DCS是继1969年PLC问世后，由HONEYWELL公司在1975年首先推出的系统。即：TDC2000，它只有模拟量控制。随后，相继有几十家美国仪表公司也推出自己的系统。同时，由于DCS的高额利润，负责制造传动设备的公司和计算机公司也开始涉及DCS的开发、生产。
6 l1 k6 @8 u4 U/ K/ n5 Y 从不同方向发展起来的DCS在结构上、软件方面有些区别。仪表公司开发的DCS的控制器的软件部分比较符合仪表工程人员应用的习惯，特别是组态方式比较方便。传动公司设计的 PLC部分比较好。计算机公司设计的DCS的人机界面比较友好。相继出现的DCS有MAX-1、RS3、MODⅢ、N-90、D/3、WDPF、 MICRO、ECS-1200；日本横河的YEPARK MARKⅡ、东芝的TOSDIC；，英国的P4000；德国的TELEPERM、PROCONTROL P、瑞典的AC210等。
1 @# \8 J) U% L K0 c 在硬件结构、软件应用和网络协议方面，随着计算机技术的发展，大约有三次比较大的变革。表现在操作站、DCS网络、现场总线的出现三个方面。七十年代操作站的硬件、操作系统、监控软件都是专用的，由各DCS厂家自己开发的，操作站也没有动态流程图，只有文本显示。通讯网络的协议基本上都是采用轮询方式的，在网络上设交通指挥器。八十年代就发生变化了，通讯网络较多地使用令牌方式。九十年代操作站出现了通用操作站，打开了DCS形成的自动化“孤岛”。自动化“孤岛”的形成，既有历史原因，也有商业原因，而更重要的是商业原因。九十年代末DCS通讯网络有部分开始采用以太网。21世纪初DCS和MIS系统相结合，组成综合管理信息系统。DCS的信号送到全厂和存入工厂数据库。供管理人员查询。MIS系统的数据传输，载体采用光纤网和电话线网相结合的方式。传输数据多的地方采用光纤，数据少的地方用电话线，很像公共交通中的高速公路和国道联合使用一样。称为对称数字订户线（SDSL）技术。国内已有非对称数字订户线（ADSL）技术。
; c; x( i8 D) a7 s 总的来看，DCS本身的I/O板变化主要体现在I/O板A/D的转换位数。操作站的变化体现在软、硬件的改变，通讯网络结构、协议的改进。控制器相对来讲变化要小的多。它只是由于芯片水平的提高而作一些调整。功能块的算法和组态方式是不变的。操作站主要表现在由专用机变化到通用机，监控软件由专用逐渐变化到通用。如普通微机（PC机）和小型机、FIX和INTOUCH用于操作站。专用操作站的硬件在90年代初就被淘汰。后来专用操作系统也被淘汰。目前许多 DCS系统的操作系统采用UNIX或其变种，也有中、小系统采用NT。相比较来看，UNIX的稳定性要好一些，采用NT系统死机现象发生较多。 3 j! v3 _/ Y2 u" L( s
DCS的另一个重要发展是：现场总线作为控制器的输入、输出。把现场总线作为DCS的输入、输出板，目的是解决远程信号的数据传输问题。如把HART总线做成DCS的一种输入板，可以有16个变送器连接在HART总线上。又如LONWORKS总线作为MOORE的353回路控制器的输入、输出。把两个控制回路的控制器的控制回路增加到25个控制回路。同时还能有100个开关量。变送器、执行机构和DCS的控制器的距离可达1公里以上。不仅解决了远程信号的数据传输问题，还节省了连接电缆。 现场总线的提出到现在也有将近十年的历史，为节约从变送器到控制器的连接电缆，拟把控制器甩掉而自成系统，即只有I/O板和人机界面。这种方案也在发展。相对于DCS和工厂网的发展来看，显得要缓慢一些。 @- R# q! B4 @1 ]$ ?( O1 ?/ N* m
从理论上讲，一个DCS系统可以应用于各种行业。但由于各行业有它的特殊性，所以DCS也就出现了型号与应用行业是否匹配的问题。有时也由于DCS厂家和用户的技术人员的工艺知识的局限性而引起的。例如：HONEYWELL公司对石化行业比较熟悉，其产品在石化行业应用较多，它缺少其它行业的特殊模块，如事件记录的快速模块。而ＢAILEY的产品则在电力行业应用比较普遍，这些特殊模块都已经有了。用户在选择DCS 的时候主要是要注意其技术人员对自己生产工艺的熟悉程度，然后选择符合自己要求的DCS。并应注意行业应用的特殊性，如电厂的SOE、水泥厂的大纯滞后，造纸厂的横向水分控制等。DCS系统适用于多大规模，比如使用NT操作系统的就适应于中、小规模的系统（标签量在10000点以下），最后才考虑价格因素。$ y5 o, e0 A; A9 \/ L/ D3 C8 z
各DCS厂家开发有不同类型硬件的操作站，它和控制器的不同组合会有不同的价格，其差异很大。在作系统配置时，即使是同一个系统的不同组合，价格也不一样。
/ `( y" [' r( f \# A+ W) i 专用操作站也是可改变的。以前是因为计算机技术不够发达、没有合适的软、硬件供选择，所以DCS厂家只能自己开发自己的专用操作站，因而造成封闭局面。后来则是由于DCS厂家为了保证其利益造成的，因为采用专用部件，在备件方面可以有很高的利润。但这种封闭局面总会被打破，DCS的用户只要及时了解技术的发展情况，就能选出合适的系统。
; L# q$ P8 {, J8 U6 Z3 w 国产的DCS系统在技术上可能不如进口的，但也能满足基本要求。其价格比进口的DCS至少要低一半，算上备品备件、现场服务费用，它的成本则要低很多。
