淺談DCS技術(shù)現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢(shì)

左勻東

摘? 要：在工業(yè)生產(chǎn)中，自動(dòng)控制技術(shù)的作用正不斷增長，并且已成為工業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分。目前工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)控制技術(shù)主要包括工業(yè)PC、DCS和PLC技術(shù)，其中DCS技術(shù)在我國生產(chǎn)型企業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛，其不僅能分散控制相關(guān)設(shè)備，減少設(shè)備運(yùn)行中出現(xiàn)故障的次數(shù)，而且還能提高產(chǎn)能，減少企業(yè)成本，從而增加企業(yè)效益。該文通過分析DCS技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和發(fā)展過程中存在的問題，探討其未來發(fā)展的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：分散控制系統(tǒng);發(fā)展趨勢(shì);發(fā)展現(xiàn)狀

中圖分類號(hào)： TP277? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DCS是分散控制系統(tǒng)的簡稱，我國一般稱為集散控制系統(tǒng)，其是一種多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶，由過程監(jiān)控級(jí)與過程控制級(jí)組成，集控制、顯示、通信和計(jì)算機(jī)等技術(shù)于一體（如圖1所示），基本理念是集中操作、分散控制、配置靈活、分級(jí)管理和組態(tài)方便[1]。盡管目前DCS技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，但隨著科技的不斷發(fā)展，F(xiàn)CS技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線連接等新型技術(shù)的興起，也將給DCS技術(shù)的發(fā)展帶來了較大的挑戰(zhàn)。

1 DCS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)

DCS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)較多，主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面。1）DCS技術(shù)能對(duì)多個(gè)操控對(duì)象進(jìn)行運(yùn)行控制，可有效降低設(shè)備運(yùn)行時(shí)的故障率。DCS技術(shù)使控制功能較為分散，因此更能夠明確各自的控制工作。另外，DCS技術(shù)還可提高DPU（分散處理單元）設(shè)備的邏輯控制能力，由此表明DCS技術(shù)可靠性高。2） DCS技術(shù)能在各種設(shè)備及系統(tǒng)中應(yīng)用，能實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)間的信息交互，并且還能滿足各個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)擴(kuò)容的要求，在提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和擴(kuò)展性中的作用重大。3）DCS技術(shù)對(duì)用戶行業(yè)的理解決定了其方案的適用性。這一情況使得DCS供應(yīng)商提供的產(chǎn)品更適合某些行業(yè)，而不是全部，因此供應(yīng)商通常會(huì)有一個(gè)或數(shù)個(gè)較強(qiáng)的行業(yè)，但同時(shí)在一些行業(yè)里較難有突破。4） DCS技術(shù)具有分散性，各DPU控制任務(wù)較為單一，如果DCS系統(tǒng)某一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題，操作者能快速找出問題所在，并及時(shí)進(jìn)行維護(hù)，將故障有效排除，有利于保證DCS控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

盡管DCS技術(shù)存在較多優(yōu)勢(shì)，但也有一些不足，具體。表現(xiàn)為2個(gè)方面。1）工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的閥門、變送器及各類儀表大部分是模擬儀表，以模擬量操作為主，由于不具備數(shù)字信息傳輸功能，因此在進(jìn)行計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理時(shí)，有可能會(huì)出現(xiàn)問題，從而嚴(yán)重影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理的合理性。2）通常不同廠家生產(chǎn)的DCS系統(tǒng)運(yùn)行模式、組態(tài)軟件、運(yùn)行參數(shù)都有很大差異，如果不能有效解決這一問題，將有可能導(dǎo)致全廠DCS系統(tǒng)無法組網(wǎng)、系統(tǒng)應(yīng)用受限。外加DCS系統(tǒng)開放性有限，在數(shù)據(jù)信息交互轉(zhuǎn)換時(shí)，需要通過其他儀器設(shè)備進(jìn)行，如此一來，將增加DCS系統(tǒng)的運(yùn)行成本，影響DCS系統(tǒng)的發(fā)展。

2 影響DCS技術(shù)發(fā)展的技術(shù)

2.1 FCS的快速發(fā)展

FCS屬于新型現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，其是在現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上形成的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)，主要有以下3個(gè)特點(diǎn)。1）結(jié)構(gòu)方面：FCS改變了以往的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中置入控制單元，外加現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有通信功能，因此能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如閥門）的直接通信，從而使控制系統(tǒng)脫離控制室計(jì)算機(jī)的控制，在現(xiàn)場(chǎng)直接完成控制，最終達(dá)到分散控制的目的。2）技術(shù)方面：FCS系統(tǒng)開放，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)存在公開性和一致性，僅需遵守相同的標(biāo)準(zhǔn)即可完成不同設(shè)備之間的互聯(lián)，用戶可根據(jù)自身的需求，聯(lián)合不同廠商的產(chǎn)品，建立最有效且經(jīng)濟(jì)的系統(tǒng)。3）可靠性：采用了全數(shù)字信號(hào)通信，外加現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有功能自治性與智能化特點(diǎn)，因此可靠性較高，能便利維護(hù)與布線工作的開展。

2.2 軟件技術(shù)的發(fā)展

就目前工程界來說，各種獨(dú)立的SCADA軟件包也日益成熟，多數(shù)客戶也已接受，該文主要想闡述工控領(lǐng)域中新興軟件連接技術(shù)的應(yīng)用，如COM、OLEDB、ODBC和OPC等。尤其是OPC技術(shù)，其是將COM引進(jìn)工業(yè)過程的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，符合這一標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備均可與其他OPC客戶程序通信，這種技術(shù)建立了符合工控要求的接口規(guī)范，按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)和HMI、SCADA等軟件連接起來，并有效地分離應(yīng)用軟件和硬件，設(shè)備均需具備OPC接口服務(wù)器，且支持其接口的客戶程序都能通過統(tǒng)一的方式存取不同廠商的設(shè)備數(shù)據(jù)[2]，因此避免了驅(qū)動(dòng)程序重復(fù)開發(fā)，能使控制系統(tǒng)的適應(yīng)性和互操作性得到大大提高。

