分散型控制系统(DCS)技术发展趋势分析

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摘要：分散型控制系统dcs作为一种成熟的技术在当今的工控领域占有主导地位, 但是随着现场总线控制系统FCS技术的成熟, 网络技术的飞速发展、软件技术的不断创新和无线连接技术的出现, DCS面临诸多机遇与挑战。本文主要阐述了集散控制系统（DCS）的应用现状和DCS实现分散化的关键，并对分散型控制系统(DCS)技术发展趋势进行了探讨。

关键词：分散性控制系统；技术；发展趋势

中图分类号： TL503.6 文献标识码： A 文章编号：

一、集散控制系统（DCS）的应用现状

集散控制系统从问世以来，进行了三次比较大的变革，70年代无动态流程图、操作站是专用的，通信网络采用轮询方式。80年代通信网络开始渐渐使用使用令牌方式。90年代出现了通用系统操作站，以太网开始进入通信网络领域。20多年来，DCS已经广泛应用于各工业领域，成为工业控制系统的主流。近年来，新推出的DCS开始采用国际标准化组织开放系统互联标准模型；采用通用工作站克服专用工作站的弊端；增加光纤接口，采用光纤作为通信介质，以提高系统的抗干扰能力和本质安全；不断的更新和完善应用软件使其更加适用于工业生产现场。

二、TCP/IP协议是DCS实现分散化的关键

最早提供真正分散型控制技术的生产制造商之一是Foxboro公司。该公司在1987 年就推出了I/A系列分散型控制系统（CDS），该系统区别于那些不是真正分散的，而基于集中控制方式的控制系统。Foxboro 公司已经提供了一种10Mbps 基于以太网(Ethernet)现场总线的网络系统，该网络系统为安装在现场的智能化现场总线模件与贯穿整个工厂范围内的分散型过程控制系统之间提供了安全、低价格数字化通信链路。

现在，Foxboro公司提供的基于Windows NT和UNIX操作系统的I/A系列分散型控制系统自身向上能够得到扩展，同时向外也能够很好融合所有基于TCP/IP信息传输协议的国际互联网(Internet)和企业内部互联网(Intranet)技术。例如，几年前的动态性能监控系统(DPMS)允许生产制造主管人员或者Foxboro 公司过程控制专家在线分析生产运行过程的各种信息数据，以便进一步优化生产过程工艺，只要采用了TCP/IP 信息传输协议，而不论这些人员所处的位置在什么地方。

为什么TCP/IP 信息传输协议在工业过程控制应用中显得如此重要呢? 我们看到越来越多的过程控制系统应用采用了TCP/IP 信息传输协议。几年前，公共工业通信网络通常被应用于过程控制器的连网。现在的工业用户都受到过不同程度的良好教育，具有丰富的网络知识结构，因而对网络系统的要求也是越来越高。我们相信，工业用户能够从原来台式应用系统的进一步衍生中获得新的知识，另一方面过程控制设备硬件和部件的价格也会大大降低。在网络系统组建中工业用户还有谁不愿意采用30美元的100M网卡，而去采用需要花费上千美元的56K专用网卡呢。这些建议已经被硬件生产制造商所采纳，他们现在开始提供基于TCP/IP 信息传输协议的设备来替代传统的网络设备。

三、分散性控制系统（DCS）的发展趋势

工业控制领域中各种新技术不断涌现，新的控制方案和控制思想对传统的DCS 控制发起了有力挑战，但从另一方面看，这些技术又为DCS 的发展提供了更多的机遇。所以DCS 要紧跟时代步伐，不断采用最新的技术和思想来充实、完善自己，就是要做到“与时俱进”。下面就针对上文提出一些DCS 发展趋势。

1、充分利用现场总线技术将DCS进一步分散化

上面可以看出FCS有许多优点，但在实际应用之中完全的FCS很少，究其原因主要如下: 开发具有现场总线接口的设备成本过高，对企业来说将传统的仪表更换为总线仪表花费过高；虽然现场总线已经形成标准，但标准太多( IEC 规定的就有8种标准总线)，而且各种标准之间互相排斥，做到完全统一尚须时日；对一些复杂的工艺过程，DCS现场控制站的组态控制具有优越性，能够组态先进复杂的控制策略，但FCS 无法与之相比。

对于广大技术人员而言，既要利用FCS技术的先进性，又要适应客观实际，这就需要将FCS技术融于DCS之中，采用如图3所示的结构转换，就是将DCS中的I/O模块从控制柜中分离出来,移至现场来完成数据采集和通讯，对一些简单的控制下放到现场，而对复杂的控制策略继续由DCS控制实现，这样就组成了DCS和FCS的混合控制系统，它兼得二者之优点，不失为一种可选的控制思想。

图3 将FCS技术融于DCS中的结构

2、将工业控制网络引入DCS，将其完全网络化

DCS数据通讯网络是典型的局域网通讯，当今的DCS都采用工业局域网技术来传输实时信息，进行全系统综合管理。但在现场级中与各种现场设备通讯多采用现场总线方式，它的传输速率较之以太网低，产品价格却大大高于以太网产品。相比而言，以太网设备价格低廉、国际标准统一，并且已有近20年的发展历史，人们对其拓扑结构、CSMA/CD协议和系统协议也提出了许多改进措施,从根本上解除了冲突碰撞，信号传输速度有了大幅度提升，从另一方面讲，以太网的进一步渗入现场级使得整个系统网络更加容易集成。所以，将以太网技术引入工业控制现场级是DCS 未来发展的一个重要方向。

3、将无线连接技术引入DCS

目前的DCS 中数据采集设备都采用专用电缆和控制室相连，这样在系统接线、查线、维护等方面造成很多不便，从而限制了DCS 的使用范围和空间距离。如果采用如图4 的无线连接网络结构，则可省去繁重的接线，同时减少了投资，提高了系统性能。虽然目前这项技术还不是很成熟,但“没有做不到，只有想不到”。因此，有理由相信随着技术的进步，无线连接技术在DCS 中大显身手并非神话。

图4无线技术在DCS 中的应用

四、网络控制系统存在的问题及未来研究的主要方向

网络控制系统作为一种 新的研究课题，还有许多问题需要进一步研究和解决。首先网络控制系统以网络为基础，网络的性能直接影响NCS系统的应用。另外作为一种控制系统，控制性能同样是非常重要的研究内容，现有的网络控制系统模型和控制技术有各自的优点。如何实现对基于网络的非线性动态系统建模和控制、网络时延随机分布特性对控制系统性能的影响等是今后研究的重点。安全机制及防范技术还不成熟。总之，无论是从控制策略的设计还是从网络资源的调度来看，NCS的研究还远远不够，理论研究的进展仍然不能与技术应用现状和迫切需求相适应。

结束语

在现代数控系统中，高速、高精度始终是运动控制技术追求的目标。充分利用DSP 的强大的数据运算处理能力，进行复杂的运动规划、高速实时多轴插补、误差补偿和更复杂的运动学、动力学计算，使得运动控制精度更高、速度更快、运动更加平稳；充分利用DSP 和FPGA 技术，使系统的结构更加开放。总之，DCS作为一项成熟的工程技术，在以后的发展方向应在各种软件( 包括DCS与DCS，DCS 与其他软件) 之间互相通讯--软连接技术上下工夫，促使DCS的大同化；作为一种新出现的技术，无线连接技术还显幼嫩，但它代表了一种全新的思路，DCS应时刻关注它的发展，在技术成熟时将其引入自己的系统。

参考文献：

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