《Dcs绪论》
DCS从1975年问世以来，大约有三次比较大的变革，七十年代操作站的硬件、操作系统、监视软件都是专用的，由各DCS厂家自己开发的，也没有动态
流程图，通讯网络基本上都是轮询方式的；八十年代就不一样了，通讯网络较多使用令牌方式；九十年代操作站出现了通用系统，九十年代末通讯网络有部份遵守TCP/IP协议，有的开始采用以太网。总的来看，变化主要体现在Ｉ／Ｏ板、操作站和通讯网络。控制器相对来讲变化要小一些。操作站主要表现在由专用机变化到通用机，如PC机和小型机的应用。但是目前它的操作系统一般采用UNIX，也有小系统采用NT，相比较来看UNIX的稳定性要好一些，NT则有死机现象。I/O板主要体现在现场总线的引入DCS系统。
从理论上讲，一个DCS系统可以应用于各种行业，但是各行业有它的特殊性，所以DCS也就出现了不同的分支，有时也由于DCS厂家技术人员工艺知识的局限性而引起，如HONEYWELL公司对石化比较熟悉，其产品在石化行业应用较多，而ＢAILEY的产品则在电力行业应用比较普遍。用户在选择DCS的时候主要是要注意其技术人员是否对该生产工艺比较熟悉；然后要看该系统适用于多大规模，比如NT操作系统的就适应于较小规模的系统；最后是价格，不同的组合价格会有较大的差异，而国产的DCS系统价格比进口的DCS至少要低一半，算上备品备件则要低得更多。
DCS由四部份组成：I/O板、控制器、操作站、通讯网络。I/O板和控制器国际上各DCS厂家的技术水平都相差不远，如果说有些差别的话是控制器内的算法有多有少，算法的组合有些不一样，I/O板的差别在于有的有智能，有
些没有，但是控制器读取所有I/O数据必须在一秒钟内完成一个循环；操作站差别比较大，主要差别是选用PC机还是选用小型机、采用UNIX还是采用NT操作系统、采用专用的还是通用的监视软件,操作系统和监视软件配合比较好时可以减少死机现象；差别最大的是通讯网络，最差的是轮询方式，最好的是例外报告方式，根据我们的实验，其速度要相差七八倍。
80年代中期，许多单位和个体技术人员都想涉及DCS的开发和生产。由于资金投入太多，软件的工程量太大，需要软件开发人员、硬件人员和工程人员协调工作，另外DCS的开发毕竟太复杂了，它涉及到计算机技术、通讯技术、控制技术和显示技术。几个技术人员不可能掌握那样多的技术，同时也没有那样多的资金投入，并且不可能在短时间内就有产出。几个技术人员是没有力量来支撑的。许多技术人员只能望DCS兴叹。许多单位如几个大钢铁公司的自动化部也由于资金不足退出DCS的开发。如阿城继电器厂从1984年就开始DCS的开发，并取得很好的成绩。由于资金不足和管理混乱，也无奈的基本退出DCS的角逐。STD总线的产品是控制系统的中间产品，90年代初期生产厂家很多，每年在国内达到几亿的销售量（与现在国产的DCS销量相当）。由于最终用户的工作量很大，也正在退出市场。
90年代中期，DCS的部件除功能块以外，在市场上都能买到。如控制器可以用PC机主板，DCS网络也可以用以太网。人机界面可用通用监控软件，如组态王等。市场形势比80年代有很大改变。又一次浪潮涉及开发DCS，各种牌号的DCS纷纷出笼，大约有上百种系统推向市场。仔细分析，都在较低层次上
重复，功能单一，形不成规模。
由于政府有关部门的界入，开始有新的单位进入DCS的开发。政府的有关部门无论从资金还是项目都大力支持，所以得到蓬勃发展。如北京和利时、上海新华和浙大中控。他们都有几百套的销量，基本形成规模生产。他们虽然一时还达不到进口的水平，但控制的基本要求还能满足。从系统的结构和I/O板的生产来看，已经有相当高的水平，和国际上的水平已相差不远。如无锡生产的I/O板就很美观。人机界面的软件国内已有开发，如组态王，每年有2000套的销售量，经使用情况也是良好的。
开发DCS最难的是控制器的开发问题，一是硬件，用的是PC机卡，操作系统也是通用型的，如微软的NT、加拿大开发的QNX等，价格高，使得利润减低。二是功能块的开发。这是最难的。功能块的数量几乎是无限的。它的工作量很大，不仅要有软件人员，还要有工程人员的配合，才能编出好用的功能块。由于我国以前实行计划经济，对技术人才一是不重视，二是各单位私有。一个单位很难集中有如此多的优秀的技术人员。我国软件开发人员不仅数量少，而且习惯于自己独立编程，不能很好的与现场技术人员交流，所以开发的功能块就会出现不如人意的地方。国产DCS不仅功能块的数量少，而且据用户反映，如顺序控制器功能块，其真值表不象国外的那样好用。又如自调整功能块，现场一般都不用，即使用也不好用。
总之，由于销售量还是比较小，跟踪用户的反应还不够，所以我国还缺少一套千锤百炼有自主产权的功能码。这套软件是没有卖的。一定要自己开发，在不同的操作系统下，编的程序就不一样。这与要不要控制器这个硬件没有关系。使用现场总线系统也需要算法，用PC作为既控制又显示同样需要算法。
用于控制策略的组态软件目前还没有发现问题。
另外一个问题是控制器的电源系统，我国基本都采用整体式电源。由于我国的DCS系统价格很低，利润也很低，DCS制造厂家没有资金投入来开发电源系统。国外DCS系统的电源冗余见下图。在即将把两台电源安装到柜子上时，需分别带负载调整。调整时，两台电源的负载一定是相同的，要调整到相同的输出，然后安装到机柜上。电源系统中有一块电源检测板，能显示两台电源的输出情况。两台能同时给负载供电。最好工作在平衡电压的状态。经20年的运行证明电源系统是良好的。
国产DCS两台电源冗余运行，一用一备。其中一台的交流输入电源阶跃下降，能切换到备用电源。如果斜坡下降，就不能切换到备用电源。这是电源系统的缺点之一。
N+1的电源方案没有进入到我国的DCS系统。进口DCS采用N+1电源，问题也很多。N+1电源的意思是只要知道每一个所插模件的功率，把所有模件所需功率求和，而每个模件电源的功率是一定的，所需总功率除以模件电源的功率，就得到电源数。有小数位，都要进一位成为整数，这个整数为N，然后再加一，称为N+1。
第三个问题是由于销量小。很少有第三方帮助完善系统，比如专家系统，实时数据库，与数字仪表及PLC的接口等。
本讲座撰写人李尔钢先生，重庆工业自动化仪表研究所所长助理；汪仁智先生，技术市场管理部部长。
关键词：分布式I/O系统 解决方案 柔性化 模件 过程控制器 一 前言
当今的分布式I/O系统解决方案为工业用户提供了广泛的系统连通性选择，并且这种解决方案能够实实在在地被分解到任何实际的过程控制应用系统中去。
许多工业用户已经具有选择分布式I/O系统的丰富经验，包括事先设计好的模拟量和数字量I/O，所选择的I/O系统即使是在最恶劣的工业环境中也能可靠地运行，其连通性选择能够满足大多数工业过程控制级或生产企业级设备的需要，分布式I/O系统所提供的宽范围可选择性地允许将I/O分解到基本的点对点环境，同时还具备了较容易的可扩展性能。
随着计算机网络技术和微处理器硬件技术的进一步发展，分布式I/O系统的市场份额正得到逐步地扩大和增长；同样随着新一代分布式I/O系统产品及其解决方案的开发和应用，分布式I/O系统将会成为与分散控制系统(DCS)、可编程控制器(PLC)和基于PC控制系统并驾齐驱的另一类大众化产品，也必将得到工业用户的认可。
许多新的分布式I/O系统采用了完全模块化设计选型方案，因为模块化设计能够进一步满足工业用户对过程控制系统高度柔性化的系统选型要求。模块化设计也有助于满足工业用户对于各种类型I/O模件的需求，因为大多数控制系统都具有数字量和模拟量混合控制的要求。只有采取数字量和模拟量混合型模块化设计方案，才能进一步满足这种过程控制系统非常柔性化的要求。
本文将重点介绍目前市场上最新的分布式I/O系统产品，并进一步讨论各种不同类型的分布式I/O系统在工业和过程控制领域内的应用情况，仅供从事分布式I/O系统解决方案应用的同仁参考。
二 网络连接性能
分布式I/O系统制造商正计划通过提供最好的产品支持并满足工业用户的各种需求，他们为其分布式I/O产品增加了许多连通性选择功能，且成为了他们在市场上通行的商业运作模式。一些分布式I/O系统制造商正在设法至少能够支持两种或者3种类型以上的网络连接特性选项。
最近，Rockwell自动化公司已经为其Allen-Bradley FLEX I/O系列产品扩展了网络连接性能，同时增加了FLEX系列EtherNet/IP适配器1794-AENT。该适配器与DeviceNet和ControlNet采用了相同的控制与信息传输协议(CIP)，而且进一步整合了Ethernet TCP/IP和CIP网络协议体系结构。
1794-AENT适配器能够为工业用户提供巨大的使用价值，因为只要通过现有的Ethernet媒体就能够运行远程I/O数据信息，并具备连接到高速网络系统的能力，以便处理大量的I/O数据信息，也能够非常容易地从远程站点上监控网络系统和I/O设备的运行情况。与当前分布式I/O系统朝着能够具备Web地址的性能方向发展趋势相一致，这种新型适配器内藏Web页面，同时还具有I/O模件和网络系统的诊断数据信息，以及I/O模件组态参数和TCP/IP配置参数等。这种适配器还能够作为分布式I/O模件与网络系统之间的网桥，极大地提高了网络系统的通信功能度。
Phoenix Contact公司也已经进一步扩展了其现场总线I/O系列产品，并提供了新一代FL IL 24 BK Ethernet总线终端器产品，该产品允许在线安装系统(IIS)能够利用基于Ethernet TCP/IP技术协议的网络系统解决方案。整个系统允许不超过63个I/O模件，包括标准的模拟量和数字量I/O模件、热电偶(T/C)和热电阻(RTD)模件、安保型继电器模件、气动调节阀、机械装配式I/O设备等，也能够完全集成到Ethernet TCP/IP网络系统中去。FL IL 24 BK终端器还包括了一个Web服务器，能够充分满足基于Web管理对页面的需求。
Scanimation公司是Phoenix Contact公司的一个客户，该公司在其高速扫描系统中采用了带有DeviceNet I/O BK模件的Inline型分布式I/O系统，这个系统的应用对象为木材加工制造工业的一条自动化生产线。该公司的意图是
希望能够从传统的点到点I/O布线方式改变到分布式远程I/O系统的运行方式上，以便减少生产成本和增强系统的可靠性。Phoenix Contact公司为Scanimation公司提供了一种能够容纳不同总线系统的分布式I/O解决方案，可以随意选择诸如Interbus、Profibus、DeviceNet等现场总线标准。这一系统解决方案的确定对于该公司下一步的工作起到了非常重要的作用。
Entrelec公司最新推出了内藏Device Net现场总线模件的RIO系列化产品，RIO产品包含了一个终端模块的基本模件和一个内藏通信的模件。每个终端模块包括8通道数字量输入和8通道数字量输出。另外的I/O还可以通过模拟量和数字量扩展模件来完成。内藏模件的使用允许总线系统不需要再连接终端模块，基本模件就能够容易改变。
Siemens电力与自动化公司的SIMATIC ET200S分布式I/O机架能够处理不超过64个模件，包括Profibus接口模件、数字量和模拟量I/O模件、用于计算和定位任务并面向过程控制的模件，以及一体化电动机起动器。I/O模件能够被增加到机械式终端模件中，而且还能够实现无扰动热交换。
