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指導(dǎo)教師

2013年11月11日

摘要：DCS(DistributedControlSystem)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(FieldbusControlSystem)技術(shù)的成

熟、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(NelworkTechnology)的飛速開展、軟件技術(shù)的不斷創(chuàng)新和

無線連接技術(shù)(WirelessLinkingTechnology)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。

關(guān)鍵字：DCSFCS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無線連接技

1.引言

過程控制作為自動化技術(shù)的應(yīng)用，其開展歷史可以追溯到古代，但至

于在工業(yè)上的應(yīng)用只能從上個世紀(jì)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(fù)雜的控制系統(tǒng)開

展了起來，在控制器方面，單元組合式儀表應(yīng)運(yùn)而生，氣動單元組合儀表

(QDZ)和電動單元組合儀表(DDZ)成為當(dāng)時控制儀表的主流；隨著科學(xué)

技術(shù)的開展，到了上個世紀(jì)70年代，微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，給過程控制帶來

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(ConcentratedControlSystem),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象，并未形成控制網(wǎng)體系，集

中了控制的同時也集中了危險；針對CCS的缺點(diǎn)，沒過幾年人們就研制出

了真正意義上的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)體系DCS,這種系統(tǒng)在集中控制的同時分散了

危險，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)開展更是突飛猛

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DCS構(gòu)成了極大的挑戰(zhàn)。本文就

是對DCS的一些淺薄認(rèn)識。

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)可分為過程控制級、控制管理級、生產(chǎn)管理級三個分

級。第一層過程控制級主要以PLC(ProgrammableLogicalController)

或I/O模塊通過現(xiàn)場總線構(gòu)成對現(xiàn)場設(shè)備的根本控制；第二層是控制管理

級，即以監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過工控網(wǎng)絡(luò)與PLC或I/O模塊相連，實(shí)現(xiàn)對流程設(shè)

備的上位機(jī)監(jiān)控；第三層為生產(chǎn)管理層，即以文件效勞器、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，隨時讀取現(xiàn)場信息實(shí)現(xiàn)上層的生產(chǎn)管理。

這種系統(tǒng)的構(gòu)成，對于某個局部的不可靠，從而使對整個系統(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，極大地提高了整個系統(tǒng)的

可靠性，因而DCS成為了當(dāng)今工業(yè)自動控制系統(tǒng)地主流。

2.2軟件特點(diǎn)

由于DCS的特殊功能，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(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)，它充分表達(dá)了DCS的分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對于我們來說大量工作集

中在工程師站上，而操作員站、效勞器站和現(xiàn)場控制站一般都用其專用軟

件來實(shí)現(xiàn)，我們只是學(xué)會使用就行了。

2.3DCS的缺點(diǎn)

作為一項(xiàng)比擬成熟的工程技術(shù)，DCS在全世界范圍內(nèi)取得了巨大成功，但隨

著時代的進(jìn)步，各種新技術(shù)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)出一些缺乏，具體有：①系統(tǒng)接線工作特別繁重，因

為每個現(xiàn)場設(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

許多不便；②由于采用的是標(biāo)準(zhǔn)模擬4?20mA信號，不是數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)

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(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，隨著網(wǎng)絡(luò)技

術(shù)的開展成熟，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)

訪問協(xié)議一一帶沖突檢測的載波偵聽多路存取(CSMA/CD),通過它進(jìn)行介

質(zhì)訪問控制，對于響應(yīng)時間要求嚴(yán)格的控制過程會可能產(chǎn)生碰撞沖突，但

近年來出現(xiàn)的快速交換式以太網(wǎng)技術(shù)，采用全雙工通訊，可以完全防止

CSMA/CD中的碰撞，并且可以方便的實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級機(jī)制，保證網(wǎng)絡(luò)帶寬的最大

利用率和最好實(shí)時性，并且網(wǎng)速也在不斷提高，從10M開展到快速以太網(wǎng)

100M.1000M,GM級的以太網(wǎng)技術(shù)也在研究之中，因此有理由相信未來的以

太網(wǎng)完全可以滿足工控系統(tǒng)的實(shí)時性要求。

3.3無線連接技術(shù)

