啥是DCS？能了解多少？

葫芦岛电工

啥是DCS？能了解多少？


说到控制系统很多人貌似说得头头是道，继续深究下去，什么是控制器，什么是PLC，什么是DCS，什么是FCS？三两句话介绍完基本概念后，顿时语塞，怎么聊都感觉枯燥生硬。今天我们来挑战一下这个枯燥的话题，什么是DCS？欢迎一起来探讨学习。

我们首先可以明确的是：DCS是历史悠久的典型控制系统形态。控制系统分上下位机，上位机组态偏重GUI（图形用户界面），下位机组态偏重算法。

有朋友可能会问什么是组态？
其实组态就是搭建系统软件和硬件环境，再简单地说，组态就是用已有的简单功能组合出更复杂的功能。

那上下位机又是什么呢？
举个例子：设想自己开发一个控制系统。首先要做的是告诉计算机自己想干什么，然后由计算机通知控制器，最后控制器再告诉执行器具体该怎么做。这里面我其实只跟计算机发生对话，这里的计算机就是上位机，接受计算机指令的控制器就是下位机。

其实计算机和控制器本质上说都是计算机，只是外在表现形式，应用环境和编程方式的差异，导致我们必须采取一些便于理解的命名方式。上位机要跟人互动，所以偏重GUI，有显示器或触摸屏、鼠标和键盘灯外设等人机交互设备。下位机要跟执行机构互动，所以偏重算法，人们要把需求编写成可执行的程序下载到下位机，上位机给出的指令触发下位机程序执行，下位机更像是一个黑盒子，执行过程中人们无法直观的看到每一个过程和步骤，只能对结果进行分析，对不对，准不准，好不好。

那组态和上下位机跟DCS有什么关系呢？
Distributed Control System-->DCS（分布式控制系统），因为DCS也是控制系统，遵循控制系统的基本形态，也有上下位机，也要进行软件和硬件组态。Distributed分布式是讲DCS这个控制系统的特点和差异化。
因此我们要搞明白什么是DCS就要从分布式这个特点开始。

1 DCS的进化史
人们普遍认为任何事物要分析他们的特点和差异化，就要回答两个哲学问题。
1）从哪里来？2）到哪里去？
同理，我们想知道什么是DCS，什么是分布式，就离不开DCS的进化史和发展方向。
接下来我们从四次工业革命对过程工业控制系统的影响来聊一聊DCS的进化和发展。帮助大家更深刻的理解DCS。

第一次工业革命，蒸汽时代，自动控制只能完成很简单的功能。按物理点位计算，只是现在的DI和DO，能实现的功能是：开和关，也就是一台机车的启停而已。最多就是在一些外设机械设备参与下实现正反转和简单的速度控制。家喻户晓的瓦特公认为是蒸汽机的发明者，但其实蒸汽机的出现比瓦特出生还要早许多，而最初期的DCS还跟蒸汽机有密切的关系，这是为什么呢？关于这段故事，易维通新上线的【4堂课丨实现DCS系统快速入门】中，DCS高级工程师文杞梓和您细细分享。

第二次工业革命，电气化时代，诸如继电器等电子设备普及，人们开始在现场就地控制一些大型设备。和之前对比改善在于，比如一个设备特别大，我用了就地控制就不用爬上设备去做启停操作了。再后来，人们还觉得麻烦，因为从这个设备跑到那个设备进行操作也很麻烦。所以，就把这些需要控制的按钮都放在一个屋子里，再装上简单的指示灯，操作员盯着显示屏上一大堆指示灯，随时准备按下操作台上一排排的启停按钮。

第三次工业革命，信息时代，随着电子计算机技术的发展，控制系统一直发展，形成了成熟的集中控制系统，到现在CCR（Central Control Room）也可以叫做集控中心。为什么后来又分散了？因为人们发现集中控制会出现很多问题，当点位过于集中，控制规模过大的时候，如果某一个关键路径（模块）出现问题，可能导致很大一片控制区域瘫痪。这是中央集权制度的通病，一倒一大片。所以，人们考虑把硬件做的分散一些，并且分散到控制区域附近，增加操作员站，并且保留CCR。其中操作员站处理现场具体事务，CCR监管整个控制区域的衔接、协调事务。人们依然在控制室里面，但整个系统运行却更稳定了。
除此之外，为了提高通信效率，通过完善，又进化出了新种族FCS（Fildebus Control System，现场总线控制系统）意思是说原来你为了通信要为每一种甚至每一个控制组建配备一名类似通讯员一样的角色，可机构太臃肿、队伍太庞大导致效率低下，所以取消一对一的通信，大家都通过指定机构完成所有通信工作，这个指定机构就是现场总线（Fildebus）。