Wago公司最近已经推出了基于Ethernet的可编程现场总线控制器(PFC)产品，该产品能够在线支持大多数工业通信协议标准，包括Profibus、Interbus、DeviceNet、CANopen、Modbus和Modbus Ethernet等。该公司的传感器I/O接口现已超过90多种类型，包括低和高电压控制、模拟量、计数器、条形码
阅读器、RFID阅读器和编码器等。
Wieland电气公司为基于现场总线技术的Ricos系列远程接口系统增加了一种热电偶(T/C)模件。该模件能够接受不超过4种类型的J或者K分度热电偶输入信号，其接口直接为基于现场总线系统提供了一个面向总线型的连接器模件，该连接器能够支持Ethernet、ProfibusDP、DeviceNet、CANopen或者Interbus。该模件的一个关键性特点是具备自动感觉功能，即能够自动识别所连接的热电偶分度的类型，免除了人为手动设置的工作。
利用Beckhoff公司的FM3300型现场总线模件能够将12或者32通道的热电偶信号直接连接到一个Profibus现场总线网络系统中去。所有必需的电气参数被隐藏到一个符合IP65等级规范的紧凑型工业插件式连接器内。
三 无线网络
网络系统的连通性不仅仅意味着硬件方面。无线通信网络产品的应用正在得到进一步的增长，因为这些产品能够继续增强系统的通信容量，并将为工业
用户提供更加诱人的网络系统通信解决方案，其应用范围逐渐涉及到各个领域。
Omron公司已向工业用户提供了无线DeviceNet产品。该产品能够连接到任何兼容DeviceNet的过程控制设备，并允许相应的子网可以向任何方面扩展到500m以外。该产品结合了无线通信传输频谱、频率跳变和天线多样性中3种关键性技术，因为无线通信关注的重点在于所传输信号的可靠性和正确度。借助于无线DeviceNet，一个过程控制系统能够容纳32个无线主工作站，而每个主工作站还可以带32个从工作站，对于可以建立不超过1024个子网的性能完全能够满足工业用户的需求，其应用领域包括原材料处理、传动系统，以及集装箱生产线等。
四 Ethernet的选择与应用
在分布式I/O网络系统中，Ethernet已经变得愈加重要，越来越多的公司已经决定充分利用这种发展趋势。Automationdirect.com公司推出了Ethernet远程主控制器模件H2-ERM产品，该模件能够被应用到其D2-240和D2-250型PLC系统中，连同基于Windows CE平台的WinPLC型嵌入式CPU模件一起组成新的过程控制系统。通过高速Ethernet链路，H2-ERM模件能够将本地主CPU基件连接到远程从I/O控制器。每个模件能够支持不超过16个额外的DL205基件、16个终结器I/O系统、4个全扩展DL405系统、或者这3种
类型的任意组合型系统。
Linear公司是Automationdirect.com公司的一个长期客户，它最近发现了采用Ethernet远程I/O所带来的好处。该公司利用Automationdirect.com公司的DL05、DL105和DL205系列PLC系统为医药制造设备行业提供自动化和半自动化人工助推器装配生产线解决方案。就先前的I/O系统而言，该公司已经安装了两三个配线安装支架，每个安装支架不超过37条信号电缆线。他们希望利用Ethernet来改进I/O信号的传输，将DL250与H2-EBC(基于Ethernet过程控制器)和T1H-EBC(终结器I/O Ethernet接口模件)结合起来；在每台机器上，他们已经戏剧性地取得了降低配线数量和设计时间的功效。因此，他们不再必须安装配线的安装支架，所有I/O系统仅仅通过一条5类或者超5类双绞线就能够进行数据信息的传输和处理。
这种简单的配线方式和网络系统连通性为OEM制造商提供了具有重要性的额外好处。Linear公司为利用基于Ethernet I/O系统出具了应用报告，允许进一步采用标准控制箱设计方案，并且还可以应用于个别特殊机器的控制。要是在过去，该公司还不得不为多机器系统中的每台机器设计特殊的控制箱。
Intelligent Instrumentation公司正在计划将Ethernet技术应用到其EDAS产品系列。该公司还推出了iFactory监控软件包，该软件包通过标准的Web浏览器能够将EDAS单元的数据信息发布到Internet上。
Intelligent Instrumentation公司的EDAS CE开放型结构体系工业分布式I/O系统提供了隔离数字量和模拟量I/O、10/100Base-T Ethernet，以及基于Windows CE平台的开发工具。其设计主要应用于分布式监控和过程控制任务，可以允许有不超过8个I/O模件能够被增加到其基本单元，同时提供了不超过128通道的I/O能够满足各种类型的I/O需求。
Comark为工业用户提供了ADS(增强型分布式系统)，ADS是人们期待已久的一种高度柔性化过程控制系统。其I/O模件产品可以通过直接或者分布式Ethernet I/O的形式加以应用，对于直接型I/O能够容纳不超过32768个I/O测点，而对于网络型I/O则是没有限制的。ADS的I/O模件包括了模拟量、数字量、热电偶、热电阻、定时器/计数器和通信等类型。
OPTO 22公司已经将开发重点完全转移到Ethernet，并取得了巨大的成功。该公司前不久推出了SNAP系列分布式Ethernet I/O系统，系统刚推出就获得了大量的订单。在该系统内部存储了为工业用户开发的Web页面和系统组态参数。SNAP系列分布式Ethernet I/O系统内藏了基于Web的人机界面，用于诊断信息显示、组态参数配置和设备维护与故障处理信息显示，这些信息为工业用户提供了截然不同的好处。现在，在这种分布式I/O系统内，工业用户可以通过内藏的Web服务器建立他们自己的Web页面，可为分布式I/O系统建立高度用户化和特殊图形化应用的人机界面。
OPTO 22公司还推出了基于其SNAP Ethernet I/O系统的SNAP Ultimate I/O模件，该模件充分结合了当前分布式I/O发展趋势的一些关键性特点，以及一般情况下自动化应用领域的特性，包括本地、分布式智能控制，编程能力和网络系统连通性等。SNAP Ultimate I/O模件合并了一个10/100Mb/s自适应Ethernet接口，并采用纯粹的TCP/IP数据传输协议，同时支持多种应用级数据传输协议，包括Modbus TCP、XML、用于网络管理的SNMP、用于电子邮件传输的SMTP，以及该公司的开放型IEEE 1394等协议。通过将这些数据传输协议嵌入到相应的控制系统产品中去，SNAP Ultimate I/O能够直接与生产企业管理系统通信，排除了对于复杂软件接口的要求。
OPTO 22公司的ioControl软件内藏了SNAP Ultimate I/O模件的组态功能，该软件是基于流程图的控制软件解决方案，其脚本语言开发工具能够应用于像数学计算、控制回路和字符处理等复杂功能，进一步结合了SNAP Ultimate I/O的附加内存(8MB)。现在，先前需要通过PLC、PC或者其他过程控制器完成的功能，在I/O级就能够被独立地执行。
Nematron公司的一个全资子公司Optimation也正在努力将Ethernet技术融入到自己的控制系统产品中。Optimation公司正好推出了两种新的基于Ethernet I/O模件的OptiLogic系列产品OL2258和OL2304。OL2258是一个具有双通道高速脉冲计数器模件，该模件包含了在板智能化处理和计算脉冲信
息，它能够应用于诸如运动控制、仪器仪表和速度测量等监控与过程控制。OL2304模件具有4通道模拟量电压输出，每个通道能够被允许编程的4种电压范围为：0~5V DC、0~10V DC、1~ 5V DC和1~10V DC。该模件能够应用于以4或者8通道为基础的其他模拟量和数字量模件的任意组合。
Optimation公司所提供的OptiLogic型分布式Ethernet I/O产品系列已经得到了进一步扩展，其扩展包括了OL2602型双通道RS-232C接口模件。OptiLogic提高了该公司的模拟量和数字量I/O模件的应用范围，也能够与OptiLogic型RTU单元并行工作，利用10Base-T Ethernet还能够与分布式I/O进行通信连接。
在某示波镜装配厂的一条生产线上应用了OptiLogic系列产品，其结构紧凑，Ethernet的采用和串行通信能力是其关键性特点之一。该生产线使用了2台PC机用于控制和28个OptiLogic远程终端单元(RTU)，并采用了标准的10Base-T Ethernet接口部件。系统总共有825个分布式I/O测点，包括39个RFID读/写头和12个条形码阅读器，它们通过RTU连接在一起形成网络。基于PC控制方案用于连接装配线的运行监控，一套生产执行系统(MES)用于跟踪和区分每个独立装配线单元的执行顺序。
Sixnet公司提供了一种EtherTRAK型产品ET-8INS，ET-8INS是一种能够连接热电偶、热电阻、毫伏(mV)、电压(V)和电流等输入信号的通用输入模
件，这些信号可以直接通过Ethernet网络进行传输。该模件具有高精确度的16位信号输入通道，对于降低电气噪声和接地信号回馈提供了真正意义上的差分信号输入特性。此外，该模件还具有线性化和热电偶冷端补偿功能，允许工业用户混合输入各种类型的信号，每个通道的信号可以通过软件进行组态设置，以适应各种不同类型的信号输入范围，而且通道之间是完全隔离的。
Sixnet公司为其SiteTRAK型远程终端单元提供了Ethernet连接能力。Site TRAK具有6通道模拟量输入和4通道数字量输入，但通过RemoteTRAK I/O可以进行扩展。Sixnet公司的客户正在将SiteTRAK系统应用于电厂的监控、化学容器罐的液位控制，以及临界压缩机和泵等生产设备的运行监视与过程控制。
不久前，Advantech公司推出了其ADAM-5000/TCP产品，该产品是一种基于Ethernet I/O的解决方案，并广泛应用于数据采集和过程控制系统。ADAM-5000/TCP提供了一个10/100Base-T Ethernet自适应通信接口，通信距离不超过100m。它支持Modbus TCP技术协议，并允许工业用户通过Ethernet进行远程组态。
来自于Schneider自动化公司的Momentum平台利用Ethernet作为其通信的中枢，并用于完成数据信息采集、对等通信和I/O信息采样。在其内部还提供了5种嵌入式Web页面，允许利用标准的浏览器就可以访问控制设备的
运行状态和设备故障诊断信息。
Automationdirect.com公司提供了基于Ethernet技术的基本控制器模件H2-EBC，该模件可以嵌入到任何Direct LOGIC 205型PLC I/O机架中的CPU插槽内，通过一般的PC机还能够进行远程I/O控制。每个基件所提供的10Base-T Ethernet通信接口具有小于1ms的I/O刷新速率，而PC机与I/O模件之间的通信传输速率为10Mb/s。该公司还提供了用于DeviceNet现场总线网络的低价格I/O部件(F2-DEVNETS)和SDS(F2-SDS-1)网络连接器。所有3种网络模件均可以广泛支持该公司的DL205系列数字量和模拟量I/O信号。
