DCS基本概念及发展历程全回顾

第一章DCS基本概念及发展历史

第一节DCS基本概念

DCS是分布式控制系统 的英文缩写（Distributed Control System），在自控行业又称之为集散控制系统 。是以微机处理为基础，以危险分散控制，操作和管理集中为特性，集先进的计算机技术、通讯技术、CRT技术和控制技术即4C技术 于一体的新型控制系统。DCS系统的理念是“分散控制”，“集中管理”，尽量将控制所造成的危险性分散，而将管理和显示功能集中的一种自动化控制系统。

DCS是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合的产物。DCS通常采用若干个控制器（过程站）对一个生产过程中的众多控制点进行控制，各控制器间通过网络连接并可进行数据交换.操作采用计算机操作站 ，通过网络与控制器连接，收集生产数据，传达操作指令。

从结构上划分，DCS包括过程级、操作级和管理级。过程级主要由过程控制站 、I/O单元 和现场仪表 组成，是系统控制功能的主要实施部分。操作级包括：操作站和工程师站 ，完成系统的操作和组态。管理级主要是指工厂管理信息系统 （MIS系统），作为DCS更高层次的应用。

第二节DCS发展历史

过程控制及自动化技术的应用，其发展历史可以追溯到古代，在工业上的应用只能从20世纪20年代算起。那时的过程控制系统为简单系统，仪表是基地式、大尺寸的。到二战前后，各种复杂的控制系统发展起来了，在控制方面，单元组合式仪表应运而生，气动单元组合仪表 （QDZ）和电动单元组合仪表 （DDZ）成为当时控制仪表的主流，随着科学技术的发展，微型计算机的出现，过程控制带来了重大突破，数字计算机进入到了工业控制领域，产生了第一代控制系统-计算机控制系统 CCS（Concentrated Control System）。CCS取代了传统的模拟仪表，从而能够使用更先进的控制技术，使过程控制发生了质的飞跃。但由于CCS控制直接面向被控对象，并未形成控制网络体系，在集中了控制的同时也集中了危险，针对CCS的缺点，人们就研制出了真正意义的工业控制网络体系DCS。1975年美国Honeywell公司发明第一套DCS系统，分散控制系统TDC-2000。

DCS的发展历史主要有五个阶段。第一代DCS是指丛其诞生的1975-1980年间所出现的第一批系统，因为这是有史以来第一批DCS,因此控制界称这个时期为初创期或开创期。这个时期的DCS包括Yokogawa（横河）公司的CENTUM系统 、Honeywell公司的TDC-2000系统、Foxboro公司的Spectrum系统 、Bailey公司的Network 90系统 、Kent公司的P4000系统 、Siemens公司的Teleperm M系统 、东芝公司的TOSDIC系统 等。第一代DCS的构成包括：过程控制单元、数据采集单元、CRT操作站、上位管理计算机以及连接各个单元和计算机的高速数据通道。第一代的主要特点是：注重控制功能的实现，分散控制，集中监视；缺点是：人机界面功能弱、通讯能力差、互换性差、成本高。

第二代DCS进入DCS发展的成熟期，是在1980到1985年前后推出的各种控制系统，其中包括Yokogawa（横河）公司的CENTUM V系统 、Honeywell公司的TDC-3000系统、Fisher公司的PROVOX 、Taylor公司的MOD300 、Westinghouse公司的WDPF等系统 。第二代的主要特点是：引入了局域网（LAN）作为系统骨干，按照网络节点的概念组织过程控制站、中央控制站、系统站、网关（Gate Way,用于兼容早期产品）。

第三代为DCS的扩展期，具体时间为1985年到2000年间。第三代DCS采用了ISO标准MAP（制造自动化规约）网络。这一时期的系统包括Yokogawa（横河）公司的CENTUM-XL和μXL系统、Foxboro公司的I/A Series系统、还有Honeywell公司的TDC3000UCN系统、Bailey公司的INFI-90、Westinghouse公司的WDPF II、Leed&Northrup公司的MAX1000、日立公司的HIACS系统等。

