說到控制系統很多人貌似說得頭頭是道，繼續深究下去，什么是控制器，什么是PLC，什么是DCS，什么是FCS？三兩句話介紹完基本概念后，頓時語塞，怎么聊都感覺說不到點上。今天就來說說什么是DCS？

　　我們首先可以明確的是：DCS是歷史悠久的典型控制系統形態。控制系統分上下位機，上位機組態偏重GUI（圖形用戶界面），下位機組態偏重算法。

　　有朋友可能會問什么是組態？

　　其實組態就是搭建系統軟件和硬件環境，再簡單地說，組態就是用已有的簡單功能組合出更復雜的功能。

　　那上下位機又是什么呢？

　　舉個例子：設想自己開發一個控制系統。首先要做的是告訴計算機自己想干什么，然后由計算機通知控制器，最后控制器再告訴執行器具體該怎么做。這里面我其實只跟計算機發生對話，這里的計算機就是上位機，接受計算機指令的控制器就是下位機。

　　其實計算機和控制器本質上說都是計算機，只是外在表現形式，應用環境和編程方式的差異，導致我們必須采取一些便于理解的命名方式。上位機要跟人互動，所以偏重GUI，有顯示器或觸摸屏、鼠標和鍵盤燈外設等人機交互設備。下位機要跟執行機構互動，所以偏重算法，人們要把需求編寫成可執行的程序下載到下位機，上位機給出的指令觸發下位機程序執行，下位機更像是一個黑盒子，執行過程中人們無法直觀的看到每一個過程和步驟，只能對結果進行分析，對不對？準不準？好不好？

　　那組態和上下位機跟DCS有什么關系呢？

　　Distributed Control System--》DCS（分布式控制系統），因為DCS也是控制系統，遵循控制系統的基本形態，也有上下位機，也要進行軟件和硬件組態。Distributed分布式是講DCS這個控制系統的特點和差異化。因此我們要搞明白什么是DCS就要從分布式這個特點開始。

　　1、DCS的進化史

　　人們普遍認為任何事物要分析他們的特點和差異化，就要回答兩個哲學問題：1）從哪里來？到哪里去？

　　同理，我們想知道什么是DCS，什么是分布式，就離不開DCS的進化史和發展方向。

　　接下來我們從四次工業革命對過程工業控制系統的影響來聊一聊DCS的進化和發展。幫助大家更深刻的理解DCS。

　　第一次工業革命，蒸汽時代，自動控制只能完成很簡單的功能。按物理點位計算，只是現在的DI和DO，能實現的功能是：開和關，也就是一臺機車的啟停而已。最多就是在一些外設機械設備參與下實現正反轉和簡單的速度控制。家喻戶曉的瓦特公認為是蒸汽機的發明者，但其實蒸汽機的出現比瓦特出生還要早許多，而最初期的DCS還跟蒸汽機有密切的關系。

　　第二次工業革命，電氣化時代，諸如繼電器等電子設備普及，人們開始在現場就地控制一些大型設備。和之前對比改善在于，比如一個設備特別大，我用了就地控制就不用爬上設備去做啟停操作了。再后來，人們還覺得麻煩，因為從這個設備跑到那個設備進行操作也很麻煩。所以，就把這些需要控制的按鈕都放在一個屋子里，再裝上簡單的指示燈，操作員盯著顯示屏上一大堆指示燈，隨時準備按下操作臺上一排排的啟停按鈕。

　　第三次工業革命，信息時代，隨著電子計算機技術的發展，控制系統一直發展，形成了成熟的集中控制系統，到現在CCR（Central Control Room）也可以叫做集控中心。為什么后來又分散了？因為人們發現集中控制會出現很多問題，當點位過于集中，控制規模過大的時候，如果某一個關鍵路徑（模塊）出現問題，可能導致很大一片控制區域癱瘓。這是中央集權制度的通病，一倒一大片。所以，人們考慮把硬件做的分散一些，并且分散到控制區域附近，增加操作員站，并且保留CCR。其中操作員站處理現場具體事務，CCR監管整個控制區域的銜接、協調事務。人們依然在控制室里面，但整個系統運行卻更穩定了。