National Instruments公司为其FieldPoint型智能化分布式I/O系统开发了一种新的高速Ethernet接口模件。该模件采用了TCP/IP兼容的数据传输协议，通信速率为10/100Mb/s，利用其FP-1600模件能够将FieldPoint型I/O模件直接连接到标准的Ethernet和快速Ethernet网络系统。在每个Ethernet网络节点上，开发商可以利用单个网络模件与不超过9个FieldPoint型I/O模件进行接口连接。
National Instruments公司另外还推出了一种SRM6000型无线调制解调器模件，该模件采用了频率跳变和频谱扩展技术，利用具有特殊特性的天线能够传输20英里以内的数据信息。在制造业的许多应用领域，安装电缆是非常昂贵的，也是存在许多问题或者不太可能的事情。而SRM6000正好能够克服
这方面所存在的具体问题，因为SRM6000使用了902~928MHz的扩展频谱带宽，工业用户并不需要任何FCC或者DOC站点许可证就能够运行操作。除能够作为一种远程调制解调器与FieldPoint通信以外，它还能够被组态作为一种基本单元，从现场控制设备接收数据信息，并直接将数据信息转发到PC机上。
Foxboro公司的I/A系列自动化控制系统也已经采用了数字化现场总线技术。该公司最近推出了几个增强型平台，包括一种新的高性能Ethernet现场总线网络和增强型现场总线I/O模件。
该Ethernet网络模件的开发为安装于生产现场的智能化现场总线模件与遍布整个工厂范围内的分散型过程控制系统之间提供了一种安全和低价格的数字化通信链路。该模件利用10Mb/s技术通过Foxboro公司原来的IEEE 1118数字化现场总线进一步提高了现场总线网络的性能特性。这种总线型设计方式用于扩展到远程现场控制设备，作为一条公共干线而提供服务，统一所有输入和输出现场数据信息，而不管这些数据信息的来源或者传输协议。
经过重新设计的现场总线模件几乎能够与各种类型的任何工程应用相匹配，从基本数据采集应用的整体隔离I/O模件到通道隔离的I/O模件，以及应用于临界控制任务的冗余I/O模件。其设计符合Divi2、Zone 2危险应用领域规范，还能够通过标准DIN导轨安装于控制现场的公共接线盒内，更加接近于
现场传感器和执行机构。
Comark公司的增强型分布式I/O (ADS)系统通过10Base-T Ethernet技术已经进行了网络化设计更改。该系统为工业用户提供了较宽范围内隔离模件的选择机会，包括数字量、模拟量、运动部件、定时器和通信等模件。 小牛
张新薇教授
：《关于DCS的回顾与展望(转载)》 本论题共有8人回复。
本文作者卞正岗先生，北京市自动化系统成套工程公司暨北京清大同飞优化控制技术有限公司副总工程师、教授级高工。
关键词：DCS 过程工业 控制站 操作站 数据通信 产品生命周期集成技术
一 DCS的发展历程
1975年前后，大规模集成电路由4位微处理器发展成8位，在形成单板机产品投入工业应用的同时，自动化仪表行业在原来采用中小规模集成电路而形成
的直接数字控制器(DDC)的自控和计算机技术的基础上，结合阴极射线管(CRT)、数据通信技术，开发出了以集中显示操作、分散控制为特征的集散系统，后来逐渐统一称为分散型控制系统(DCS)。在以后的20多年中，DCS产品虽然在原理上并没有多少突破，但由于技术的进步、外界环境变化和需求的改变，设计思想发展了，共出现了3代DCS产品。1975年至80年代前期为第一代产品，80年代中期至90年代前期为第二代产品，90年代中期至21世纪初为第三代产品。3代产品的区别，可从DCS的三大部分，即控制站、操作站和通信网络的发展来判断。当然，由于产品生命周期是个复杂的问题，加之各DCS生产厂家情况不同、产品换型年代不同及划分产品年代(三四代)的观点也不同，所以这有待进一步商榷。关于控制站、操作站、通信网络的情况，留待下述几节论述。现先就应用和市场情况作一分析。
70年代中期，过程工业发展很快，但由于设备大型化、工艺流程连续性要求高、要控制的工艺参数增多，而且条件苛刻，要求显示操作集中等，使已经普及的电动单元组合仪表不能完全满足要求，在此情况下，业内厂商经过市场调查，确定开发的DCS产品应以模拟量反馈控制为主，辅以开关量的顺序控制和模拟量开关量混合型的批量控制(针对精细化工等行业的批量生产方式)，这们可以覆盖炼油、石化、化工、冶金、电力、轻工及市政工程等大部分行业。由于当时计算机并不普及，人们已习惯于常规自动化仪表的显示操作，所以开发DCS应强调用户可以不懂计算机就能使用DCS；同时，用户已习惯于在购置系统的同时配置自动化仪表，所以开发DCS还应强调向用户提供整个系统。此外，开发的DCS应做到与中控室的常规仪表具有相同的技术条件，以保证可靠性、安全性。
由此可见，当时DCS是与常规仪表中的二次仪表(控制室仪表)共同分享市场份额的。DCS先与成套设备配套，而后逐步扩大到工艺装置改造上，与此同时，也分成大型DCS和中小型DCS两类产品，使其性能价格比更具有竞争力。目前，世界上有数十家生产DCS的厂家，据ARC (Automation Research
Corporation)1996年统计，下述排名前10家的公司占到80%以上的市场份额：Honeywell(21.6%)、Elsag Bailay (12.6%，包括H&B公司)、ABB(9.7%)、Yokogawa (9.6%)、Foxboro-Eckardt (9.3%)、Fisher- Rosemount(6.0%)、Yamatake Honeywell(4.6%)、Siemens (4.0%)、Cegelec/AEG Automation system(ATT)(3.2%)、Westinghouse(3.1%)。
ARC把世界市场分成四大区，即北美、EMA(欧洲、中东、非洲)、日本、亚洲(日本以外)，其中亚洲(日本以外)的市场份额为：Honeywell(27.4%)、Yokogawa(12.6%)、Foxboro-Eckardt (11.4%)、ABB(8.1%)、Elsag Bailay (6.4%)、Cegelec/ATT(5.5%)、Fisher-Rosemount(4.8%)、Yamatake Honeywell (4.2%)、其他公司19.6%。世界市场的DCS分析如表所示。
ARC还对1997~2000年的市场进行了统计，如图1所示(其中，一套小型DCS为10万美元，30回路以下；一套中型DCS为50万美元，150回路以下)。1996年整个DCS世界市场为70.08亿美元，而2000年为96.37亿美元；按地区分，北美占29%，EMA占31%，日本占14.5%，拉丁美洲占4%，亚洲(日本以外)占21.5%。1996年亚洲市场为11.388亿美元，2000年为20.67亿美元。其中小型DCS市场，1996年为0.64亿美元，2000年为3.18亿美元；中型DCS市场，1996年为2.94亿美元，2000年为6.17亿美元。由上可知，亚洲DCS市场的增长是较快的，2000年约为1996年的1.8倍以上。
关于DCS应用行业的分布，以日本国内CENTUM系统应用实践为例(如图2所示)：化工(含石油化工)占50.74%，石油和天然气占15.73%，钢铁占7.72%，水处理(自来水厂等)占4.81%，有色金属占4.24%，纸浆和造纸占8.25%，其他占8.4%。当然这个比例与日本国情有关，如其中未计入电力。一方面是横河公司虽然在锅炉控制方面的应用实例很多，但总体而言，其产品并未进入火力发电行业。实际上日本电力行业应用DCS是比较多的，日本东芝、富士、三菱、日立等公司火力发电设备均由本公司产的DCS配套；日本贝利公司的DCS，在日本电力市场中占有率也较高。
日本是比较重视DCS发展的国家，横河公司在推出CS1000和CS3000之前，共生产1万多套DCS，其中CENTUM约为4000套，其余为uXl和YEWPACK、YEWPACK MARKII中、小型DCS，仅uXl就向中国销售2000多套。正是由于DCS产品的发展，带动了整个日本自动化仪表行业的发展，日本
内需与出口之比约为3:1(大型DCS)或3:2(中小型DCS)。
我国从70年代中后期起，首先由大型进口设备成套中引入国外的DCS，首批有化纤、乙烯、化肥等进口项目。同时国内开始自己研制和设计选用国外的DCS，经过20多年的努力，国内已有多家生产DCS的厂家，其产品应用于大中小各类过程工业企业，其中和利时、浙大中控、上海新华3家已具有相当规模。目前国外DCS产品在国内市场中占有率还较高，其中以采用Honeywell、横河两公司产品为多。国内应用DCS的行业以炼油、石化、化纤为多，已使用了700多套DCS，其他还有化工、冶金、电力、轻工等行业。我国石化行业应用水平较高，自动投运率在90%以上，维护水平也较高，目前正向充分发挥DCS性能和开展先进控制和优化的方向发展。我国DCS的市场增长率高，年增长率约为20%，据有关部门估计，DCS的年市场需求为30~35亿元，由于DCS在石化行业大型自控装置中近5年内没有可替代产品，所以今后几年其市场增长率不会下降。据估计，到2005年，我国石化行业有1000多套装置需要应用DCS控制；电力系统每年新装1000多万千瓦发电机组，需要DCS实现监控；并且不少企业已使用DCS近15~20年，需要改造和设备更新。所以，今后5年内，DCS作为自动化仪表行业主要产品的地位不容置疑，但必须进一步改善其功能，并兼容各种新技术，降低价格，提高应用水平。
二 DCS控制站
DCS系统中，控制站继承了DDC技术，它是一个完整的计算机，实际运行
中可以在不与操作站及网络相连的情况下，完成过程控制策略，保证生产装置正常运行。从计算机系统结构来说，控制站属于过程控制专用计算机，其特点是第一代采用8位微处理器，第二代采用16位微处理器，第三代采用32位微处理器，这对于中小型DCS控制器来说比较确切。大型DCS控制站对中央处理器要求较高，必须为专用的处理器，准16位和准32位运算方式；第二代DCS控制站采用精减指令系统(Reduced Instruction Set Computer, RISC)；第三代DCS控制站采用多CPU分别用于控制运算、冗余切换、通信等操作。
控制站作为一个完整的计算机，它的主要I/O设备为现场的输入、输出处理设备，以及过程输入/输出(P I/O)，包括信号变换与信号调理，A/D、D/A转换。它在第二代和第三代产品中已陆续采用了嵌入式技术，并采用单片机等完成量程调整、远程I/O数据传输、小型化、减少P I/O卡硬件规格等功能，直至连接智能化的现场变送器或接受采用现场总线技术的数字信号。在信号变换过程中采用隔离技术以防止来自现场的干扰信号，这是至关重要的；与现场连接的端子及输入、输出信号的物理位置的方便确认也是用户非常关心的。这些在DCS控制站的更新换代中，都有很大改进。在这方面，原来生产自动化仪表的厂家表现尤佳，所以说DCS是继承了自动化仪表技术的计算机系统。
