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分散控制系统（英文名：Distributed Control System，简称：DCS）又称集散控制系统，也可直译为分布式计算机控制系统。是以微处理器为基础，采用控制功能分散、显示操作集中、兼顾分而自治和综合协调的设计原则的自动化控制系统。分散控制系统是一个采用分级递阶结构的系统，每一级由若干子系统组成，每一个子系统实现若干特定的有限目标，形成金字塔结构。过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统。在不同的DCS中，过程控制级的控制装置各不相同，如过程控制单元、现场控制站、过程接口单元等等，但它们的结构形式大致相同，可以统称为现场控制单元FCU。[1][2][5]
分散控制系统最早于1975年由美国公司Honeywell推出并使用，[4]经过多年发展，分散控制系统主要用在大型在工业控制领域，在电力、冶金、石化等行业都获得了极其广泛的应用。[3]
分散控制系统具有可靠性高、系统易拓展、监视操作性能好、软件编程容易、系统维护方便等特点。[6]在发展过程中DCS与FCS技术（新型现场总线控制系统）、无线连接技术、工业控制网络相结合将会使未来重要的发展趋势。[7]
发展背景
分散控制系统是生产过程监视、控制技术发展和计算机与网络技术应用的产物，但它更是在过程工业发展对新型控制系统的强烈需求下产生的。[4]
20世纪50年代末，在过程控制领域开始使用计算机，一开始计算机仅被用于生产过程的安全监视和操作指导，后来才被逐步用于实现监督控制SCC（Supervisory Computer Control）。到了60年代初，计算机开始被用于生产过程的直接数字控制DDC（Direct Digital Control），但受当时技术以及硬件条件的限制，其可靠性较低，因此也并未大范围使用。[4][8]
到了60年代初，计算机开始被用于生产过程的直接数字控制，但由于当时的计算机价格高昂，全厂的所有生产过程往往集中于一台计算机上，而当这一台计算机发生故障时，整厂的生产活动就陷入瘫痪，这使得大规模集中式的直接数字控制系统未能获得推广。[8]60年代中期，在分析了导致集中控制失败的原因后，控制系统工程师们首次提出了分散控制系统的概念，在设想中，他们将控制功能分散到不同的计算机中，并通过通信技术实现各部分之间的联系和协调。但该设想直到70年代微处理器和固态存储器的出现才逐步得以实现。[4][8]
第一代
1975年，美国最大的仪表公司Honeywell首次将计算机技术（Computer）、控制技术（Control）、通信技术（Communication）和显示技术（CRT）相结合，推出了第一代分散空控制系统—TDC-2000。[4]该系统开创了分散控制系统的新时代，它以多微处理器为基础，实现了控制系统的功能分散、负荷分散。[9]第一代的DCS由五部分组成，分别是过程控制单元PCU（Process Control Unit）、数据采集装置或过程接口单元PIU（Process Interface Unit）、CRT操作站、监控计算机（上位机）以及数据传输通道（数据公路）。[1]
在TDC-2000推出后，不同类型的厂商也开始介入DCS的研发，当时的分散控制系统依旧包含了DCS的三大组成部分，即分散过程控制装置、操作管理装置和数据通信系统，它也具有了DCS的基本特点，即集中管理、分散控制。[4]但这一代DCS存在一定的局限性，例如控制单元的管理、全系统的信息处理以及显示和操作管理等功能都集中于监控计算机，系统还采用8位或16位微处理器等。[1]当时主要的DCS产品有Honeywell公司的TDC-2000，Taylor公司的MOD3，Foxboro公司的SPECTRUM。[4]
第二代
随着微处理器运算能力的增强，超大规模集成度的提高和成本的不断降低，[9]在80年代中期，集散控制系统也进入了第二代，在第二代分散控制系统中，包括控制算法；过程操作管理范围；显示屏分辨率等系统的功能据有所提升。此外，数据通信系统从以前的主从式的星形网络通信转变为对等式的总线网络通信或环网通信。在第二代中，通信系统已采用局域网络，系统中各个单元都被看作网络节点工作站，站点又可以通过桥和网间连接器与同网络或异网络相连，因此，系统的通信范围扩大，同时，数据的传送速率也大大提高。[4][9]