& O4 ?. }% |- x DCS由四部份组成（也可以说成三部分）：I/O板、控制器、操作站和通讯网络。I/O板主要完成模拟和数字的转换（A/D和D/A转换），最初用的最多的是8位，后来是12位加1位符号位。控制器是DCS的核心部件，任务是完成以PID为主要功能的过程控制。在国际上各DCS厂家在模拟量的算法上的技术水平都相差不远，用户编写应用程序都采用很方便的组态方式（填写若干个参数）。如果说有些差别的话是各种控制器内的算法有多有少，算法的组合和组态方式有些不一样。在开关量的处理方面区别很大。有的DCS在开关量的处理方面不很方便，甚至要用语言来编。模拟量和开关量的结合也不十分理想。模拟量和开关量结合得是否好也成为评价DCS的指标。标签量的多少与操作站的软、硬件有关。但从目前PC机的水平来看，10000个标签是能满足要求的。最重要的是DCS与操作站的通讯方式。几万个标签的采用串行口可能速度不够，应采用SCSI接口。I/O板的差别在于有的有智能，有的没有。A/D转换方式是采用调频还是调幅。控制器从结构、软件等方面各DCS差别很大。一个控制器不管完成多少个 PID的运算，但是完成PID运算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控软件,操作系统和监控软件配合比较好时可以减少死机现象；在通讯网络方面，最差的是轮询方式，在网络上设有交通指挥器。较好的是令牌广播、例外报告方式，根据我们的实验，其速度要相差七八倍。
9 c: P4 L- s% I3 S$ J 根据国内外使用经验，DCS的操作站可以使用7年以上，控制器则可用15-20年。DCS的各部件的寿命与平常的维护水平有关。在投运初期，容易损坏的概率比较大，一旦投入运行，几乎是不坏的。从检修的经验来看，经检修过的模件，已修复的部分一般不会重复损坏。从部件故障概率来看，电源的损坏概率最大。
( z1 }7 b+ w# j/ N9 n0 a6 ^9 E第二讲 DCS在选型中的几个问题. d1 x+ s$ B# d2 [
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，所以在DCS运行过程中，操作站更新的情况比较多。 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，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，甚至更多。
3 b# z; @: x1 E5 `: \) Q+ {DCS操作站发展的过程（以BAILEY的操作站为例）
打印管理系统其核心是打印管理软件，把它安装在普通 PC机上，在WINDOWS平台上运行。为保证数据安全，采用RAID技术，双硬盘冗余运行。该软件是为改善计算机自动控制（DCS）操作站的打印功能，加强信息的存储、查阅和拷贝能力而开发的一套打印信息管理软件，具有功能强，界面友好，操作方便等特点。使用它可以从根本上避免过去只使用打印机时，由于打印机故障而经常造成信息丢失的现象，也可以从根本上避免有用信息淹没在大量无用信息中。使用可以将操作站的打印输出信息长期地以文件形式保存在硬盘上（视硬盘容量及打印信息量的大小，可达数月甚至数年），也可将其拷贝到其它存储设备（如：光盘等）上。 # Y# C3 a5 p! T6 G; u" k) M* N, O
打印系统可以自动识别操作站信息中的报警记录、控制操作、统计报表、事件触发报表、画面拷贝及组态列表等内容，并分别进行处理。使用它可以实时地观察到操作站的报警记录、控制操作、统计报表、事件触发报表、画面拷贝及组态列表等内容，并分别进行处理；并可以实时地观察到操作站的报警记录和控制操作等需要即时响应的数据和状态，也能方便地查阅已经接受到的所有记录。既可以使用“离线打印”对已经接收到的信息进行有选择地打印，又可以使用“在线打印”将操作员站的打印内容立即输出到打印机上。 . H% o1 `3 D9 q( w! W
后有人提出把控制和显示分开。一台计算机完成控制计算任务，另一台计算机完成显示任务。另外，一个工艺过程作为被控对象可能需要显示和控制的点很多，其中有一些还需要闭环控制或逻辑运算，工艺过程作为被控对象的各个部分会有相对独立性，可以分成若干个独立的工序，再把在计算机控制系统中独立的工序上需要显示和控制的输入、输出的点分配到数台计算机中去，把原来由一台小型机完成的运算任务由几台或几十台计算机（控制器）去完成。其中一台机器坏了不影响全局。所谓“狼群代替老虎”的战术，这就是危险分散的意思。把显示、操作、打印等管理功能集中在一起，用网络把上述完成控制和显示的两部分连成一个系统。当时有人把这种系统称为集散系统。
6 f, ~* f' A& n 危险究竟要分散到多少算合适呢？这与当时的计算机技术的发展水平有关。 70年代中期，彻底分散就是一个控制器完成一个回路的运算。当时由于人们对数字技术不太熟息，习惯于模拟仪表，70年代末、80年代曾经风行回路控制器，把数字控制器做成和原来模拟仪表在外观上几乎完全一样，不改变操作习惯 ，内部把PID运算数字化。一块仪表（一台计算机）完成一个回路的控制任务。其价格较为昂贵，但危险是分散了。然后用通讯网络把各个控制器和以CRT为基础的人机界面连成一个系统。这时网络结构通常都是星形结构。回路的控制器的制作成本太高，价格/性能比不好。后来为了减低成本，就有两回路的、四回路的控制器， 它的价格/性能比稍好一些。对于一个大中型系统来说，DCS的价格/性能比比回路控制器组成的系统要好。有些特殊地方还是要用到一些回路控制器。
; W( y1 U9 U4 l( } 如果所要完成的回路太多，如一个控制器采集几千点、完成几百个回路的运算，危险又太集中。在这种情况下，危险必需分散。随着计算机技术的发展，计算机的运算能力、存储容量和可靠性不断提高，一台计算机所完成的任务也可以增加。完成的任务也可集中一点。另外，控制器、网络等冗余技术也得到了发展，控制运算也可集中一些。