关于DCS控制站的系统软件，原则上也有实时操作系统、编程语言及编译系统、数据库系统、自诊断系统等，只是完善程度不同而已。第一代DCS控制站的功能更近似于多回路调节器，而且每个控制站都可以配置人机界面和备用操作器；第二代DCS控制站的实时操作系统及程序编译系统比较完整，编程语言
有面向过程语言和高级语言，控制策略的组态由操作站或工作站在与控制站联机的情况下，完成编译和下装；第三代DCS控制站的系统软件齐全，操作站或工程师站可以完成离线组态及在线修改控制策略。
为了完成控制策略，实现对应功能模块及模块之间连接的功能，可构成反馈控制回路，这在3代DCS控制站中变化不大，而且是不断积累完善的过程，如PID算法等典型的数值计算就是如此。目前典型的功能模块有50多种，这是DCS 厂家的专有技术。对于顺序控制和批量控制组态编程，各种DCS控制站采用不同的方法，直到近年来才向IEC 61131-3编程语言标准靠拢。
DCS系统的数据主要来自现场的信号和各种变量，在控制站中表现为与工位号对应的相关测量值(PV)、设定值(SV)、操作输出值(MV)及回路状态等。这些数据被采集到DCS控制站相应的存储器里，构成实时数据。其他属于与工位号有关的组态信息，如量程、工程单位、回路连接信息、顺序控制信息等，也在控制站中存储，但同时必须在操作站或工程师站中存储，而且有映像关系。至于历史数据存储，一般不是在DCS控制站完成。
在完善DDC直接数字控制技术中，对A/D、D/A转换及控制算法，分别引入扫描周期和控制周期概念，在第二代、第三代DCS控制站中，扫描周期可以比缺省值的1s更短，如可以选用0.2~ 0.5s，以满足少数快速反应的控制对象的要求。
对于第一代、第二代DCS控制站，为了完成回路控制以外的顺序控制、批量控制及数据采集，分别开发了不同型号、规格的控制站产品；而第三代控制站因为其功能很强大，对开关量和模拟量处理能力很强，所以一般不做区分。大型DCS的一台控制站可以完成上百个回路的控制，其容错技术完善，可靠性、安全性强，所以“分散控制以消除危险”的初衷已很难体现。当然，对于一个有多套工艺装置和一个中控室的工厂，每套装置就近安装一台控制站的大系统来说，这也是一种分散型控制，只是对控制站的可靠性要求更高了。
中小型DCS控制站，以控制16~32回路为限，分散性较易为人们所接受。目前小型DCS所占有的市场，已逐步与PLC、IPC、FCS共享，今后小型DCS可能首先与这3种系统融合，而且“软DCS”技术将首先在小型DCS中得到发展。
控制站是整个DCS的基础，它的可靠性和安全性最为重要，死机和控制失灵的现象是绝对不允许的，而且冗余、掉电保护、抗干扰、构成防爆系统等方面都应很有效而可靠，才能满足用户要求。多年的实践经验证明，绝大多数厂家的DCS控制站是能够胜任用户要求的。
三 DCS操作站
DCS操作站具有操作员功能、工程师功能、通信功能和高级语言功能等，其中工程师功能中包括系统组态、系统维护、系统通用(Utility)功能。
实际的DCS操作站是典型的计算机，它与控制站不同，有着丰富的外围设备和人机界面。70年代中期，CRT显示器技术已成熟，以外部存储器温氏硬盘为特征，第二代DCS操作站还具有如下特点：操作站和工程师站(或称工作站)分开，也有公司将操作站的历史数据存储用硬盘(历史模件)和高级语言应用站(应用模件)分别独立挂在通信网络上；操作系统除采用DOS系统以外，有的产品采用Unix等操作系统；实时数据库储存性能逐渐完善；在人机界面方面，逐渐过渡为以GUI图形用户界面为平台并采用鼠标，组态时制作流程图和控制回路图等采用菜单、窗口、CAD技术等，使人机界面友好。第三代DCS操作站是在个人计算机(PC)及Windows操作系统普及和通用监控图形软件已商品化的基础上诞生的，面对用户要求的DCS系统应具有开放性、便于系统集成和操作、与Windows一致等。目前大多数DCS操作站已采用高档PC机或工控机，Windows NT(或Windows 98)操作系统，客户机/服务器(C/S)结构，DDE(动态数据交换)或OPC(用于过程控制对象链接嵌入)接口技术，以太网接口与管理网络相连。在采用通用监控图形软件(如iFIX、Intouch等)这一点上，各DCS厂家做法不一，有的以此为平台，形成“软DCS”操作站，这多用于中小型DCS，或以此类软件为核心，进行二次开发；大多数DCS厂家对原来的组态软件进行改造，使之符合上述特点，满足系统开放要求。操作站要实现其多项功能，必须完成数据组织和存储两方面任务，如与工位号相关的一些数据，在操作站中要对由控制站某端与现场仪表相连的、由物理位置而决定的工位规定工位号(即特征号或标签Tag)和工位说明(可以用汉字)，使之与工艺对象一致，以保证工艺操作人员的操作。工位号可以在整个DCS系统中通用。其他还有系统配置、操作标记、趋势记录、历史数据管理、总貌画面组态、控制站组态、工艺单元或区域组态等，这些均组
织成文件，最终形成数据库，存储在硬盘的相应区域，使数据具有独立性和共享性，保证数据的完整性和安全性。
DCS系统组态、操作站组态、控制站组态均有相应软件，为DCS用户的工程设计人员提供人机界面。在工程设计中，第一代、第二代DCS均采用先让DCS用户的工程设计人员填写工作单或绘制组态图(或称SAMA图)，再在操作站或工程师站上键入生成，形成应用软件，同时拷贝出软盘的方式。在第三代DCS中，逐步向无纸化和在PC机上完成工程设计的方式过渡。
操作员的操作主要依靠流程图画面和标准的总貌画面、分组画面等，采用标准键盘、鼠标和操作员专用键盘，这是DCS的特点，要经过专门培训才能被工艺操作人员接受。在多屏幕的情况下，操作的最后有效原则、各屏幕画面等同化显示及按工位号调用或按专用键调出画面的速度或画面定时刷新问题，报警按时序显示记录问题，都陆续得到解决。操作站死机现象时有发生，当然这与DCS制造工艺、用户使用操作等都有关系，但从操作站的操作系统上解决问题才是彻底的方法。目前，这个问题已经不严重，但要彻底解决，还有待时日。
四 数据通信及网络
在DCS系统诞生时，主要解决一个生产装置中几个控制站和一个或几个操作站之间的数据通信问题；第二代DCS则解决多个装置的DCS互联问题；第三代DCS则解决一个工厂的多个车间互联及与全厂计算机管理网络互联的问题，
这是总的设计思想。
在实际应用中，如石化行业，DCS一直多用在一个生产装置范围内的多机通信系统中，而且控制站和操作站均集中放置在控制室内。电力行业、冶金行业、自来水行业则将控制站分散放在楼上、楼下、生产线上或分散的地域处，与集中放置操作站的控制室总距离一般也多在1km以内。由于计算机网络系统技术的发展，全厂各生产车间用DCS 的通信总线相连的实例较少，所以在第三代DCS中DCS通信功能的发展是与全厂管理网络(以太网)技术相融合，逐渐实现通信网络由多重结构向扁平化过渡，所以，第三代DCS的通信系统特点是具有开放性。
DCS系统的规模与通信能力有关系，但是用这作为划分第一、二代DCS的方法还不妥，应该说第一、二代DCS的信道和传输速率有变化，即第一代DCS采用双绞线信道或同轴电缆，速率在1Mb/s以下，第二代DCS采用同轴电缆或光纤，通信速率为1~10Mb/s。也有人认为，第一代DCS通信为数据高速公路，第二代DCS通信为局域网。有些DCS厂家还把DCS系统构成多种总线互联的结构，如Honeywell公司把70年代的DHW(Data High Way)总线经HG与LCN相连，UCN总线经NIM与LCN相连，近来又将LCN改造成TPN (TPS过程网络)，这样同时解决了70、80、90年代产品的互联问题，既保证了系统的扩展性，又保护了用户的初期投资。
至此，已经看出DCS通信问题的复杂性，在70年代中期，数字通信已开始
普及，但仅限于电信行业，工业用户迫切要求成套地提供DCS系统，而当时只有一些大的计算机厂家提出数据传输规程(协议)，并无统一的数据通信标准，所以各DCS厂家都以专利形式发表(或购买)DCS通信技术。因为数据通信标准牵涉到网络结构、通信介质(信道)、通信协议、不同用户行业的行规等方面，所以直至目前也没有工业(或过程工业)网络的完整的统一标准。当然到目前为止，IEEE802.4令牌总线传输方式和IEEE802.5令牌环网传输方式的通信协议在DCS系统中应用最广；国际标准化组织(ISO)提出的开放系统互联(OSI)参考模型即ISO/OSI 7层模型，规定了通信过程分段和网络功能分层，这是我们讨论DCS通信标准化或开放性的共同语言，仅此而已！这使人们想起了近来通过的IEC 61158标准中包括了8种类型现场总线的现实，再想想现在第三代DCS通信均有向以太网开放的趋势，所以也不必为DCS通信所走过的道路而婉惜了。
说到开放性，它的基本特征是开放系统应具有可移植性、互操作性、广泛性和可得可用性，拿这个特征来衡量以太网及它形成的Internet和Intranet，可以说它基本具有开放性。所以目前DCS应该在与其互联上下功夫，使之在系统集成的大环境下，摘掉DCS“孤岛”的帽子。
在DCS 中采用数字通信技术，还有在控制站内采用站内通信总线及远程I/O总线，以及在第三代DCS的控制站内增加了连接PLC、分析仪和现场智能仪表的接口卡，使DCS与现场仪表之间的接线减少，并对现场仪表进行设备管理，这为DCS向下兼容并与现场总线通信技术融合打下基础。
五 今后发展的几个问题
到目前为止，对于DCS所存在的问题，有3个方面的意见是一致的，即系统开放性问题，与现场传感器、变送器、执行器的接线问题，价格较贵问题。这些问题在第三代DCS中已开始得到解决。在21世纪，新一代的DCS应满足用户这方面的需求。
关于开放性，除去通信问题以外，操作系统、数据库、人机界面、控制策略的组态等方面，都有开放性问题，所以随着技术进步，DCS的开放性会逐渐加强，而且还应发挥其特色，使分散型计算机控制系统，从传统DCS中解放出来。当务之急是要使DCS与CIPS系统的调度层、管理层、决策层(辅助决策层)进行无缝连接，将DCS的相关信息上传，使其实时数据库、历史数据库为上述3层所共用，避免重复建库，为先进控制和优化建好平台，与上层的关系数据库共享数据，真正实现管控一体化。
关于现场接线，这是一个更为复杂的问题。首先现场总线标准正处于完善的过程；其次智能式现场变送器、执行器还不普遍；关于防爆技术与现场总线技术相结合，如何走向实用，还有待努力，如目前在本质安全防爆技术中，热电偶、热电阻及相关补偿导线等，经齐纳式安全栅与DCS控制站或控制站的远程I/O站相连，优于两线制温度变送器或现场总线温度变送器；另外，彻底分散的控制策略，在现场总线控制系统(FCS)技术中已作为主要选择，将会使与DCS控制站的相对集中的控制策略的互相融合产生困难，而有些行业，如石化行业的生产
装置比较集中，现场检测元件分布比较集中，对彻底分散控制要求则不强烈等。
总之，DCS如何解决现场接线繁杂、DCS控制站控制比较集中、FCS与DCS控制站的相互关系、智能控制、先进控制与优化如何在DCS、FCS中实现等问题，都有待在技术创新和实践中逐步统筹解决。