第四次工业革命，物联网时代，人们做了很多完善工作，让控制系统看上去更高大上一些，更多决策辅助，更多数据统计和分析。于是分支出或添加了许多功能比如OEE、MES、ERP…
随着物联网时代的到来，最近又出来个新控制系统：ICS，大致思路是系统功能化、硬件模块化、组织机构扁平化…

2 DCS的系统构成
以上说了DCS的进化史，有点务虚了，朋友们会问，那现在DCS的基本形态和构成是怎样的呢？相信下面这张图能够很直观的解释DCS是什么、干什么用的。
举个例子：因为某个工艺需要，水箱液位需要保持在一定范围内，当水箱液位出现较大波动且超出此范围后，可以选择去现场手动调节控制水位的阀门，也可以通过DCS发出指令去调节。
就如下图所示，DCS相当于大脑，对眼睛看到的情况（即现场检测仪表传输过来的信号，如水位降低）做出反应（即发出指令，如增大进水阀开度），现场执行设备接受到指令做出相应的动作（如增大进水阀门开度，保持水位在一定范围）。

举了的这些个例子，好像都是过程工业范畴的，那么例如汽车等离散制造业呢？在那里有另外一个明星产品PLC。下一次，我们就来谈一谈什么是PLC。
　　PLC和DCS在工业自动化控制中占有举足轻重的地位，而工业自动化控制是国家工业发展战略的核心。PLC以及DCS在工业控制的各个环节中不断的升级、完善，已经成为现代工业生产制造中不可或缺的工具。
　　1、DCS和PLC的定义
　　DCS控制系统，在国内自控行业又称之为集散控制系统。即所谓的分布式控制系统，是相对于集中控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中控制系统的基础上发展、演变而来的。
　　DCS作为一个集过程控制和过程监控为一体的计算机综合系统，在通信网络的不断带动下，DCS系统已经成为了一个综合计算机，通信、显示和控制等4C技术的完整体系。其主要特点是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。
　　现如今的DCS系统可以广泛地用于工业装置的生产控制和经营管理，在化工、电力、冶金等流程自动化领域的应用已经十分普及。
　　PLC，即逻辑可编程控制器，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，是工业控制的核心部分。
　　2、DCS和PLC控制器的差别
　　DCS和PLC控制器的主要差别是在开关量和模拟量的运算上，即使后来两者相互有些渗透，但是仍然有区别。80年代以后，PLC除逻辑运算外，也增加了一些控制回路算法，但要完成一些复杂运算还是比较困难，PLC用梯形图编程，模拟量的运算在编程时不太直观，编程比较麻烦。但在解算逻辑方面，表现出快速的优点。而DCS使用功能块封装模拟运算和逻辑运算，无论是逻辑运算还是复杂模拟运算的表达形式都非常清晰，但相对PLC来说逻辑运算的表达效率较低。
　　3、DCS和PLC在火电厂的应用
　　在火电厂热工自动化领域，DCS和PLC是两个完全不同而又有着千丝万缕联系的概念。DCS和PLC都是计算机技术与工业控制技术相结合的产物，火电厂主机控制系统用的是DCS，而PLC主要应用在电厂辅助车间。DCS和PLC都有操作员站提供人机交互的手段、都依靠基于计算机技术的控制器完成控制运算、都通过I/O卡件完成与一次元件和执行装置的数据交换、都具备称之为网络的通信系统。
　　随着国内电厂装机容量的不断扩大及电力系统改革的推进，对辅助车间控制的要求也不断提高，在这个大环境，DCS系统进入辅助车间控制已成为趋势。NT6000DCS因其综合的技术经济优势，已经并将继续在辅助车间控制方面发挥越来越大的作用。