第二代DCS的基本结构主要由六部分组成，分别为节点工作站（过程控制单元PCU或分散处理单元DPU）、中央操作站、系统管理站（系统管理模件）、主计算机（管理计算机）、局部网络（局域网络）、网间连接器（挂接桥BRIDGE、网间接口GATEWAY）。[1]其中典型的二代集散控制系统产品有Honeywell公司的TDC3000，Taylor公司的MOD300，Bailey公司的NETWORK-90等。[4]
第三代
进入80年代末90年代初，为了克服专利性局部网络的限制，各大企业开始转向开发具有开放性局部网络的DCS产品，[1]以美国Foxboro公司推出的I/AS系统为标志，集散系统进入第三代，它的主要标志是局域网采用了10Mbti/s的宽带网与5Mbit/s的载带网，符合国际标准组织ISO的OSI开放系统互联的参考模型。因此可以实现在符合开放系统的不同制造厂产品间的互相连接、互相通信和进行数据交换，还可以应用第三方的应用使DCS进入更高的阶段。[4]这一时期中国自主研发的DCS也开始被广泛应用，在火电厂等产业自动化也进入了较高的自动化水平历史阶段。[10]
随着第三代DCS克服上一代的自动化孤岛等困难，至此，DCS开始全面取代常规仪表控制和计算机监控，完成了一次自动化控制技术革命，DCS开始被广泛的应用于石化、电力、冶金等重工业领域。[1]当时典型的三代DCS产品有Honeywell公司带有UCN网的TDC-3000，西屋公司的WDPF Ⅱ，西门子公司的TELEPER XP等。[4]
第四代
进入21世纪后，DCS并购和技术重组也愈加火热，Bailey被ABB并购，西屋过程控制公司和Foxboro分别重组到Emerson和Invensys集团。同时随着信息技术的发展，DCS厂商也开始提升DCS系统的技术水平。第四代DCS的最主要标志是Information（信息）和Integration（集成）。信息化体现在DCS系统是一个充分发挥信息管理功能的综合平台；集成性则体现在功能的集成和产品的集成，新一代DCS除了保留传统的过程控制功能外，还集成了PLC（可编程逻辑控制器）、RTU（采集发射器）、各种只能采集或控制单元等，同时各DCS厂商各个组成部分也开始采用了第三方继承方式或OEM（代加工）方式。[4]
按照体系结构
以第四代DCS为例，其结构体系主要分为现场仪表层、装置控制层、工厂监控与监控层和企业经营管理层。[11]
现场仪表层
现场仪表层的主要工作是把现场的各种物理信号 （如温度、压力、流量及位移等） 转变成电信号或数字信号，并进行一些必要的处理（滤波、简单诊断等）；或者把各种控制输出信号转变成物理变量（如阀位、位移等）。[12]
装置控制层
装置控制层为DCS的基础，它的主要设备是控制器，而控制器主要由输人/输出单元、控制单元、电源单元等组成。输入/输出单元直接与控制对象的传感器、变送器和执行器连接，其功能是采集状态信号，进行数据处理，并传输控制指令。[13]通过网络，多个控制器将不同设备或装置的控制子系统连接起来共同完成复杂控制功能，以在更大范围内实现更具深度的过程控制。这种自治分解、相对独立又关联协调的结构，已经成为 DCS 的主要结构模式。[12]
依照生产过程的特点，对装置的控制可以分为连续控制、离散控制和混合控制/批量控制。[12]
工厂监控与监控层
工厂监控与监控层的主要设备是操作员站、工程师站和监控计算机站，[13]在监控与管理层中，它将以前的企业的经营决策、企业管理、生产调度、过程监控与过程控制相融合。它可以实现产调度、计划管理、资源分配、物料跟踪、工艺管理、文档管理、质量控制、设备管理及人力资源管理、数据采集、数据存储和分析、性能分析、操作集中显示、历史记录的产与报表生成各种报警处理及网络信息发布 （Web 浏览）等功能。[12]操作监控层能够建立控制过程的数学模型，实施先进的控制策略，实现装置级的优化控制和协调控制，并对控制过程进行故障诊断、预报和分析，保证生产安全。[13]
企业经营管理层
管理分析层通常由一台大型机、几台中型机和若干台微型机组成。该层处于 DCS 系统的顶层级，通过收集整个 DCS 系统的状态信息进行综合分析，实时做出决策，协助各级管理和操作人员指挥调度，使整个 DCS系统处于最佳运行状态。[13]