2.3 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展

走向透明、開放的通信協(xié)議是控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)，而DCS使用的總線尚未完全開放。相對(duì)來說，以太網(wǎng)具有兼容性佳、安裝方便、低耗和傳輸速度快等特點(diǎn)，還支持TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，故被廣泛應(yīng)用于商業(yè)系統(tǒng)中。近些年來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，控制領(lǐng)域中已用到了工業(yè)以太網(wǎng)，且產(chǎn)生了新型以太網(wǎng)控制技術(shù)，其中快速交換式以太網(wǎng)技術(shù)具有全雙工通信，能防止CSMA/CD碰撞，還可實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)機(jī)制，能夠保證網(wǎng)絡(luò)寬帶最佳實(shí)時(shí)性與最大利用率，并且網(wǎng)速持續(xù)升高。

2.4 無線連接技術(shù)的發(fā)展

無線連接技術(shù)的主要作用是采集無線數(shù)據(jù)，但由于數(shù)據(jù)可靠性問題，其較少應(yīng)用在工業(yè)控制工程中，然而隨著這種技術(shù)的逐漸成熟與標(biāo)準(zhǔn)化，其極有可能大范圍應(yīng)用在工控領(lǐng)域中，尤其是人們關(guān)注的藍(lán)牙技術(shù)，其采用FM調(diào)制方式與2.4 GHz的ISM頻段，傳輸速率為1 MHz，通過時(shí)分方式全雙工通信，目前通信距離為10 m～100 m，因此如果想應(yīng)用在工控領(lǐng)域，通信距離就必須增加。

3 DCS技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 DCS技術(shù)聯(lián)合FCS技術(shù)

盡管FCS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)較多，但在實(shí)際應(yīng)用中完全應(yīng)用FCS技術(shù)的情況較少，原因主要為開放具備現(xiàn)場(chǎng)總線接口的設(shè)備成本高，以數(shù)字式總線儀表取代傳統(tǒng)儀表的花費(fèi)較高。盡管現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)已形成，但標(biāo)準(zhǔn)太多，且各標(biāo)準(zhǔn)間的兼容性太差，如果想達(dá)到完全統(tǒng)一，還需一定時(shí)間。DCS現(xiàn)場(chǎng)控制站的組態(tài)控制適合應(yīng)用在一些復(fù)雜的工藝中，可組態(tài)復(fù)雜先進(jìn)的控制策略，這是FCS技術(shù)無法比擬的[3]。

DCS技術(shù)工程師不僅要借助FCS技術(shù)的先進(jìn)性，還要符合工程實(shí)際需求，因此需要在DCS中融入FCS技術(shù)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，即從控制柜中分離DCS I/O模塊，移到現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)通信與數(shù)據(jù)采集，復(fù)雜的控制策略由DCS控制，簡單的控制則下放到現(xiàn)場(chǎng)，如此一來就能形成FCS和DCS混合控制系統(tǒng)（如圖1所示）。

3.2 DCS技術(shù)聯(lián)合無線連接技術(shù)

目前DCS數(shù)據(jù)采集設(shè)備均從控制室通過專用電纜與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接，這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)查線、連線和維護(hù)等方面存在諸多不便，進(jìn)而使DCS的使用空間距離及范圍受到限制。采用無線連接網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不僅能減少投資，省去繁重的施工接線，還能使系統(tǒng)性能得到提高。盡管這項(xiàng)技術(shù)目前尚不成熟，但相信未來會(huì)逐漸完善。

3.3 DCS技術(shù)聯(lián)合工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)

DCS數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)是通過局域網(wǎng)通信，目前DCS傳輸實(shí)時(shí)信息都通過工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，實(shí)施全系統(tǒng)綜合管理。然而現(xiàn)場(chǎng)級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信大部分使用的是現(xiàn)場(chǎng)總線方式，與以太網(wǎng)相比，其傳輸速率較低，且產(chǎn)品價(jià)格更高。相對(duì)來說，以太網(wǎng)設(shè)備國際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、價(jià)格低廉且發(fā)展歷史將近二十多年，人們也對(duì)其系統(tǒng)協(xié)議、CSMA/CD協(xié)議和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了許多改進(jìn)，不僅使沖突碰撞的問題得到了解決，而且也大大提高了信號(hào)的傳輸速度。反之，以太網(wǎng)在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的進(jìn)一步滲入，使系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的集成更加便利。因此在工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)級(jí)引入以太網(wǎng)技術(shù)將成為DCS后期發(fā)展的重要方向。

4 結(jié)語

盡管目前DCS技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，但面臨的挑戰(zhàn)依舊較多。因此在DCS技術(shù)的未來發(fā)展過程中，應(yīng)充分借助自身優(yōu)勢(shì)，利用更先進(jìn)的技術(shù)，使其結(jié)構(gòu)與功能更加完善，從而進(jìn)一步滿足時(shí)代發(fā)展的需求。

參考文獻(xiàn)

[1]孫健.電廠熱工控制系統(tǒng)中DCS的應(yīng)用研究[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（32）：38-39.

[2]劉霞.DCS控制技術(shù)在煤礦供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].機(jī)械管理開發(fā)，2019，34（10）：190-191.

[3]孫占朋.DCS在電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用分析[J].電子制作，2019（14）：99-100.