　　在辅助车间应用广泛的PLC也并不会就此退出热工自动化的历史舞台，前所未有的竞争压力，将会促使PLC厂商在技术上向DCS标准靠拢，在价格上作出更大的努力。DCS和PLC市场竞争的结果，将会使用户获得更大的利益。
　
　　4、DCS和PLC的控制处理能力
　　一个PLC的控制器，往往能够处理几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。而DCS的控制器，一般只能处理几百个I/O点（不超过500个I/O）。
　　从集散体系的要求来说，不允许有控制集中的情况出现，太多点数的控制器在实际应用中是毫无用处的，DCS开发人员根本就没有开发带很多I/O点数控制器的需要驱动，他们的主要精力在于提供体系的可靠性和灵活性。而PLC不一样，作为一个独立的柔性控制装置，带点能力越强当然也就代表其技术水平越高了，至于整个控制体系的应用水平呢，这主要是工程商和用户的事情，而不是PLC制造商的核心目标。控制处理能力的另一个指标，运算速度，在人们印象当中PLC也比DCS要快很多。
　　新型的DCS控制器学习了大型PLC的设计，在控制周期方面的表现获得了大幅度的提高。以NT6000DCS的T2550控制器为例。控制器可以设置四个不同优先级的任务，最小运算周期可以设为10ms，配合高速I/O卡件，控制周期能够达到15~20ms。而模拟量运算设置在其它周期较长的任务中。
　　5、DCS和PLC的市场情况和发展方向
　　在热工自动化领域，主厂房控制系统基本上毫无例外地使用DCS。而在辅助车间才使用PLC。其主要原因是早期的DCS系统非常昂贵，人们认为辅助车间的运行可以间断，可靠性要求不是很高，且模拟量控制要求较少，从降低成本的角度出发，往往选择PLC来构建控制系统。而锅炉、汽机和发电机的控制系统，要求长期稳定可靠地运行，信号中含有相当比例的模拟量，从系统的性能出发，人们不得不选择了昂贵的DCS。
　　另外，分析一下主厂房DCS和辅助车间控制系统的市场竞争情况，我们会发现一个有趣的现象。主厂房DCS的竞争往往在不同品牌的供应商或代理商之间展开，竞争激烈，DCS的价格不断下调。而辅助车间控制系统的竞争往往在同一品牌PLC的各个工程商之间进行，门槛较低，竞争更加激烈，但是PLC的价格下调幅度却并不如DCS明显。主要原因是DCS的生产商直接参与竞争，在巨大的市场压力下，不断下调设备制造费用和工程实施费用。而PLC的生产商不直接参与竞争，各个工程商只能下调自身有限的工程费用，空间有限。从现在情况看来，DCS与高档PLC的价格差距已不明显，辅助车间仍然较多地采用PLC，是市场的惯性使然。
　　PLC和DCS产品市场可谓风起云涌、竞争激烈。纵观PLC市场群星璀璨：世界上有200多家公司生产400多个品种系列的PLC，应用于电力、石油石化、冶金、材料、包装、造纸、汽车和市政各个行业。从行业角度来看，国外厂商占山为王，有着属于各自的势力范围。
　　DCS市场与PLC相差无几，基本由国外业内强者所把持，可喜的是一批本土厂商如Hollysys、Supcon、Xinhua等企业逐渐发展壮大。由于DCS技术含量高，很多对产品的需求都建立在项目的基础上，这样对DCS的需求也将是一个周期性较长的过程，因此DCS市场格局短时间内难有较大改变。当然，由于行业发展速度的不规律性，侧重行业不同的公司可能会因此而发生一些变化。
　　在今后的控制系统的发展中，我们将会看到DCS和PLC技术逐渐融合的局面，这对它们各自的发展以及各行各业的发展都有种促进的作用。