企业的经营管理层一般通过提供开放的数据库接口连接第三方的管理软件平台（ERP、CRM、SCM等），[11]它注重企业整体经营计划的制订与实施，现在有很多系统支持该功能。例如企业资源计划 （ERP）、供应链管理 （SCM）、客户关系管理 （CRM） 及电子商务管理等。[12]
系统硬件
DCS的硬件系统是通过网络将不同数目的现场控制站、操作员站和工程师站连接起来，共同完成各种采集、控制显示、操作和管理功能。[14]
操作站
操作站用来显示并记录来自各控制单元的过程数据，是人与生产过程信息交互的操作接口。典型的操作站包括主机系统、显示设备、键盘输人设备、信息存储设备和打印输出设备等，主要实现强大的显示功能 （如模拟参数显示、系统状态显示、多种画面显示等）、报警功能、操作功能、报表打印功能、组态和编程功能等。[14]
另外，DCS 操作站还分为操作员站（Operator Station，OS）和工程师站（Engineer Station，ES）。从系统功能上看，前者主要实现一般的生产操作和监控任务，具有数据采集和处理、监控画面显示、故障诊断和报警等功能。后者除了具有操作员站的一般功能外，还应具备系统的组态、控制目标的修改等功能。从硬件设备上看，多数系统的工程师站和操作员站合在一起，仅用一个工程师键盘加以区分。[14][15]
现场控制单元
现场控制单元又称主控制器（Main Control Unit，MCU）一般远离控制中心，安装在靠近现场的地方，其高度模块化结构可以根据过程监测和控制的需要配置成由几个监控点到数百个监控点的规模不等的过程控制单元，硬件配置包含主机插件（CPU插件）、电源插件、I/O插件、通信插件等，对关键设备进行冗余配置是提高DCS可靠性的一个重要手段。[14][15]
现场控制单元的结构是由许多功能分散的插板（或称卡件） 按照一定的逻辑或物理顺序安装在插板箱中，各现场控制单元及其与控制管理级之间采用总线连接，以实现信息交互。[14][15]
系统服务器
一般每套DCS配置一台或一对（含冗余）系统服务器。不同的系统服务器存在一定的差异，系统服务器的主要功能包括：系统级的过程实时数据库、存储系统中需要长期保存的过程数据；向企业 MIS 提供实时的工艺过程数据；作为 DCS系统向别的系统提供通信接口服务并确保系统隔离和安全。[16][15]
控制网络
控制网络（Control Network，CNET）用于将主控制器与 I/O 设备（如PLC）连接起来，其主要设备包括：通信线缆（即通信介质）、重复器、终端匹配器、通信介质转换器、通信协议转换器或其他特殊功能的网络设备。[16][15]
系统网络
系统网络（System Network，SNET）用于将操作员站、工程师站及系统服务器等操作层设备和控制层的主控制器连接起来。组成系统网络的主要设备有网络接口卡、集线器（或交换机）、路由器和通信线缆等。[16][15]
输入/输出设备
输入/输出设备（Input/Output，I/O）主要用于采集现场信号或输出控制信号，主要包含模拟量输入设备、模拟量输出设备、开关量输入设备、开关量输出设备、脉冲量输入设备、脉冲量输出设备及一些其他的混合信号类型输入/输出设备或特殊设备等。[16][15]
系统软件
现场控制单元的软件系统
现场控制单元的软件最主要功能是完成对现场的直接控制。[16]它的组成包括以实时数据库为中心的数据巡检、控制算法、控制输出和网络通信等软件模块组成。其中实时数据库起到了中心环节的作用，可以进行数据共享，各执行代码都与它交换数据，用来存储现场采集的数据、控制输出以及某些计算的中间结果和控制算法结构等方面的信息。数据巡检模块用以实现现场数据、故障信号的采集，并实现必要的数字滤波、单位变换、补偿运算等辅助功能。[14]
操作站的软件系统
DCS 中的操作站用以完成系统的开发、生成、测试和运行等任务、这就需要相应的系统软件支持，[14]这些软件包括操作系统、编程语言及各种工具软件等。一套完善的 DCS在操作站上运行的应用软件可以实现实时数据库、网络管理、历史数据库管理、图形管理、历史数据趋势管理、数据库详细显示与修改、记录报表生成与打印、人机接口控制、控制回路调节、参数列表、串行通信和各种组态等功能。[14][16]