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，其中有几部分是必不可少的，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，首先把传感器的信号线接到端子。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。模拟信号要转换成数字信号，要模拟输入板。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。最后将信号送到执行器（如阀门）。由于通讯技术的发展，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线，可以把这部分省去。把作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。目前由于开发的功能块还不太多、又受到各厂家利益的限制，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。
* F) Z G: x6 W 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，用起来才会比较方便。对于用户来说，投资少、用起来又比较方便、功能比较全的系统才是合用的。
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第十讲 数据采集系统和 软DCS、软PLC
- G! g* p+ t0 W% @: d 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。只是供人机界面显示。应该说是比较简单的。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I/O板和人机界面。不过，一些行业有一些特殊要求。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，而其他采用数据采集系统（DAS）。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，但在电厂就有一些特殊要求。电厂的有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点左右的开关量。输入板的分辨率应该是毫秒级的。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。当人机界面调出查看时，能把事件的时间顺序显示出来。SOE(SEQUENCE OF EVENT)有专门的厂家制造。一些专门用于电厂的DCS系统也有这样的功能。
1 D/ M! H2 ]) j, N 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、DO）和模拟量（AI、AO）的小模块。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、B2板），模拟量8块/块板，开关量16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，再把架子安装在机柜内。以CRT为基础的人机界面在WINDOWS平台上运行。安装有带MODBUS驱动软件的监控软件，以前用 PAREGON软件，现在用的人少了，现在多用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。在美国有20 多家工厂生产这种类似的产品。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，所以逐渐在退出市场。 ) ~+ n; m" }) ~6 b; _
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，在人机界面和I/O之间加类似于PC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，因为功能块的数量比较少，所以作为有几千个I/O点的大控制系统采用OPTO22的还比较少。 $ H8 e4 t" S n6 n/ R! l* G9 O+ {' R: F
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本身免遭雷击干扰。由于制造工艺比较简单，国产的模块用户反映也很好用，但价格不到进口的一半。
' P9 j0 \# q. l3 N4 f, k) Z* ?' ^ 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，无论是运算速度，还是内存都能满足控制要求。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、梯形图移植到NT操作系统的PC机内，软件移植相当困难。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，又作为控制器，有人称它们为软DCS、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，应用仍然不太广泛。一些小系统有采用SOFT DCS和SOFT PLC。
( v. A' U i1 d: q第十一讲 DCS控制器的电源系统& I8 [" l) W$ b f2 k7 E
DCS控制器的电源分模件电源和I/O电源。模件电源输入AC 220V，输出DC 5V和15V。供给模件上的芯片用。I/O电源输入AC 220V，输出DC 24V或125V。供给现场变送器用。DC 125V用于粉尘大的行业。如水泥生产厂，环境恶劣。如果采用24V电源，有时DCS连接的继电器的结点会发生闭合不全的现象。条件好一点的工厂也可以采用24V的电源。从国内、外的运行经验来看，DCS运行5年以后，电源发生故障的概率比摸件的概率要大得多。主要的问题是电源上的电解电容的故障率比较高。 , X$ ?2 ^- q2 K9 g/ |. L. Z$ @/ H