关于价格，当然应从性能价格比、产品生命周期及用户根据实际生产装置的自控要求对DCS进行选型、工程费用、维修费用等方面综合考虑。更重要的是目前PLC系统、工控机系统(IPC)的价格都是以廉价著称，所以DCS厂商在这方面面临的形势很严峻，今后5年虽然DCS可以生存，但应在降低成本、减少维修费用、发展远程诊断和维护及完善服务体系等方面多下功夫，应对以直销为主的方式进行修正，即让更多的同行能参加到DCS应用的行列中来。
DCS在我国的应用情况基本上是好的，能保证过程工业的稳定生产。但应用水平不高，大多数用户对DCS的应用，停留在取代常规控制的水平上，统计表明，实际应用中DCS的功能仅发挥30%以下。要做到DCS“物有所值”，应在如下几方面努力，即在开车后日常使用中逐步改进控制方案、完善人机界面、为工艺人员提供分析用的历史数据、加强DCS机器的日常维护和大修点检、清扫等，切实做到减员增效；在DCS系统已完成的自动化基础之上，进一步开发先进控制和优化技术，以发挥更大效益(注：在DCS基础上实现先进控制，只需增加10%的成本，就可得到40%的效益；在先进控制的基础上，增加实时优化，成本只需增加10%，就可进一步获得40%的效益)。
在DCS应用行业分布上，钢铁厂由于工艺对象种类多、各工序工艺技术差别大及“三电”一体化要求迫切，自来水厂及污水处理厂由于工艺对象物理位置分散、机电设备多、模拟量控制回路少，所以近年来DCS在这些行业中的市场占有率下降，目前PLC已成为其主要选型对象，当然PLC的价格低也是原因之一。如对DCS产品进行改造，是可以保持其在这些行业中的地位，如西屋公司的WDPF Ovation系统。现在已经不是“制造厂造出什么DCS，用户就用什么”的时代了，买方市场已经到来。
从目前产品生命周期集成技术出发，应对TQSCE(产品开发周期、质量、成本、服务、环境)进行全面考虑，对DCS、PLC、IPC以及CIPS系统进行综合分析，对过程工业、制造工业、智能建筑、城市设施、交通运输、商业物流等各行各业不同层次的自动化的需求进行综合分析，对信息产业发展的经验进行借鉴，作出有效的思考和行动，使DCS技术能够得到继承和发扬，使自动化行业能健康有序地发展，创造出新一代的DCS，为人类造福。
写到这里意犹未尽。DCS经历了25年历程，在20世纪80年代有两件事值得一提。某国的Y公司曾兼并了H公司，Y公司的领导说不是看重H公司的产品，而是看重了H公司的技术力量；又有一个跨国公司，有一段时间，由于其DCS处于整顿阶段，不得不从另一国家抽调一批技术人员(属其子公司)去参加攻关，经历数年，该公司的DCS产品又得到了发展。
这两例说明，技术队伍对开发DCS是多么的重要。若把开发DCS作为系统工程，确切地说其中有软件工程，我们应开发有自主知识产权的DCS系统软件。我国DCS产业已初具规模，应该从长计议，关键是形成一支专业化的、有创新能力的、适应市场经济的队伍，使我国DCS制造业进一步健康成长。
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：《DCS操作站》
复。
DCS系统包括三大部分：带I/O部件的控制器、通讯网络和人机接口．人机接口包括操作站、工程师站和历史站。控制器I/O部件和生产过程相联接，操作站和人相联系，通讯网络把这两部分联成系统。所以操作站是DCS的重要组成部分，工程师站给控制器和操作站组态，历史站记录生产过程的历史数据。 一个DCS系统控制器和I/O部件通常可以运行16-20年，而操作站因为有活动部件，还有一些相互的电磁干扰，所以比较容易损坏，如：硬盘、键盘、CRT、软驱等，运行6-8年后出现故障的概率就比较大，据初步统计最长的也只能运行十年左右。所以在DCS运行过程中，更新操作站的情况比较多。
DCS的控制器的变化较小。其变化表
现在控制算法的安排、控制算法的多少，存取的 I/O点数的多少和内存的大小等，它随着硬件的进步而做相应的更改，操作系统一般都是专用的。操作站的变化就很大，八十年代以前的操作站，一般没有硬盘及动态流程图，能显示的标签数比较少，例如500个标签（标签指的是AI、DI、回路、开关量的逻辑关系等），八十年代出现了能显示5000个标签的操作站，九十年代出现了能显示30000个标签的操作站，同时，也出现了在微软的NT通用平台上运行的通用显示软件，开始，通用软件只在PLC的操作站上使用，后来也逐渐应用在DCS上，它的标签量可以达到10000个。
DCS操作站发展的过程（以BAILEY的操作站为例）如下：
一．八十年代初，N90的操作站是OIU系列，当时是无硬盘、无动态流程图的，标签量500。后来增加了硬盘和流程图，标签量1400-5000点。八十年代中期推出了MCS系列，标签量10000，特别是MCSPULS，它是SCSI接口，可以有30000个标签点，当时在DCS市场上处于领先地位。1986年，BAILEY产品
占世界DCS市场的1/3。到1988年，共有8500套在世界各国运转。到了90年代，DCS市场争夺激烈，BAILEY无论在技术上还是在销售方面都不象80年代那样令人瞩目,于是BAILEY公司欲通过收购FISCHER&PORTER、HARTMANN&BRAUN等公司销售他们的系统来重铸辉煌。
BAILEY的控制器和通讯网络都比较好，但在操作站上面，不能与竞争者相比，BAILEY最新的操作站是以WINDOWS NT、通用微机为基础的Conductor NT。实际上，该操作站不是为INFI-90开发的，它是
FISCHER-PORTER的系统6的操作站，用它的监控软件嵌入和INFI-90通讯的驱动软件而成。由于销售量不大，磨合的机会少，问题比较多，死机现象严重。OIS40系列的操作站运行在DEC的VMS平台上。实际上，它仍然是在MCS操作站的MTOS操作系统平台上，开发了一个与VMS通讯的驱动软件，因为80年代的OIU和MCS在80年代末都已经停止销售。BAILEY只卖OIS20系列和OIS40系列。 OIS20系列是90年代初推向市场的，
它本质上是MCS，但它们能与INFI-90通讯。它的开发、制造成本都比较低，性能也比较好。OIS20系列的辅站不是用网络来传输信息的，只是在主站上多加了1块显卡来实现辅站的功能。后来因维护成本很高，硬盘和软驱都难以买到，用户反映不太好。
继OIS20系列，BAILEY公司推出了OIS41、OIS42，在操作站之间增加了以太网卡，组成后门网络，可以实现打印机共享。把图形传给不同主站的能力也有所增强，也给用户提供了开发打印系统的空间，这是后话。由于OIS40、OIS41、OIS42主机性能较差，所以操作站的性能提高不明显。直到OIS43 Alpha芯片的出现，性能才得到提高。
同时，加拿大BAILEY公司开发了PCV，它是以PC为基础的操作站，采用QNX操作系统。因为它的标签量较少，价格低廉，运行稳定，故适用于小系统的使用，这就是BAILEY的OIS10系列，版本5以前，只有文本没有图形。版本5以后既有文本也有图形。OIS11操作站后门之间用ARCNET联网。OIS12既可用ARCNET也可用以太网联网。
由于OIS40系列软件结构复杂，故价格较高，更重要的一点是DEC公司被COMPAQ公司兼并，Alpha机255/233停止生产，这给BAILEY公司和用户无疑是雪上加霜。 二. 八十年代中期，因为PLC操作站的开发都不太成功，一些软件公司就开发了通用的监控软件，且很快就被PLC制造厂家所采用。如：FIX、INTOUCH、ONSPEC等（一共有上百种），由于市场前景较好，所以软件开发商又开发了许多PLC的驱动软件。到了九十年代，又开发了DCS的驱动软件。最早采用通用工控监控软件的是MOORE公司的APEC系统，它既可以用INTOUCH也可用FIX，以FIX软件为基础的操作站也应用在Fisher Rosmont DeltaV and Toshiba DCS系统上，由于INFI-90系统在九十年代一直没有推出比较优秀的操作站，故PREVISE公司推出了OPsCon操作站。 OPsCon操作站运行在PC硬件平台，NT操作系统下。把FIX作为监控软件，并开发了能与多种DCS通讯的对应驱动软件，标签量为10000个。因为FIX软件在世界各地已经销售了90000套，它与各种PLC、DCS和NT系
统磨合较好，这种监控软件只要开发出多种PLC、DCS的驱动软件就可以成为通用操作站。2000年开始应用在INFI-90系统上。如：新西兰的一家造纸厂，原来已经运行有CONDUCT NT，后来还是改用OPsCon。
通用操作站的功能不仅具备专用操作站的功能，如：绘制动态流程图、报警、实时趋势和历史趋势，DCS参数调整、模件诊断、模件编程等。如：OPsCon的工程师站新增的功能在于不仅能给模件编程，还可以读取模件的编程。通用操作站的出现，给DCS用户带来了以下方便：
１、不必再为原DCS生产厂家是否倒闭、被兼并。该型产品是否已经停产、备件是否能够找到而操心。
２、由于通用操作站的适用面广，相对生产量大，成本下降，因而可以节省用户的经费。维护费用也比较少。 ３、采用通用系统要比使用各种不同的专用系统更为简单，用户也可减少人员培训的费用。 ４、更新和升级容易。
５、开放性能好，很容易建立生产管
理信息系统。
因此，通用操作站是DCS的发展方向。 张新薇教授
：《DCS在选型中的几个问题》
被控制对象确定以后，选用什么样的控制系统就成为重要问题。主要是根据项目规模和投资预
的模拟仪表组成的控制系统，从工程项目的实施来看，本质差别不大，主要考虑项目规模和投资预
要求更高，下面我来谈谈DCS系统选型中的几个问题。从理论上来讲，DCS可以用与不同的工艺
一领域。如：HOMEYWELL主要用于石化部门，BAILEY公司的N90、INFI90主要用于电力系统
但也不能否认不同工艺过程会有一些特殊要求，如：电厂一定要有电调设备和SOE，石化部门一定偿等，选型时也要考虑这些因素。
第二点就是经济性，应该从DCS本身价格和预计所创效益角度考虑。DCS有国产的和进
一些先进的控制算法，如Smith预估、三维矩阵运算等，国产DCS价格要比进口的低很多，也能
厂家差别不太远，控制器的预置算法稍有差别，控制器与I/O板的连接方式也有所不同。而操作站
的，操作系统一般选用UNIX类系统。小型机的价格要比PC机高很多，进口小型机操作站的价格
司的VAX机和α机）。PC机的操作站不到三万美金，它的操作系统采用NT，其稳定性没有UN
倍之多。以NT操作系统作为操作站的，点数要少一些，不然会频繁死机，国产的PC机更便宜得
人员对软件的安装、调试、联网和开发也要熟悉得多。监视软件有专用的也可以用通用的，通用的小和预算资金来选择使用。
DCS比较贵的原因，除了上述理由外，还有控制器的电源系统，通常采用冗余供电，电在这方面差别比较大。
把控制器和操作站联系起来的通讯网络也要考虑，如果采用通用的以太网，则网卡等价格金。
因此，经济性与很多因素有关，有时外商给你报价降下来，实际是改变了一些结构而已，可取的办法是联系国内类似的单位和请教有经验的专家。
第三点就是承包方的技术力量，也就是承包方对哪一工艺过程和DCS本身比较熟悉。如他对活套的控制、卷曲的控制和张力的控制等就不太熟悉，做的工程就不会太好。如果承包方对
少工厂都购买了不同厂家的DCS系统，我们称之为“八国联军”状态，此时更要选择技术力量比较强