第四代DCS为数字化、信息化和集成化时代，时间段约为2000年至2007年间，DCS更加开放，支持各种智能仪表总线（FF，Hart），同时通过网络速度的扩展，提高系统规模化，代为为横河的CENTUM CS和CENTUM CS3000，Honeywell公司的TPS，Westinghouse公司的Oviation等。

第五代DCS为一体化、智能化时代，开始时间约为2008年，采用1G高速网络，实现控制系统一体化、智能化，从而真正实现数字化工厂。代表产品为横河的CS3000 R3和最新版的CENTUM VP，Honeywell公司的PKS，以及EMERSON的Delta V系列等。

第四代以后的DCS体系结构主要分为四层机构：现场仪表层、控制装置单元层、工厂（车间）层和企业管理层。一般DCS厂商主要提供除企业管理层之外的三层功能，而企业管理层则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）。目前的DCS充分的体现了信息化和集成化，用户已经可以采集整个工厂和过程的信息数据，这些大量的数据可以以用户需要的方式进行展现，帮助用户对生产过程进行决策。信息化体现在各DCS系统已经不是一个以控制功能为主的控制系统，而是一个充分发挥信息管理功能的综合平台系统。DCS提供了从现场到设备，从设备到车间，从车间到工厂，从工厂到企业集团整个信息通道。这些信息充分体现了全面性、准确性、实时性和系统性。目前的DCS除了提供过去常规的DCS功能、SCADA（监控和数据采集）功能，还提供了MES（制造执行系统）的大部分功能。与ERP不同，MES汇集了车间中用以管理和优化从下单到产品的生产活动全过程的相关硬件或软件组件，它控制和利用实时准确的制造信息来指导、传授、响应并报告车间发生的各项活动，同时向企业决策支持过程提供有关生产活动的任务评价信息系。MES的功能包括车间的资源分配、过程管理、质量控制、维护管理、数据采集、性能分析和物料管理等功能模型，与DCS相关的各功能模块有资源配置与状态(Resource Allocation and Status)、派遣生产单元(Dispatching Production Units)、文档控制(Document Control)、数据收集/获取(Data Collection/Acquisition)、劳工管理(Labor Management)、质量管理(Quality Management)、维护管理(Maintenance Management)、产品跟踪(Product Tracking)、性能分析（Performance Analysis）。

报警管理一直是工艺装置操作关注的重点，世界上发生的很多石油化工事故与报警管理不当有关。现代石油化工生产装置及辅助设施报警设置繁多，报警信息频繁出现，不仅给操作人员造成压力，并对重要的报警产生疏漏，导致不必要的生产损失，降低生产的安全性。制定有效的报警策略，设置报警管理系统是规范和改进报警现状的关键措施。目前的DCS控制系统更加重视报警管理，设计有专业的报警管理系统。报警管理系统（Advanced Alarm System - AAS）对工艺过程报警和控制系统报警信息进行采集、记录、分析、管理及优化，帮助操作人员发现生产过程及控制系统出现的问题并作出及时处理。报警管理系统（AAS）通过报警分组、优先级划分、报警调整、报警过滤、报警抑制，报警信息诊断分析等功能，充分发挥报警系统的功能，提高生产操作安全性。

目前的DCS控制系统也为先进控制的应用提供了强有力的硬件和软件平台。目前的过程控制工业日趋走向大型化、集成化、连续化、复杂化，对过程控制品质提出了更高的要求，控制目标已不再局限于对某一个变量，或几个变量的平稳操作，而是越来越多的加入了以经济效益为代表的其他控制要求，传统的以单变量技术为基础的控制技术已无法满足这些要求，目前大部分DCS公司开发了配套的先进控制（APC）及优化控制软件包，解决了常规控制中无法解决的问题，如大时滞、多变量耦合、被控变量和控制变量间存在着各种约束等。先进控制的出现为现在的很多企业带来了显著的经济效益。