早期国外 DCS的电源大都采用整体式电源。从两处不同地方来的交流电源送到DCS的两台电源上。冗余供电。两台电源同时供电，其中一台发生故障时，完全由另外一台电源供电。冗余电源的连接示意图见15讲。后来又采用N+1电源。这种电源也有两种，也有模件电源和I/O电源。根据计算，电源容量需要N台电源，为了安全，再加一台，所以称为N+1电源，这种提法是由美国ASTEC电源制造公司提出来的。把所有电源模件装在一个机笼内，通过电源母线向安装在机柜内的所有模件提供5V、15V和24V电源。5V的输出电流最大。如果N+1还不行，可以N+2。这种电源系统的原始思想是想让所有电源的负载均衡。每台电源公差很小。做到负载均衡，要做到这一点很困难，必须要有一套检测设备，用来检测各个电源的输出电流，然后加以调整。否则小于5V的电源永远不出力。因为电源在制造时总是有公差的，在下限公差的电源总是出力小。上限公差的电源出力大，使用时，它就容易损坏。I/O电源输出24V，如果模件电源输出的电流不能满足要求，另外可再加一台24V电源。
: ?4 u- K/ [: I" W$ H2 A ^3 {7 R3 P, { 从整体式电源到分布式电源的进步是得益于 DC/DC AC/DC块的出现，它把沉重的变压器去掉了。电源的设计变得简单了。
7 E4 s, |6 k! `# K 还有一种方案是一个机笼一个电源。这台电源只给这个机笼内的模件供电。主要是电源的地线要粗一些，并接好整个机柜的地线。否则也容易发生故障。
! l! u5 ?- W8 z, e! a' @: o第十二讲 DCS的通讯网络 S; |( w6 N8 r+ s- `
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。究竟做成几级，各厂家各不相同,并与计算机技术的发展有关。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、控制总线和DCS网络。
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0 O6 [& B4 K/ n6 e 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板相互之间并不交换数据。I/O总线的速率是不高的。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、80年代末期是80K，90年代是几兆。为了快速，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/O板和控制器之间的距离也要比较近才行。最好把控制器模件和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、LONWORKS、HART总线等。现场总线是90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。从软件来说在控制器中应该有读取和写到现场总线信号的功能块。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，离控制器机柜距璃比较远，把16个变送器来的信号编成为一组，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。控制器和变送器两者距离可达1公里以上。在从美国、欧洲进口的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，回转窑的窑头与窑尾，两者距离有几百米，如果在网络上设两个结点，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，在地理位置上不管结点安排是在窑头还是窑尾，都需要采用远程I/O。 / M( ~3 D% z3 ` v$ \
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，称为控制总线。在控制总线上的不同控制器的数量不受限制。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，控制器之间可以调用数据。使得模拟量和开关量之间的结合很好。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。控制器之间的数据调用要通过DCS网络。控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和存储器的能力比较强时，把开关量的逻辑运算和模拟量的采集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，广播发送，类似以太网的协议。 0 G) [% }# l7 h5 M* A: d* d7 U& D! o
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生产厂家无论是电缆，还是通讯口，都把它们做成冗余的。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。如美国的LEEDS—NORTHROP的MAX-1系统采用冗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。
/ k( m3 h5 }9 `( s7 W% e 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，各结点之间的距离各DCS系统不同。有的可达几百米。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，最短也有几百米，网络不够长时要加中继器。 " S1 ~1 g1 D* @# b1 P
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