第四点是售后服务，国外厂商通常情况下配品、备件供应价格高，且不能及时提供。DC
术支持好的厂家。计算机技术发展很快，DCS厂家也会不断更新它的产品，新旧产品兼容性要好损失。国内的DCS厂家配品、备件供应比较及时，售后服务方面做的也比较好。
第五点是关于DCS的技术先进性，指系统采用了经过验证的最新技术，并有发展前途和
用，第三方软件的支持等。这里要注意的一点是：有些厂家为了占领市场，把一些不成熟的产品推
的厂家把不太成熟的小型系统推到用户，结果这270多套系统基本都已经提前退役。早在1983年
控制器的输出是任意的，此时阀门的位置就很危险，这种产品本不能出厂，但还是卖给了我们国家
总之，DCS从七五年到现在已经有二十多年的应用历史了，可靠性方面基本都能达到要
主要考虑项目规模和投资预算，还要考虑到一系列其它的因素，选型是否恰当往往从一开始就决定
张新薇教授
：《第九讲 DCS的通讯网络》
早期的DCS的通讯网络都是专用的，DCS有几级网络，完成不同模件之间的通讯。究竟做
有关。从目前的情况来看，DCS的最多网络级有四级，它们分别是现场总线、I/O总线、控制总线
（DCS网络结构图）
I/O总线，它把多种I/O信号送到控制器，由控制器读取I/O信号。这称为I/O总线。I/O板相
从几十K到几兆不等。这与计算机技术的发展情况有关。80年代初是20K，80年代中期是40K、
最好是并行总线。采用并行总线，其I/O模件必需与控制器模件相邻。采用串行总线的情况下，I/
把控制器模件和I/O模件装在一个机柜内或相邻的机柜内。远程I/O应该采用现场总线。如CAN、
年代初发展起来的。在I/O板中从硬件来说应该有能接收现场总线来的信号的输入、输出板。从软
号的功能块。在DCS系统中，远程I/O采用HART总线比较多。比如现场的变送器，离控制器机
一组，用HART总线把信号送到控制器，空制器同时读进16个变送器来的信号。控制器和变送器
口的DCS系统中，几乎都有HART协议板。实际应用中，远程信号是比较多的。如水泥厂，回转
络上设两个结点，需要两套结点的接口模件，接口模件的费用比较高，如果设一个结点，在地理位采用远程I/O。
第二级网络是控制器之间的通讯，把完成不同任务的三种控制器连在一条总线上，称为控制总
制。在这一条总线上除三种不同的控制器模件以外，还有DCS网络的接口模件。在控制总线上，
之间的结合很好。控制总线不是每一种DCS系统都有的，可以把各种控制器分别连到DCS网络上
制总线的速率情况与I/O总线的情况相类似。通常是几十K到几兆之间。当CPU和存储器的能力
功能都在一个控制器中完成。在控制总线上就只有一种形式的控制器。其协议采用载波监听，广播
第三级是DCS网络。它把现场控制器和人机界面连成一个系统。为了确保通讯成功，DCS生
成冗余的。一条网络发生故障，另一条备用网络立即投入运行。备用方式各种DCS有别。如美国余两环信息正向和反向同时运行。有的系统一个环在运行，另一个等待。
连在DCS通讯网络上的部件称为结点（节点）。在地理位置上，结点可以分散配置，各结点
传输速率在几百K至一百兆之间。10兆是常用的速率。DCS网络的总长度可达几公里，最短也有 三种总线的通讯协议是由各DCS生产厂家自行开发的，通讯协议是不公开的。
DCS网络的结构形式大致是三种，分别是总线形、环形和星形。星形结构通常只用于小系统。
问询式协议的网络要有交通指挥器。所有人机界面要向控制器请求数据时，必需通过交通指挥器，
能发送信息给人机界面。如HONEYWELL的TDC2000，FISHER的PROVOX，都有交通指挥器
交通指挥器。它只能连接一个人机界面的结点。把它作为操作站。网络的覆盖面也比较小。由一些
令牌广播式由一个结点发出一个令牌(令牌是特别的比特组，比特组内无源地址和目的地址)，令牌
个特定位，将令牌变成一信息帧的帧起始定界符，加挂上构成一帧所需要的其余字段以发送信息，
到帧的目的地址与本站地址相符时，就接收该信息帧（目的结点）。同时转发该帧，直到该帧回到
令牌。这种协议的特点是持有令牌的结点才能发送信息。令牌广播式协议的网络中，可以连接多个
每一个结点都有机会发送信息。如美国BAILEY的INFI90 90是令牌广播网。存储转发协议是一个
息，必需先存下来，如果自己要，就可以接收下来，如果不需要，就把它转发出去。直至到需要这才释放这个信息。这种协议用于环形网络中。这种环形网络可以长达几公里。如美国BAILEY的
管什么结构形式的网络，连到网络上的结点的总数是有限制的，至于什么样的结点，有几个，它是
在DCS网络中，数据传输是以信息帧的形式传输的。它是同步发送星息。半双工发送。双工发
信息尾（尾旗），信息帧中紧跟首旗的是地址，其中包括信号发出的结点的源地址，如结点号、模
址，如结点号、模件号和功能块地址。信息帧的中间是数据，再后面是校验。校验最多的是采用循
检错和纠错码。数据在传输过程中，可以是一帧，也可以是两帧，如果是两帧，头帧是旗，第二帧节。采用存储转发协议的网络中，当一个结点发生故障时，把这个结点旁通，让信息通过。 张新薇教授
：《第十讲 数据采集系统和 软DCS、软PLC》
数据采集系统只是把现场信号采集到控制计算机中，在计算机中没有回路控制功能块。只是供
再硬件结构吧上它可以分成三级，也可以是两级。分别是I/O板、控制器和人机界面。简单的可以
有一些特殊要求。如电厂的控制系统往往把锅炉控制和数据采集系统分开。锅炉控制采用DCS，
国际上也有许多厂家生产数据采集系统。在一般情况下，数据采集系统在技术上是没有问题的，但
一些点需要记录事件顺序。有快速中断功能（通常是2豪秒）。这样的点数量不多，大约100点
是毫秒级的。它的难点是事件顺序记录（SOE）。在输入板应该有存储历史数据的功能。当人机
序显示出来。SOE(SEQUENCE OF EVENT)有专门的厂家制造。一些专门用于电厂的DCS系统
应用比较多的数据采集系统是美国的OPTO22产品，一路一个小模块，分别有开关量（DI、
共有不同电压等级等42种小模块供用户选择。使用时，把小模块装在一块大板上（即B1板、B
块/块板，B1、B2板上除这些小模块外，还有串行通讯口。再把这两种板安装在一个架子上，再
的人机界面在WINDOWS平台上运行。安装有带MODBUS驱动软件的监控软件，以前用PARE
用FIX、INTOUCH，人机界面就可以读取从小模块来的I/O信号，并在CRT上显示出来。在美国
它与STD总线的产品同一档次。STD总线的产品由于使用时用户的工程量太大，所以逐渐在退出
在一些纯采集的系统中，OPTO产品应用较多。主要优点是维护量少。如果需要有闭环控制
机（LC4）的控制器，在控制器中有一些功能块，可以组态各种控制策略。一般情况下，因为功能I/O点的大控制系统采用OPTO22的还比较少。
OPTO开关量的小模块应用最多的是作为DCS开关量输入模件的隔离模块。使DCS本身免国产的模块用户反映也很好用，但价格不到进口的一半。
九十年代初，由于计算机技术的发展，有人提出普通微机（PC机）已经很成熟，无论是运算
分前后台操作。DCS还是PLC都不需要控制器，把DCS和PLC控制器中的功能码、梯形图移植
植相当困难。由微机直接与I/O板相连。因为控制算法已存在PC机内，PC机既作为人机界面，又
软PLC。美国AB公司就有软PLC。各PC机之间用以太网连接。到目前为止，应用仍然不太广SOFT PLC
张新薇教授
：《DCS最新操作站--通用操作站》
DCS系统包括三大部分：带I/O部件的控制器、通讯网络和人机接口。人机接口包括操作站
件和生产过程相联接，操作站和人相联系，通讯网络把这两部分联成系统。所以操作站是DCS的
操作站组态，历史站记录生产过程的历史数据。最近几年开发的人机界面还有动态数据服务器。
一个DCS系统控制器和I/O部件通常可以运行16-20年，而操作站因为有活动部件，所以比
软驱等，运行6-8年后出现故障的概率就比较大，所以在DCS运行过程中，操作站更新的情况比
DCS的控制器的变化较小。其变化表现在控制算法的安排、控制算法的多少，存取的 I/O点
一般都是专用的。操作站的变化就很大，八十年代以前的操作站，一般没有硬盘及动态流程图，
标签（标签指的是AI、DI、回路、开关量的逻辑关系等），八十年代出现了能显示5000个标签的操
个标签的操作站。同时，也出现了在微软的NT通用平台上运行的通用显示软件。开始，通用软件逐渐应用在DCS上。它的标签量可以达到10000个，甚至更多。 DCS操作站发展的过程（以BAILEY的操作站为例）如下：
一．八十年代初，N90的操作站是OIU系列，当时是无硬盘、无动态流程图的，标签量500
1400-5000点。八十年代中期推出了MCS系列，标签量10000，特别是MCS PULS，它是SCS
时在DCS市场上处于领先地位。1986年，BAILEY产品占世界DCS市场的1/3。到1988年，共
年代，DCS市场争夺激烈，BAILEY无论在技术上还是在销售方面都不象80年代那样光辉。于是
FISCHER&PORTER、HARTMANN&BRAUN等公司销售他们的系统来重铸辉煌。
BAILEY的控制器和通讯网络都比较好，但在操作站上面，不能与竞争者相比，BAILEY最新
微机为基础的Conductor NT。实际上，该操作站不是为INFI-90开发的，它是FISCHER-PORT
件嵌入和INFI-90通讯的驱动软件而成。由于销售量不大，磨合的机会少，问题比较多，死机现象
DEC的VMS平台上。实际上，它仍然是在MCS操作站的MTOS操作系统平台上，开发了一个代的OIU和MCS在80年代末都已经停止销售。BAILEY只卖OIS20系列和OIS40系列。
OIS20系列是90年代初推向市场的，它本质上是MCS，但它们能与INFI-90通讯．它的开发
OIS20系列的辅站不是用网络来传输信息的，只是在主站上多加了1块显卡来实现辅站。后来因到，用户反映不好。
继OIS20系列，BAILEY公司推出了OIS41、OIS42，在操作站之间增加了以太网卡，组成后
形传给不同主站的能力也有所增强，也给用户提供了开发打印系统的空间，这是后话。由于OIS4
以操作站的性能提高不明显。直到OIS43 Alpha芯片的出现，性能才得到提高。同时，加拿大B
为基础的操作站，采用QNX操作系统。因为它的标签量较少，价格低廉，运行稳定，故适用于小系
系列，版本5以前，只有文本没有图形。版本5以后既有文本也有图形。OIS11操作站后门之间用A也可用以太网联网。
由于OIS40系列软件结构复杂，故价格较高，更重要的一点是DEC公司被COMPAQ公司兼给BAILEY公司和用户无疑是雪上加霜。
二.八十年代中期，因为PLC操作站的开发都不太成功，一些软件公司就开发了通用的监控软
用。如：FIX、INTOUCH、ONSPEC等（一共有上百种），由于市场前景较好，所以软件开发商
了九十年代，又开发了DCS的驱动软件。最早采用通用工控监控软件的是MOORE公司的APE
用FIX。由于INFI-90系统在九十年代一直没有推出比较优秀的操作站，故PREVISE公司推出了
OPsCon操作站运行在PC硬件平台，NT操作系统下，把FIX作为监控软件，并开发了能与
