要求的接口規(guī)范，將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)與SCADA、HMI等軟件無(wú)縫連接起來(lái)，同時(shí)將硬件與應(yīng)用軟件有效地分離開(kāi)，只要設(shè)備有OPC接口的服務(wù)器，任何支持其接口地客戶(hù)程序都可以采用統(tǒng)一方式對(duì)不同廠商的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)存 取，無(wú)須重復(fù)開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序，這樣就大大提高了控制系統(tǒng)的互操作性和適應(yīng)性。 4 今后DCS的發(fā)展趨勢(shì) 通過(guò)以上的分析可以看出[19]，工業(yè)控制領(lǐng)域中各種新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，新的控制方案和思想對(duì)傳統(tǒng)對(duì)DCS控制發(fā)起了有力挑戰(zhàn)，但從另一方面看，這些技術(shù)又為DCS的發(fā)展提供了更多的機(jī)遇，所以DCS要緊跟時(shí)代步伐，不斷采用最新的技術(shù)和思想來(lái)充實(shí)、完善自己，就是做到“與時(shí)俱進(jìn)”，下面就針對(duì)上文提出一些DCS發(fā)展趨勢(shì)。 4.1 充分利用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將DCS進(jìn)一步分散化 上面可以看出FCS有許多優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用之中完全的FCS很少，究其原因主要有：①開(kāi)發(fā)具有現(xiàn)場(chǎng)總線接口的設(shè)備成本過(guò)高，對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)將傳統(tǒng)的儀表?yè)Q為總線儀表花費(fèi)過(guò)高；②雖然現(xiàn)場(chǎng)總線已經(jīng)形成標(biāo)準(zhǔn)，但標(biāo)準(zhǔn)太多（IEC規(guī)定的就有8種標(biāo)準(zhǔn)總線），而且各種標(biāo)準(zhǔn)之間互相排斥，做到完全統(tǒng)一尚須時(shí)日；③對(duì)一些復(fù)雜的工藝過(guò)程DCS現(xiàn)場(chǎng)控制站的組態(tài)控制有優(yōu)越性，能夠組態(tài)先進(jìn)復(fù)雜的控制策略，但FCS無(wú)法與之相比。 對(duì)于我們而言，既要利用FCS技術(shù)的先進(jìn)性，又要適應(yīng)客觀實(shí)際，這就需要將FCS技術(shù)融于DCS之中，采用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換[3]，具體就是將DCS中的I/O模塊從控制柜中分離出來(lái)，移至現(xiàn)場(chǎng)來(lái)完成數(shù)據(jù)采集和通訊，對(duì)一些簡(jiǎn)單的控制下放到現(xiàn)場(chǎng)，而對(duì)復(fù)雜的控制策略繼續(xù)由DCS控制實(shí)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(diǎn)，不失為一種可選的控制思想。 4.2 將工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步引入DCS，將其完全網(wǎng)絡(luò)化 DCS數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)是典型的局域網(wǎng)通訊，當(dāng)今的DCS都采用工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)來(lái)傳輸實(shí)時(shí)信息，進(jìn)行全系統(tǒng)綜合管理，但在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)中與各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通訊多采用現(xiàn)場(chǎng)總線方式，它的傳輸速率較之以太網(wǎng)低，產(chǎn)品價(jià)格卻大大高于以太網(wǎng)產(chǎn)品，相比而言，以太網(wǎng)設(shè)備價(jià)格低廉、標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際統(tǒng)一，已有近20年發(fā)展歷史，人們對(duì)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、CSMA/CD協(xié)議和系統(tǒng)協(xié)議提出了許多改進(jìn)措施，從根本上解除了沖突碰撞，而信號(hào)傳輸速度有了大幅度提升，從另外一方面講，以太網(wǎng)的進(jìn)一步滲入現(xiàn)場(chǎng)級(jí)使得整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)更加容易集成，所以將以太網(wǎng)技術(shù)引入工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)級(jí)是DCS未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要方向。 4.3 將無(wú)線連接技術(shù)引入DCS系統(tǒng) 目前的DCS中數(shù)據(jù)采集設(shè)備都采用專(zhuān)用電纜和控制室相連，這樣在系統(tǒng)接線、查線、維護(hù)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(wú)線連接網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[7]，則可省去繁重的接線，同時(shí)減少了投資，提高系統(tǒng)了性能，雖然目前這項(xiàng)技術(shù)還不是很成熟，但“沒(méi)有做不到，只有想不到”，因此有理由相信隨著它的技術(shù)進(jìn)步，無(wú)線連接技術(shù)在DCS中大顯身手并非神化。 