無線連接(WirelessLinking)技術(shù)在目前常見應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)采集,

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，下面就以它為例簡要介紹一下這種技

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

考資料中，一種基于無線連接的鐘擺控制已在實(shí)驗(yàn)室取得成功，這為我們

在工控領(lǐng)域采用這種技術(shù)奠定了根底。

3.4軟件技術(shù)的開展

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(dú)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(shù)用于工控領(lǐng)域,例如：ODBC、OLEDB、OPC、COM等,

特別是OPC1OLEForProcessControl）技術(shù)，是將COM引入工業(yè)過程

的一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，滿足這個標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備都能同其他OPC客戶程序進(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

標(biāo)準(zhǔn)，將現(xiàn)場信號按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)與SCADA、HMI等軟件無縫連接起來，同

時將硬件與應(yīng)用軟件有效地別離開，只要設(shè)備有OPC接口的效勞器，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(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)存

取，無須重復(fù)開發(fā)驅(qū)動程序，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的開展趨勢

通過以上的分析可以看出，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(shù)又為DCS的開展提供了更多的機(jī)遇，所以DCS要緊跟時代步伐，不斷

采用最新的技術(shù)和思想來充實(shí)、完善自己，就是做到“與時俱進(jìn)〃，下面

就針對上文提出一些DCS開展趨勢。

4.1充分利用現(xiàn)場總線技術(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開發(fā)具有現(xiàn)場總線接口的設(shè)備本錢過高，對企業(yè)來說將傳

統(tǒng)的儀表換為總線儀表花費(fèi)過高；②雖然現(xiàn)場總線已經(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)一尚須時日；③對一些復(fù)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(jìn)復(fù)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(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，具體就是將DCS中的I/O模塊從控制

柜中別離出來，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(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)

來傳輸實(shí)時信息，進(jìn)行全系統(tǒng)綜合管理，但在現(xiàn)場級中與各種現(xiàn)場設(shè)備通

訊多采用現(xiàn)場總線方式，它的傳輸速率較之以太網(wǎng)低，產(chǎn)品價格卻大大高

于以太網(wǎng)產(chǎn)品，相比而言，以太網(wǎng)設(shè)備價格低廉、標(biāo)準(zhǔn)國際統(tǒng)一，已有近

20年開展歷史，人們對其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、CSMA/CD協(xié)議和系統(tǒng)協(xié)議提出了許多

改良措施，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(wǎng)的進(jìn)一步滲入現(xiàn)場級使得整個系統(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)場級是DCS未來開展的一個重要

方向。

4.3將無線連接技術(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的無線連接網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，那么可省去繁重的接線,

同口寸減少了投資，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年來它為全世界自動化業(yè)作

出了巨大的奉獻(xiàn)，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(jié)，在人類科技高速開展的今天，這一過程也正在縮短

它的周期，DCS也不例外，科學(xué)技術(shù)成就了它的輝煌，同時也會使它走向沒

落。但從今天工業(yè)控制領(lǐng)域來看，現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)之爭遲遲不能解決，各

種總線之間互相排斥，難以在短期內(nèi)形成國際統(tǒng)一的唯一標(biāo)準(zhǔn)，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

響該充分利用FCS的先進(jìn)技術(shù)來完善自己；從網(wǎng)絡(luò)通訊方面來講，通訊可

靠性與實(shí)時性的解決，為其在DCS中運(yùn)用提供了廣闊的天地，DCS要充分利

用它來構(gòu)筑我們未來的企業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)；從軟件方面來看，目前的各種DCS

組態(tài)軟件功能已十分強(qiáng)大，因此以后的開展方向應(yīng)在各種軟件（包括DCS

與DCS、DCS與其他軟件）之間互相通訊一一軟連接上下工夫，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)時刻關(guān)注它的開展，在技術(shù)成熟時將其引入自己的系

統(tǒng)。

綜上所述，DCS作為一項(xiàng)成熟的工