签量为10000个。因为FIX软件在世界各地已经销售了90000套，它与各种PLC、DCS和NT系
多种PLC、DCS操作站上。在INFI-90系统上应用已经有几千台。如：新西兰的一家造纸厂，原还是改用OPsCon。
通用操作站的出现，给DCS用户带来了以下方便：
１、 不必再为原DCS生产厂家是否倒闭、兼并，该型产品是否已经停产、备件是否能够找
２、 由于通用操作站的适用面广，相对生产量大，成本下降，因而可以节省用户的经费。维
３、 采用通用系统要比使用各种不同的专用系统更为简单，用户也可减少人员培训的费用。 ４、 更新和升级容易。
５、 开放性能好，很容易建立生产管理信息系统。 因此，通用操作站是DCS的发展方向。 张新薇教授
：《第九讲 回路控制器和DCS系统》
七十年代，因为在现场工作的仪表工程师们对数字控制不太熟悉，希望数字控制的仪表面板作
这样就可以不改变操作习惯，另外也是为了危险分散，因而就出现了回路控制器。如HONEYWE
FOXBORO公司的SPEC 200和日本北辰(后与横河合并)的HOMAC系列表，在面板上有过程变
出（CO）的棒图，指针式显示的过程值,手/自动切换、报警确认等。这种能完成以PID为基础的
个或两个回路（两个单回路）。当时有人为了不与可编程序逻辑控制器（PLC）混淆，称这种仪
年代出现了双回路(可作两个串级回路)、四回路的控制器、32路数据采集器以及无纸记录仪等一留棒图和手/自动切换，用数字显示代替指针显示，这些数字仪表统称为回路控制器。
到目前为止，这种仪表种类很多。最有特点的是能与上位（即人机界面）通讯组成一个系统
连，I/O可以根据需要扩展，它内部的算法预先用程序作成功能块的形式，存在ROM中。可以按
态（不是编程）。如美国MOORE公司的353产品有80多块功能块，通过组态路图实现控制组
相连，人机界面的监控软件既可以用IFIX、也可以用INTOUCH。因为这两种软件都有这种可编
监控软件只要有这种可编程序调节器的驱动软件，同样可以作为这种系统的监控软件。否则连不
2个AO，也就是能完成2个PID回路的控制。如果要增加控制回路，就要采用现场总线，因为它
以把LONWORKS的模块连到该总线上。在组成系统时，要进行软件捆绑。为了数据安全，在表
种系统见图一。又如FOXBORO公司和SMAR公司的回路控制器，它有多回路的。并且还有与可所以在我国应用也比较多。
有几个模拟量的输出，就称为几回路的控制器。模拟量的输入可以多于模拟量的输出。另外还输出。
另一类是不能与现场总线相连，它的I/O点数不能扩展，但它也能与 上位通讯组成一个系统
HONEYWELL 公司的UDC、FOXBORO公司的另外的产品，费希尔的900系列、日本横河、富
有类似的产品。最有代表性的产品是香港欧陆的系统6000，采用英国多家厂商的回路控制器，美
监控软件，由香港人集成成为S6000系统。。由于它有良好的销售网络，在大陆应用很为广泛。
可以用铺天盖地来形容产品之多的数显表是把PID算法作成固定的，只要把过程变量（PV）
进设定，表就能输出控制量（CO）。也就是说，一个仪表只有一个功能块，就是PID，这样的产
千野的表，香港朝辉，国内天辰、天津仪表厂、沿海各省的仪表厂等都生产这样的产品。国内有时
品的外观见图三。它的功能非常单一，一块表只能完成一个功能。特点是不能组态。每一块表的
口的也需4000元左右。
总的来看回路控制器的输入、输出点数很少。如果有几百个I/O点，完成几十个PID回路的
一个外壳和带棒图显示的面板，相对于可插模件来说，其价格就高多了。另外它的功能块相对于
因为它的内存较小，特别是当既有很多的模拟量采集量、又有开关量并且还有高级运算，用回路
上位来显示，又感到不太直观。由回路控制器集成的系统，加上以CRT为基础的人机界面，其价
多了。还有一个缺点，回路控制器组成的系统一般采用MODBUS与人机界面相连，只能采用星
于电厂需要冗余操作站来说，这就是一个缺陷。所以它只适用于比较小的系统，即I/O点数比较少
象中。如生产抗生素的制药厂就比较适用。另外，特别是对于一些化工企业，经常用于户外操作
的旁路系统，采用它们也比较合适。也就是说它也占有一定的市场份额。它们的设计原理与DCS
制器和它相应的手操站合在一起，就是可骗程序调节器。所以说回路控制器是DCS系统中的一个分
对于DCS、PLC和可编程序调节器等都是计算机控制系统，它们的共同点是其基本结构相似
的，只是随着系统规模的大小和被控对象的差别有一些区别。要把现场信号读进控制系统，首先
如果传感器不是一个，它的信号线多了，并需要作一些信号预处理，这时就要端子板。模拟信号
入板。经运算后输出，要把数字信号转换成模拟信号，需要输出板，然后到端子板。最后将信号
通讯技术的发展，控制系统中只有运算部分（即控制器）是可以讨论的，如果采用基金会现场总
运算的功能块分别存到传感器和执行器的存储器中。组态时通过网络去调用。目前由于开发的功
利益的限制，这种总线应用还不够广泛。FISHER-ROSEMOUNT公司为现场总线作了许多工作。
比较大的系统，一定要有以CRT（或液晶显示器LCD）为基础的人机界面，用起来才会比较少、用起来又比较方便、功能比较全的系统才是合用的。 张新薇教授
：《DCS、工业以太网、管控一体化和价值网(转载)》 本论题共有11人回复。
本文作者夏大鹏先生，北京和利时系统工程股份有限公司总工程师助理。 关键词：DCS 工业以太网 管控一体化 价值网
一 DCS的过去、现在和未来
1. DCS的历史沿革
国外从1970年开始研制DCS，到1975年前后各家公司的分布式综合控制系统(DCS)不断出
公司的TDC-2000为代表，日本以横河电机的CENTUM为代表，揭开了DCS时代的序幕。当时下优点:
(1)可靠性提高。在系统的组成部分出现故障时，系统仍能维持工作(可能会降低某些性能)。
(2)设备、通信、配线费用低廉。在当时，购买多台微型计算机的费用远低于一台中小型计算资源的共享本身就意味着系统成本的降低。
(3)系统的性能提高。DCS使较集中的计算机控制系统能达到较高的性能。
(4)系统的模块化。模块化使得DCS实施起来简便，在当时也减少了软件的复杂性。
(5)设计、开发、维护简便。
由于DCS有上述突出优点，使其在国际上受到普遍的重视。1975年，国际自控联(IFAC)第
计算机分布控制系统的概念，并于1979年起每年召开一次IFAC组织的DCS会议，交流经验，发展起了很大的推动作用。
2. 当代先进DCS的特点
为方便阐述，本文以和利时公司的SmartPro为例进行讨论。
a. 现场总线
SmartPro具有灵活的产品形态，整个控制系统完全基于现场总线技术，全面支持Profibus-D
总线，可以灵活地接入各种现场总线仪表，如传感器、控制阀和其他执行器，为管理者提供可预
工业过程控制的发展趋势是系统的开放性和设备的互操作性。传统的专有DCS是昂贵的，其
成本高昂。用户日益需要开放的应用系统，以便易于维护并可由其他公司提供系统的替换产品。
附图中展示了DCS的演变， 现场总线已经使DCS的产品形态部分地发生了变化，PID功能现场智能装置中。
b. 开放的标准OPC
OPC基于微软的OLE(现在称为ActiveX)、COM(组件对象模型)和DCOM(分布式组件对象模
用于过程控制和制造业自动化应用领域的标准接口、属性以及方法组成。ActiveX/COM技术定义
才能交互作用和共享数据。由于得到了微软的NT技术的支持，OPC为多种多样的过程控制设备口，而与过程中的控制软件或设备无关。
标准的目标是即插即用，这一概念由微软和许多公司在几年前提出。通过采用标准的方法自
和软件接口，使一个设备能容易地与其他设备连接。OPC的目标是促使工业自动化供应商以标准器。
SmartPro亦采用OPC，确保控制系统轻松集成各种现场设备，而不会有驱动程序的困扰。
地集成现场数据，从而为ERP、SCM和CRM顺畅地提供数据和信息，支持企业的决策和管理。
避免了自动化孤岛现象的产生。SmartPro既可以成为OPC Server，使工厂的各种信息系统能访
数据和历史数据；SmartPro也可以成为OPC Client，将各种提供OPC驱动程序的设备集成在S样，任何支持OPC的设备和软件都将成为整个系统的一个部分。
c. 支持Internet功能
网络正在左右着我们的时代。随着网络泡沫的破碎，电子商务的真正价值日益显现。B-to-B、益成为信息技术的受益者，价值链和规则在悄然改变。
SmartPro把Internet和工厂的过程控制系统连接起来， 使人们随时随地能了解生产第一线
SmartPro完全基于TCP/IP协议，如果重要的生产设备出了故障，设备的供应商可以通过Sm提供及时和专业的指导，帮助用户尽快解决问题，而所有人员只需使用浏览器软件。
d. SmartPro的总体技术特征
(1)网络操作系统Windows NT，标准Client/Server架构。
(2)分布式数据库：在一个大规模系统中，用户可分布处理大量数据以减轻单机负荷。SmartP5个任务: I/O服务器、监视和报警服务器、报表服务器、历史趋势服务器、时间服务器。
(3)全面冗余：服务器软件采用动态容错技术，双服务器各自独立运行应用软件，通过可靠的和数据互备。
(a)网络冗余：100Mb/s高速冗余以太网；
(b)控制器冗余；
(c)I/O冗余；
(d)I/O Server冗余；
(e)操作站冗余。
(4)控制站系统：
(a)QNX实时多任务嵌入式操作系统。可运行于x86、Pentium，PowerPC、MIPS等硬件平台标准设计；真正多进程并行运算，支持多处理机；可定制系统内核， 内核小而精(最小可到几十机制，管理内存空间大；支持TCP/IP协议，支持Internet远程访问和调试。
(b)高性能的控制站配置。I/O现场控制站主控单元采用奔腾级CPU；Profibus-DP现场总线，12Mb/s；每一个I/O现场控制站均为双冗余主控单元。
(5)现场I/O模件：
(a)现场I/O模件均为带微处理器的智能模件；
(b)模拟量输入/输出路路隔离；
(c)所有现场I/O模件的生产均采用先进的表面贴装技术(SMT)；
(d)双冗余的模拟量输入/输出、开关量输入/输出模件；
(e)具备分布式远程I/O能力。
3. 未来的DCS：趋势和探索
a. DCS的4C理念
4C是指Computer、Control、Communication、CRT人机界面。融合上述技术，于1975年具有以下4个特点:
(1)它的第一级控制功能采用以微处理机为基础的基本调节器来实现；
(2)上层控制功能采用当时的小型计算机或中大型计算机来实现(现在普通PC的功能强于当时
(3)采用物理上分散的结构，因而都带有计算机的通信系统；
(4)设有集中型操作员接口， 操作员通过它可以存取全部过程变量、控制变量，并可显示各种
基本调节器、通信网和操作员接口是DCS中的基本设备。对比26年前和今天的DCS，可认并将延续下去。
b. 半导体、软件和通信技术大幅度提升DCS功能并降低价格
以Intel公司为代表的半导体业，其技术发展速度用摩尔定律来表述，迄今为止， 摩尔定律的
了考验。以微软公司为代表的软件业，与以Intel公司为代表的半导体业形成了良性互动。当微软