　　除此之外，為了提高通信效率，通過完善，又進化出了新種族FCS（Fildebus Control System，現場總線控制系統）意思是說原來你為了通信要為每一種甚至每一個控制組建配備一名類似通訊員一樣的角色，可機構太臃腫、隊伍太龐大導致效率低下，所以取消一對一的通信，大家都通過指定機構完成所有通信工作，這個指定機構就是現場總線（Fildebus）。

　　第四次工業革命，物聯網時代，人們做了很多完善工作，讓控制系統看上去更高大上一些，更多決策輔助，更多數據統計和分析。于是分支出或添加了許多功能比如OEE、MES、ERP…

　　隨著物聯網時代的到來，最近又出來個新控制系統：ICS，大致思路是系統功能化、硬件模塊化、組織機構扁平化…

　　2、DCS的系統構成

　　以上說了DCS的進化史，有點務虛了，朋友們會問，那現在DCS的基本形態和構成是怎樣的呢？相信下面這張圖能夠很直觀的解釋DCS是什么、干什么用的？

　　舉個例子：因為某個工藝需要，水箱液位需要保持在一定范圍內，當水箱液位出現較大波動且超出此范圍后，可以選擇去現場手動調節控制水位的閥門，也可以通過DCS發出指令去調節。

　　就如下圖所示，DCS相當于大腦，對眼睛看到的情況（即現場檢測儀表傳輸過來的信號，如水位降低）做出反應（即發出指令，如增大進水閥開度），現場執行設備接受到指令做出相應的動作（如增大進水閥門開度，保持水位在一定范圍）。

　　舉了的這些個例子，好像都是過程工業范疇的，那么例如汽車等離散制造業呢？在那里有另外一個明星產品PLC。

　　PLC和DCS在工業自動化控制中占有舉足輕重的地位，而工業自動化控制是國家工業發展戰略的核心。PLC以及DCS在工業控制的各個環節中不斷的升級、完善，已經成為現代工業生產制造中不可或缺的工具。

　　1、DCS和PLC的定義

　　DCS控制系統，在國內自控行業又稱之為集散控制系統。即所謂的分布式控制系統，是相對于集中控制系統而言的一種新型計算機控制系統，它是在集中控制系統的基礎上發展、演變而來的。

　　DCS作為一個集過程控制和過程監控為一體的計算機綜合系統，在通信網絡的不斷帶動下，DCS系統已經成為了一個綜合計算機，通信、顯示和控制等4C技術的完整體系。其主要特點是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活以及組態方便。

　　現如今的DCS系統可以廣泛地用于工業裝置的生產控制和經營管理，在化工、電力、冶金等流程自動化領域的應用已經十分普及。

　　PLC，即邏輯可編程控制器，是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程，是工業控制的核心部分。

　　2、DCS和PLC控制器的差別

　　DCS和PLC控制器的主要差別是在開關量和模擬量的運算上，即使后來兩者相互有些滲透，但是仍然有區別。80年代以后，PLC除邏輯運算外，也增加了一些控制回路算法，但要完成一些復雜運算還是比較困難，PLC用梯形圖編程，模擬量的運算在編程時不太直觀，編程比較麻煩。但在解算邏輯方面，表現出快速的優點。而DCS使用功能塊封裝模擬運算和邏輯運算，無論是邏輯運算還是復雜模擬運算的表達形式都非常清晰，但相對PLC來說邏輯運算的表達效率較低。

　　3、DCS和PLC在火電廠的應用

　　在火電廠熱工自動化領域，DCS和PLC是兩個完全不同而又有著千絲萬縷聯系的概念。DCS和PLC都是計算機技術與工業控制技術相結合的產物，火電廠主機控制系統用的是DCS，而PLC主要應用在電廠輔助車間。DCS和PLC都有操作員站提供人機交互的手段、都依靠基于計算機技術的控制器完成控制運算、都通過I/O卡件完成與一次元件和執行裝置的數據交換、都具備稱之為網絡的通信系統。