　　plc和dcs的区别
　　1、从发展的方面来说：
　　DCS从传统的仪表盘监控系统发展而来。因此，DCS从先天性来说较为侧重仪表的控制，比如我们使用的YOKOGAWA CS3000 DCS系统甚至没有PID数量的限制（PID，比例微分积分算法，是调节阀、变频器闭环控制的标准算法，通常PID的数量决定了可以使用的调节阀数量）。PLC从传统的继电器回路发展而来，最初的PLC甚至没有模拟量的处理能力，因此，PLC从开始就强调的是逻辑运算能力。
　　2、从系统的可扩展性和兼容性的方面来说：
　　市场上控制类产品繁多，无论DCS还是PLC，均有很多厂商在生产和销售。对于PLC系统来说，一般没有或很少有扩展的需求，因为PLC系统一般针对于设备来使用。一般来讲，PLC也很少有兼容性的要求，比如两个或以上的系统要求资源共享，对PLC来讲也是很困难的事。而且PLC一般都采用专用的网络结构，比如西门子的MPI总线性网络，甚至增加一台操作员站都不容易或成本很高。
　　DCS在发展的过程中也是各厂家自成体系，但大部分的DCS系统，比如横河YOKOGAWA、霍尼维尔、ABB等等，虽说系统内部（过程级）的通讯协议不尽相同，但操作级的网络平台不约而同的选择了以太网络，采用标准或变形的TCP/IP协议。diangon.com这样就提供了很方便的可扩展能力。在这种网络中，控制器、计算机均作为一个节点存在，只要网络到达的地方，就可以随意增减节点数量和布置节点位置。另外，基于windows系统的OPC、DDE等开放协议，各系统也可很方便的通讯，以实现资源共享。
　　3、从数据库来说：
　　DCS一般都提供统一的数据库。换句话说，在DCS系统中一旦一个数据存在于数据库中，就可在任何情况下引用，比如在组态软件中，在监控软件中，在趋势图中，在报表中……而PLC系统的数据库通常都不是统一的，组态软件和监控软件甚至归档软件都有自己的数据库。为什么常说西门子的S7 400要到了414以上才称为DCS？因为西门子的PCS7系统才使用统一的数据库，而PCS7要求控制器起码到S7 414-3以上的型号。
　
    　4、从时间调度上来说：
　　PLC的程序一般不能按事先设定的循环周期运行。PLC程序是从头到尾执行一次后又从头开始执行。（现在一些新型PLC有所改进，不过对任务周期的数量还是有限制）而DCS可以设定任务周期。比如，快速任务等。同样是传感器的采样，压力传感器的变化时间很短，我们可以用200ms的任务周期采样，而温度传感器的滞后时间很大，我们可以用2s的任务周期采样。这样，DCS可以合理的调度控制器的资源。
　　5、从网络结构发面来说：
　　一般来讲，DCS惯常使用两层网络结构，一层为过程级网络，大部分DCS使用自己的总线协议，比如横河的Modbus、西门子和ABB的Profibus、ABB的 CAN bus等，这些协议均建立在标准串口传输协议RS232或RS485协议的基础上。现场IO模块，特别是模拟量的采样数据（机器代码，213/扫描周期）十分庞大，同时现场干扰因素较多，因此应该采用数据吞吐量大、抗干扰能力强的网络标准。基于RS485串口异步通讯方式的总线结构，符合现场通讯的要求。
　　IO的采样数据经CPU转换后变为整形数据或实形数据，在操作级网络（第二层网络）上传输。因此操作级网络可以采用数据吞吐量适中、传输速度快、连接方便的网络标准，同时因操作级网络一般布置在控制室内，对抗干扰的要求相对较低。因此采用标准以太网是最佳选择。TCP/IP协议是一种标准以太网协议，一般我们采用100Mbit/s的通讯速度。
　　PLC系统的工作任务相对简单，因此需要传输的数据量一般不会太大，所以常见的PLC系统为一层网络结构。过程级网络和操作级网络要么合并在一起，要不过程级网络简化成模件之间的内部连接。PLC不会或很少使用以太网。
　　6、从应用对象的规模上来说：
　　PLC一般应用在小型自控场所，比如设备的控制或少量的模拟量的控制及联锁，而大型的应用一般都是DCS。当然，这个概念不太准确，但很直观，习惯上我们把大于600点的系统称为DCS，小于这个规模叫做PLC。我们的热泵及QCS、横向产品配套的控制系统一般就是称为PLC。