件后，Intel的集成电路需求量就会上升；而只有当Intel生产出更快的芯片， 微软的软件才更有
通信技术和Internet更是引发了深刻的变革。“世界本无距离”、“地球村”在信息时代已逐渐变可靠的方法是在了解过去的同时把握现在。
c. 工业以太网与嵌入式Internet
由于市场惯性以及各大工业集团的强大营销能力，林林总总的产品仍将服务于世界市场。但
定获得最快速的增长。这种新的硬件结构以传输速度超过100Mb/s的交换以太网为主干，用嵌入
现场器件作为以太网的节点。目前国外第一批这种设备已经面世。
二 工业以太网
1. 工业以太网的进步
早期的以太网，多节点共享同一个传输媒体，称为共享以太网(Shared Ethernet)，节点间通信
生冲突。共享以太网用CSMA/CD技术来避免冲突，即发送方检测到冲突就暂停发送，随机延迟
送直到成功。由于延迟时间是随机的，不能事先知道，因而共享以太网的时间响应具有不确定性场合。
交换以太网(Switched Ethernet)的出现克服了这一缺点， 以太网的交换机(Switch)是数据链
型第二层)的多端口网桥，也可以说是智能分配器。交换机将其管理的网络以星型拓扑结构划分为
而逻辑上互相联系的节点，每一节点单独与交换机建立物理连接，在通信的时候交换机会在发送立一个独占的全双工通道，它具有以太网的全部带宽并避免冲突。
交换以太网在获得确定性的同时， 传输速度也有极大的提高。千兆以太网已普及，10Gb/s的
2. 以太网物理层的进展PowerEthernet
以色列公司PowerDsine推出了6、12、24口的“Power-Over-LAN”Hubs，使用同一条数据传
传输电力、语音和数据。终端设备只需一个RJ-45接头，不再需要分开的电源插座及数据传输接
电，这遵循了最具覆盖率的公众电话网的规范：直接在电话线上供应DC 48V电能。PowerEther的不断电系统加入，能确保嵌入式Internet产品不会因供电失效而停止工作。
3. 工业以太网应用层上互操作性的复杂和困难
为了保证以太网上产品间的互可操作性，必须为所有报文创立统一的目标模型和公共应用层
协议是不够的，报文结构和数据的目标(例如温度和速度)必须表达在所有产品上，并为所有制造商
以太网的任何开放、互可操作性标准的执行，应当有一个世界范围的互操作性协会，此事操作起
当以太网用于信息技术时，应用层含有HTTP(超级文本传输协议)、FTP (文件传输协议)、S
送协议)和Telnet(远程登录)。这些基于TCP/IP的协议簇已经成为工业界事实上的网络标准，在不
统互联方面起着关键作用。但当以太网用于工业控制时，体现在应用层的是实时通信、用于系统
模型的应用协议。例如ODVA组织的Ethernet/IP在应用层上定义了一系列“用户设备行规”，包括
交流变频驱动器、位置控制以及其他设备行规；而施耐德的Modbus TCP/IP已成为半导体工业的标
显然， 工业以太网应用层的复杂性远远高于用于信息技术的应用层。
作为权宜之计，OPC基金会于2001年9月11日宣布，制订出与以太网进行数据交换(DX)
ControlNet、Fieldbus基金会、Open DeviceNet用户协会、国际Profibus组织都同意支持OPC以算是最低水准的互操作，在实时控制中没有意义。
三 管控一体化和价值网
管控一体化的当前焦点是制造执行系统(Manufacturing Execution System, MES)。MES是一它将业务信息的处理与工业过程自动化连接起来，是迈向综合全面自动化的关键。
用户订单将通过呼叫中心、Internet等电子手段到达业务层，MES从所收到订单的少量用户生控制层所需的大量信息，同时对生产过程进行总体优化。
反过来，MES层根据从过程中捕获的大量信息，又提炼出少量关键信息，这些关键信息描述产品的质量，综合反映着能否满足客户的需求。
以满足客户的需求为核心的价值创造体系，经济学家称之为价值网，这种价值网具有5项特
(1)以顾客为中心。只有顾客作出某项决定，才引发公司的采购、生产与交货。
(2)系统化协调合作。每项活动都交付给最有能力执行的外部伙伴或内部专家。
(3)高灵敏度。兵无常势，水无常形，快速适应各种变化，可以降低营运资金，缩短处理时间
(4)快速流动。订货至交运的时间缩短，可降低库存。
(5)数字化。它是价值网的技术基础和实现手段，让顾客、生产者与供货商间的活动协调配合
价值网本质上是将了解顾客需求的前端和恰好按前端的承诺进行交货的至关重要的后端融为
的、合作的、敏捷的力量。价值网采用了统一的信息流设计方法，首先捕捉对于不同的顾客最重后再回到物理生产和分销流程。
在Internet时代，顾客日益获得准确描述他们自己需求的能力，例如选择板(Choice Board)。用工具，它允许顾客在零部件和服务选项集内进行选择，并设计他们自己所需要的产品。
需强调的是，价值网不是一种特定的组织结构，它需要的只是一种具有下列特征的文化：
(1)具有远见的领导层，面对挑战得到其他人的认可；
(2)具有创业精神的团队；
(3)简单清晰的目标；
(4)种种新的技能，用新的技能武装正确的人。
描述“组织”的进化问题，常可类比到生命系统。生命系统的“组织”很大程度上并不是指它的组
官)，而是彼此之间的反馈关系所形成的系统。一个工厂、一架飞机、一个电影摄制组和一个活细
同，但就每个系统内部的反馈连接以及物质和信息的动态流而言，都有相似之处。价值网关注的流。
：《第八讲 DCS控制器中的功能块》 本论题共有5人回复。 第八讲 DCS控制器中的功能块
DCS不仅能完成原来模拟仪表的功能，而且大大超过模拟仪表。这是因为它采用了先进的计算机技术、通讯技术、CRT技术和控制技术等4C技术.采用数字控制以后，控制器中预先存到ROM中的算法可以说是无限的，每一种算法代表一种功能。这些功能在模拟仪表中是用模拟线路来实现的，它受到模拟线路的漂移、电阻、电容等器件的限制，作一个精度很高的模拟仪表成本很高，甚至几乎是不可能的。而数字控制的算法是用程序实现的。用程序来代替模拟线路所能实现的功能。在理论上是无限的，这是很大的进步。对于各种DCS系统其原理都是一样的。通常称各种算法为功能块。功能块的总成称为功能块库。
DCS的控制器主要是由CPU、ROM、RAM、E2PROM、地址设定开关等组成。CPU完成运算，ROM用来存操作系统、功能块库，功能块在ROM中的排列是确定的，用户是不能改变的。RAM用来存CPU的运算结果和I/O信号。E2PROM存用功能块连成的控制方案。下电时，控制方案是不会丢失的。不仅如此，控制方案不合适，还可以修改。修改采用紫外线照射，抹去E2PROM中的内容。控制器在网络中应该有地址，由这些地址开关来设定。功能块在ROM中的排列有的DCS称这种排列为功能码。码的次序就是功能块在库中的地址。各种厂家的DCS对运算算法的处理有些差异，所以名称也不一
样。如有的DCS称这些算法为内部仪表，但其实质都是一段程序，本质是一样的。在运用这些功能块时，应该标明该功能块输入输出之间运算的关系，还有运算所需要的许多参数。在用户根据被控对象，确定控制策略形成控制方案时，在功能块库中选择控制用所需要的功能块，弄清各功能块之间的联接关系，并首先定义它在E2PROM中的地址，和其它功能块的联系也都是用地址来表示的。同时填入所需参数。这些工作称为组态，这是为了区别于用语言编程。组态时，可以用作图的方式，即CAD方式。作CAD有一个软件，可以画出每一个控制回路所需的功能块以及它们之间的连接关系。它称为工程师站。用它给控制器组态。组态时，先画出SAMA图或ISA图。在用小功能块时，画SAMA图、大功能块时，画ISA图。
功能块库中最重要的功能块是PID功能块，它的输出Y(t)和输入X(t)的关系是比例-积分-微分关系，即
它在过程控制中有极其重要的作用。在完成闭环控制时一定要用到PID功能块。闭环控制的一个控制回路和串级控制回路的方框图如图一，图二所示，图三和图四是Infi90的组态图。
含PV-SP的PID功能块是实现过程变量（PV）和设定值（SP）之差进行比例-积分-微分运算，它的参数有设定、过程变量、比例-积分-微分的系数。它的输出通常送到输出板的端子板的地址。最后把输出送给阀门。一般情况下，PID功能块中包括PV-SP的运算。有的PID功能块没有SP和PV的减法运算，这是为了在PID之前还可以加入其它运算。如加死区。在功能块库中另外一个重要功能块是站功能块，它不能用数学公式表示输入和输出的直接关系，它是实现人机交流的功能块，把由人决定的设定值送给控制回路，并送进控制回路何时接入的条件和实现手/自动切换的条件等。
有的DCS的PID功能块几乎是包罗万象的，有100多个参数。1，首先问PV从那里来，要填入PV的地址；PV值来自一块模拟输入模件或端子板；2，SP的地址，SP的地址通常是站的地址；3，有没有死区，没有死区，这一项就不用管了，有死区，要写入死区的宽度和
高度；4，要不要积分，要积分，积分常数是多少，5，要不要微分，要微分，微分常数是多少；6，比例是多少；7，要不要死区，如果要，需输入死区宽度，死区的高度。8， 要不要史密斯预估，如果要，就要填写史密斯预估器的参数；9，PID功能块的输出到那里，如输到模拟输出模件或端子板的功能块。其输出是真正到阀门。输出也可以到存储器中，但要规定一个地址。这时PID功能块的输出成为另一块功能块的输入。如串级控制，第一个PID的输出是第二个PID的设定，这时PV有二个，也用二个站功能块，但只有一个站功能块有手/自切换关系。手操站和操作站直接与该功能块通讯，其优先权手操站高于操作站。
算术运算加、减、乘、除，平方、开方等DCS是必不可少的。其次是函数运算，三角几何运算，矩阵运算，C语言接口和Basic语言接口功能块等。与硬件连接的功能块，如读取模拟和开关输入的功能块，模拟和开关输出的功能块，从网上读取模拟量和开关量的功能块，送到网上的模拟量和开关量的功能块。
作为一个DCS控制器，必须具备的功能块有：与硬件连接的功能块通常是4块，这与输入板的类型有关；包括模拟量输入功能块、模拟量输出功能块、开关量输入功能块、开关量输出功能块。每一个功能块必须与特定的端子板连接在一起。如果有接收现场总线的信号，还需要接收现场总线信号的功能块。另外有4块与网络相连的功能块。他们分别是：模拟量网络输入、模拟量网络输出、开关量网络输入、开关量网络输出。其次是PID功能块、站功能块，再其次是算术运算
（加、减、乘、除）。然后才是函数运算（一次滤波、超前-滞后、二维曲线等）、三角几何运算（正弦、余弦、正切、余切等）和三维矩阵运算。一些高级运算，如模糊逻辑，模型控制等是可多可少的，但它们是判断DCS系统功能强弱的标准。至于一些行业的被控对象功能必须有一些特殊的硬件支持，如：电厂的SOE功能，必需有快速中断的硬件输入板。
为了增加控制器的I/O点数和增加控制器到现场的距离，可以把现场总线和控制器连接，如lonworks总线，这时控制器内应该有连接lonworks时的功能块。Lonworks总线上的模块有独立的输入输出板和运算板，在运算板中还有少量的功能块。
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