　　隨著國內電廠裝機容量的不斷擴大及電力系統改革的推進，對輔助車間控制的要求也不斷提高，在這個大環境，DCS系統進入輔助車間控制已成為趨勢。NT6000DCS因其綜合的技術經濟優勢，已經并將繼續在輔助車間控制方面發揮越來越大的作用。

　　在輔助車間應用廣泛的PLC也并不會就此退出熱工自動化的歷史舞臺，前所未有的競爭壓力，將會促使PLC廠商在技術上向DCS標準靠攏，在價格上作出更大的努力。DCS和PLC市場競爭的結果，將會使用戶獲得更大的利益。

　　4、DCS和PLC的控制處理能力

　　一個PLC的控制器，往往能夠處理幾千個I/O點（最多可達8000多個I/O）。而DCS的控制器，一般只能處理幾百個I/O點（不超過500個I/O）。

　　從集散體系的要求來說，不允許有控制集中的情況出現，太多點數的控制器在實際應用中是毫無用處的，DCS開發人員根本就沒有開發帶很多I/O點數控制器的需要驅動，他們的主要精力在于提供體系的可靠性和靈活性。

　　而PLC不一樣，作為一個獨立的柔性控制裝置，帶點能力越強當然也就代表其技術水平越高了，至于整個控制體系的應用水平呢，這主要是工程商和用戶的事情，而不是PLC制造商的核心目標。控制處理能力的另一個指標，運算速度，在人們印象當中PLC也比DCS要快很多。

　　新型的DCS控制器學習了大型PLC的設計，在控制周期方面的表現獲得了大幅度的提高。以NT6000DCS的T2550控制器為例。控制器可以設置四個不同優先級的任務，最小運算周期可以設為10ms，配合高速I/O卡件，控制周期能夠達到15~20ms。而模擬量運算設置在其它周期較長的任務中。

　　5、PLC和DCS的系統可擴展性和兼容性

　　市場上控制類產品繁多，無論DCS還是PLC，均有很多廠商在生產和銷售。對于PLC系統來說，一般沒有或很少有擴展的需求，因為PLC系統一般針對于設備來使用。一般來講，PLC也很少有兼容性的要求，比如兩個或以上的系統要求資源共享，對PLC來講也是很困難的事。而且PLC一般都采用專用的網絡結構，比如西門子的MPI總線性網絡，甚至增加一臺操作員站都不容易或成本很高。

　　DCS在發展的過程中也是各廠家自成體系，但大部分的DCS系統，比如橫河YOKOGAWA、霍尼維爾、ABB等等，雖說系統內部（過程級）的通訊協議不盡相同，但操作級的網絡平臺不約而同的選擇了以太網絡，采用標準或變形的TCP/IP協議。diangon.com這樣就提供了很方便的可擴展能力。在這種網絡中，控制器、計算機均作為一個節點存在，只要網絡到達的地方，就可以隨意增減節點數量和布置節點位置。另外，基于windows系統的OPC、DDE等開放協議，各系統也可很方便的通訊，以實現資源共享。

　　6、PLC和DCS的數據庫

　　DCS一般都提供統一的數據庫。換句話說，在DCS系統中一旦一個數據存在于數據庫中，就可在任何情況下引用，比如在組態軟件中，在監控軟件中，在趨勢圖中，在報表中……而PLC系統的數據庫通常都不是統一的，組態軟件和監控軟件甚至歸檔軟件都有自己的數據庫。為什么常說西門子的S7 400要到了414以上才稱為DCS？因為西門子的PCS7系統才使用統一的數據庫，而PCS7要求控制器起碼到S7 414-3以上的型號。

　　7、PLC和DCS的時間調度

　　PLC的程序一般不能按事先設定的循環周期運行。PLC程序是從頭到尾執行一次后又從頭開始執行。（現在一些新型PLC有所改進，不過對任務周期的數量還是有限制）而DCS可以設定任務周期。比如，快速任務等。同樣是傳感器的采樣，壓力傳感器的變化時間很短，我們可以用200ms的任務周期采樣，而溫度傳感器的滯后時間很大，我們可以用2s的任務周期采樣。這樣，DCS可以合理的調度控制器的資源。