操作站可分为操作员站和工程师站，其中操作员站的软件主要提供人机交互功能，工程师站软件可分为两个大部分：其中一部分是在线运行的，主要完成对 DCS 系统本身运行状态的诊断、监视和报警；另一部分是离线的组态软件，组态软件又称组态监控系统软件，是指数据采集与过程控制的专用软件，也是指在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境。组态软件是一种通过灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。[16]
可靠性高
DCS系统采用分散结构保证了系统的可靠性，同时广泛应用高可靠性的硬件设备和生产工艺，并在软件设计上实现容错技术、故障自诊断和自动处理技术。它的分散结构一方面体现在DCS在系统功能上采用了分散结构，过程控制、过程管理和数据通信等不同的功能由不同的计算机来完成，另一方面体现在按受控系统划分，相关设备可以进行分散安装，这使得某部分设备发生故障时，其他设备仍可运行。同时DCS还对电源等关键设备进行冗余配置，一旦主设备故障，后备设备也会自动接替工作，进一步保障了系统的可靠性。[6][17]
系统易拓展
DCS系统一般采用递阶数据通信网络，使通信分层。工作站通过接口挂接在网络上，系统构成更加灵活，同时采用高度集成化的硬件，设备接口标准化、模块化，这些都为系统的易拓展打下了基础。[6][17]
监视操作性能好
DCS采用高智能的操作员站，对过程现场集中监视、操作，信息量大，人机交互界面友好、直观。[6]
软件编程容易
采用标准化的功能码控制组态和控制图形界面编程，自动生成执行文件。用户只需掌握通过作图和填表进行组态的方法，很容易完成应用程序的编程，降低了对用户编程能力的要求，而且能够保证应用程序的可靠性和质量。[6]
系统维护方便
在分散的微处理器中都具有自诊断功能。它在执行应用程序的间隙，不断地执行自诊断程序。一旦发现异常，程序便会通过故障、状态指示灯，指出异常部位和异常性质，极大地缩短系统维护的时间。此外模件采用接插结构、可带电插拔，给系统的维护带来了极大的方便。[6]
应用
分散控制系统一经问世，相继在化工、石油、冶金、电力、轻工等工业领域中得到了广泛地应用，且正在向其他领域渗透。[3]
DCS系统在化工生产操作控制当中，不但能够安全保障生产链，而且成本较低，是一项经济实用性的控制系统。通过先进的科学技术进行构造，由监控网络及控制网络所组建，对化工生产操作的数据进行整合及分析，还具有高可靠性、开放性、灵活性、易于维护、协调性等各方面的优势。[18]
在冶金生产过程中， 过程控制系统完成生产工艺参数的检测、显示、记录、调节、控制、报警等功能，它对生产的产量、质量、安全都起着极其重要的作用。[19]
在智能化系统进程中，电力自动化技术在发电厂发挥着极其显著的作用，柴油发电机级分散自控系统软件逐步完善，可以实现对电厂进行精细化管理和运行。同时，可以有效降低安全生产事故发生的概率。[20]DCS可以实现对汽轮机控制系统、锅炉控制系统、烟气脱硫等方面的控制。[21]
发展趋势
在智能制造背景下，工业互联网、边缘计算、5G等新技术都可以为DCS提供技术支持，DCS也将融合人工智能技术和新一代信息技术，向智能化发展。开放式DCS赋予用户更大的系统集成自主权，推动DCS与PLC、FCS及各种控制设备和软件资源的广义集成。[17]
FCS属于新型现场总线控制系统，在DCS中融入FCS技术，进行结构转换，即从控制柜中分离DCS I/O模块，并转移到现场，实现通信与数据采集，复杂的控制策略由DCS控制，简单的控制则下放到现场，这样便可形成FCS和DCS混合控制系统。[7]
由于目前DCS数据采集设备均从控制室通过专用电缆与现场设备连接，这种情况下容易导致系统查线，连线和维护等方面存在许多不便，也进一步限制了DCS的使用空间距离及范围。采用无线连接网络结构，不仅可以减少投资，省去了繁重的施工接线，还使得系统性能得到提升。[7]
截至2020年，大部分的DCS传输实时信息均通过工业局域网来实现，但与以太网相比，局域网的传输效率较低，且产品价格更高，因此，若使用以太网来传输信息，则可以使系统网络的集成更加便利，因此也是重要的发展方向。[7]
参考资料 21
- 参考 1
- 参考 2
- 参考 3
- 参考 4
- 参考 5
- 参考 6
- 参考 7
- 参考 8
- 参考 9
- 参考 10
- 参考 11
- 参考 12
- 参考 13
- 参考 14
- 参考 15
- 参考 16
- 参考 17
- 参考 18
- 参考 19
- 参考 20
- 参考 21