5總結(jié) DCS技術(shù)風(fēng)雨歷程已有近30年的歷史，30年來(lái)它為全世界自動(dòng)化業(yè)作出了巨大的貢獻(xiàn)，但任何一種事物的出現(xiàn)必是一個(gè)過(guò)程，有其輝煌的鼎盛，也伴隨著無(wú)奈的終結(jié)，在人類(lèi)科技高速發(fā)展的今天，這一過(guò)程也正在縮短它的周期，DCS也不例外，科學(xué)技術(shù)成就了它的輝煌，同時(shí)也會(huì)使它走向沒(méi)落。但從今天工業(yè)控制領(lǐng)域來(lái)看，現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng)遲遲不能解決，各種總線之間互相排斥，難以在短期內(nèi)形成國(guó)際統(tǒng)一的唯一標(biāo)準(zhǔn)，所以FCS要想完全替代DCS尚須時(shí)日，但這并不是意味著DCS可以高枕無(wú)憂(yōu)，相反應(yīng)該充分利用FCS的先進(jìn)技術(shù)來(lái)完善自己；從網(wǎng)絡(luò)通訊方面來(lái)講，通訊可靠性與實(shí)時(shí)性的解決，為其在DCS中運(yùn)用提供了廣闊的天地，DCS要充分利用它來(lái)構(gòu)筑我們未來(lái)的企業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)；從軟件方面來(lái)看，目前的各種DCS組態(tài)軟件功能已十分強(qiáng)大，因此以后的發(fā)展方向應(yīng)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(shù)，無(wú)線連接技術(shù)還顯幼嫩，但它代表了一種全新的思路，DCS應(yīng)時(shí)刻關(guān)注它的發(fā)展，在技術(shù)成熟時(shí)將其引入自己的系統(tǒng)。 綜上所述，DCS作為一項(xiàng)成熟的工程技術(shù)，面對(duì)諸多挑戰(zhàn)應(yīng)發(fā)揮自己的長(zhǎng)處，并不斷采用最新的技術(shù)，完善自己的功能，使之與時(shí)代的發(fā)展保持同步。 參考資料： [1] 陽(yáng)憲惠，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用，北京，清華大學(xué)出版社，1999； [2] 侯維巖等，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的以太網(wǎng)技術(shù)，自動(dòng)化儀表，2003（1）； [3] 刑建春等，新技術(shù)形勢(shì)下DCS的發(fā)展對(duì)策，自動(dòng)化儀表，2003（1）； [4] 邱化元等編，集散控制系統(tǒng)，北京，機(jī)械工業(yè)出版社，1992； [5] 蔣慰孫等編，過(guò)程控制工程（第二版），北京，中國(guó)石化出版社，1999； [6] 張文超等，“工控軟件互操作規(guī)范OPC技術(shù)講座”，2002（6、7）； [7] 劉軍民等，基于CDMA的無(wú)線DCS系統(tǒng)，工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2003（1）； [8] 熊育民等，工業(yè)以太網(wǎng)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用前景，自動(dòng)化儀表，2002（1）； [9] 馮麗輝，DCS、FCS、CIPS的集成與應(yīng)用，工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2002（2）； [10] 胡強(qiáng)等，OPC技術(shù)在DCS與工廠管理網(wǎng)數(shù)據(jù)建立通訊的應(yīng)用，工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2002（3）； [11] 賈東耀等，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)，工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2002（5）； [12] 唐軍，無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)縱覽，現(xiàn)代通訊，2002（8）； [13] 郭今淮等，藍(lán)牙技術(shù)及其應(yīng)用展望，現(xiàn)代通訊，2002（9）； [14] 趙懷林等，控制網(wǎng)絡(luò)與Internet的融合，自動(dòng)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, Distributed Wireless Control Using Bluetooth, IFAC Conference on New Technologies for Computer Control, Hong Kong ,P.R. China, November 20001; [18] Teemu Tommila, Olli Ventä and Kari Koskinen，Next Generation Industrial Automation Needs and Opportunities, Automation Technology Review 2001, 34～41; [19] Thomas F. Edgar, Process Modeling and Control: A Vision of the Future, presented at Advances in Control 5, Swansea, Wales, September 2, 1998;