　　8、PLC和DCS的網絡結構

　　一般來講，DCS慣常使用兩層網絡結構，一層為過程級網絡，大部分DCS使用自己的總線協議，比如橫河的Modbus、西門子和ABB的Profibus、ABB的 CAN bus等，這些協議均建立在標準串口傳輸協議RS232或RS485協議的基礎上。現場IO模塊，特別是模擬量的采樣數據（機器代碼，213/掃描周期）十分龐大，同時現場干擾因素較多，因此應該采用數據吞吐量大、抗干擾能力強的網絡標準。基于RS485串口異步通訊方式的總線結構，符合現場通訊的要求。

　　IO的采樣數據經CPU轉換后變為整形數據或實形數據，在操作級網絡（第二層網絡）上傳輸。因此操作級網絡可以采用數據吞吐量適中、傳輸速度快、連接方便的網絡標準，同時因操作級網絡一般布置在控制室內，對抗干擾的要求相對較低。因此采用標準以太網是最佳選擇。TCP/IP協議是一種標準以太網協議，一般我們采用100Mbit/s的通訊速度。

　　PLC系統的工作任務相對簡單，因此需要傳輸的數據量一般不會太大，所以常見的PLC系統為一層網絡結構。過程級網絡和操作級網絡要么合并在一起，要不過程級網絡簡化成模件之間的內部連接。PLC不會或很少使用以太網。

　　9、PLC和DCS的應用對象規模

　　PLC一般應用在小型自控場所，比如設備的控制或少量的模擬量的控制及聯鎖，而大型的應用一般都是DCS。當然，這個概念不太準確，但很直觀，習慣上我們把大于600點的系統稱為DCS，小于這個規模叫做PLC。我們的熱泵及QCS、橫向產品配套的控制系統一般就是稱為PLC。

　　10、DCS和PLC的市場情況和發展方向

　　在熱工自動化領域，主廠房控制系統基本上毫無例外地使用DCS。而在輔助車間才使用PLC。其主要原因是早期的DCS系統非常昂貴，人們認為輔助車間的運行可以間斷，可靠性要求不是很高，且模擬量控制要求較少，從降低成本的角度出發，往往選擇PLC來構建控制系統。而鍋爐、汽機和發電機的控制系統，要求長期穩定可靠地運行，信號中含有相當比例的模擬量，從系統的性能出發，人們不得不選擇了昂貴的DCS。

　　另外，分析一下主廠房DCS和輔助車間控制系統的市場競爭情況，我們會發現一個有趣的現象。主廠房DCS的競爭往往在不同品牌的供應商或代理商之間展開，競爭激烈，DCS的價格不斷下調。而輔助車間控制系統的競爭往往在同一品牌PLC的各個工程商之間進行，門檻較低，競爭更加激烈，但是PLC的價格下調幅度卻并不如DCS明顯。主要原因是DCS的生產商直接參與競爭，在巨大的市場壓力下，不斷下調設備制造費用和工程實施費用。而PLC的生產商不直接參與競爭，各個工程商只能下調自身有限的工程費用，空間有限。從現在情況看來，DCS與高檔PLC的價格差距已不明顯，輔助車間仍然較多地采用PLC，是市場的慣性使然。

　　PLC和DCS產品市場可謂風起云涌、競爭激烈。縱觀PLC市場群星璀璨：世界上有200多家公司生產400多個品種系列的PLC，應用于電力、石油石化、冶金、材料、包裝、造紙、汽車和市政各個行業。從行業角度來看，國外廠商占山為王，有著屬于各自的勢力范圍。

　　DCS市場與PLC相差無幾，基本由國外業內強者所把持，可喜的是一批本土廠商如Hollysys、Supcon、Xinhua等企業逐漸發展壯大。由于DCS技術含量高，很多對產品的需求都建立在項目的基礎上，這樣對DCS的需求也將是一個周期性較長的過程，因此DCS市場格局短時間內難有較大改變。當然，由于行業發展速度的不規律性，側重行業不同的公司可能會因此而發生一些變化。

　　在今后的控制系統的發展中，我們將會看到DCS和PLC技術逐漸融合的局面，這對它們各自的發展以及各行各業的發展都有種促進的作用。

　　審核編輯：黃飛