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1  引言

    DCS從1975年問世，至今已發展了30年。我國在上世紀70年代末和80年代初引進了DCS系統，不同型號的DCS大約有二十幾種，應用于各個行業。我國以儀表控制為主的系統由計算機控制系統代替，控制水平得到了提高。當時，DCS主要完成以"PID"為基礎的諸如壓力、流量、物位和溫度等模擬量的控制，PLC完成開關量的邏輯控制。DCS代替模擬儀表，PLC代替繼電器的邏輯控制。后來兩者彼此有些滲透，PLC也能完成DCS的功能，但在算法方面沒有DCS那樣多，組態沒有DCS方便；DCS也能作一些邏輯方面的控制，但解算邏輯的速度不如PLC。DCS和PLC在不同領域的應用各有些側重，由于DCS比PLC的價格高的多，開放性能也沒有PLC好，所以一些DCS的市場被PLC占領。但一些比較復雜的控制（如電廠中的控制）和過程平穩的行業（如石化行業）還是偏向采用DCS。

    在20世紀90年代OPC服務器、DDE使用以前，不同型號的DCS、PLC、數據采集系統（SCADA）之間都無法通信，它們是相對獨立的系統。特別是DCS，由于人機界面、DCS網絡和相應的接口是專用的，所以它更加封閉，如霍尼韋爾的TDC3000系統，橫河的Centum CS等系統從它的DCS網絡LCN和E NET（vl總線）上讀取數據很困難。其它DCS系統讀取數據也不容易，需要開發專用的驅動軟件或OPC服務器。對于老的DCS來說，操作站、控制器、I/O卡件和通信網絡等都是專用的，甚至插頭、插座、電纜、硬盤、鍵盤等都是專用的。有人稱DCS為自動化的"信息孤島"。由于DCS的銷量小，所以價格也很昂貴，而為了能讀DCS的數據，在不同系統連網時，專用的接口和專用的驅動軟件（或OPC服務器）費用很高。與DCS相比，PLC只作為控制設備來賣，人機界面可以由用戶自己配，許多通用的監控軟件也提供相應的驅動軟件，人機界面的價格相對的比DCS的要低一些。不同型號的PLC，可以采用相同的監控軟件，只是采用不同的驅動就可以了，這種通用的人機界面開放性能比較好，因為通用的監控軟件都已經帶OPC服務器或DDE軟件。

2  PLC存在的問題及未來發展趨勢

    改善工業控制需要在不同生產設備之間實現高效、可靠、標準化的互連，使DCS在新的技術環境中發展。從現場應用來看，人機界面、控制器、I/O卡件三級硬件結構和現場總線、控制器與人機界面相連的兩層網絡還將維持較長的時間，有人稱之為3+2結構。有關專家預言，在最近的20年內，不會改變DCS、PLC的這種結構，如圖1所示。

2.1  人機界面
    人機界面包括操作站、工程師站、實時數據庫等。操作站和控制器除操作系統外，主要有三種類型的軟件，它們分別是人機界面的顯示軟件，標簽數據庫，由這兩個軟件和PC硬件構成操作站。標簽數據庫應該有優化軟件的接口，如神經元網絡的計算等。顯示內容包括模擬量的趨勢、報警綜合、各種報表、動態流程圖和各種標簽。控制器的編程平臺就是老DCS的工程師站。人機界面采用普通PC，Windows操作系統已經成為共識。監控軟件完成顯示，并和標簽數據庫交換數據。由驅動軟件形成DCS的標簽數據庫，讀取控制器中的數據，將運行人員的命令下傳給控制器。為了能與第三方系統通訊，需增加OPC服務器，以便能讀、寫不同系統的數據。目前人機界面的監控軟件有幾十種，在我國應用比較多的如國外的InTouch、iFIX、Citect、Cimplicity、WinCC和RSView等，國產的有組態王、力控等。采用這些軟件作DCS的人機界面時，應該考查該軟件有沒有這種型號的驅動軟件或OPC服務器。如果有，就可以考慮作操作站用，然后考慮原DCS的老操作站的文本和圖形能否用軟件轉換。如果不能用軟件轉換，文本和圖形必須手工制作，需要化費大量的時間和精力。

    比較新的軟件應該支持VB、C++等語言，并支持ActiveX、DDE、OPC等，以便在軟件轉換和互連中起作用，并有實時數據庫的功能，而且能利用微軟的一些軟件和控件。

    人機界面的主要缺陷是目前還沒有確立國際標準，各家的軟件編制差別很大。即使同一個型號的軟件，由于版本不同，相互也不能重復使用操作站的組態。使得用戶在作操作站的技術改造時，都要花很多時間和精力來畫圖和建立標簽數據庫，而且，在同一個操作站內建立數據庫、做趨勢、報警時都要做一遍。如果大家都遵從一個標準來描述一件事物，就可以節省很多時間和精力，做到"一次設計，多次使用"。因為被控對象有相似的地方，尤其在做控制系統改造時，被控對象是不會改變的，閥門還是閥門、管道還是管道，只是人們在描述這些事物時，采用不同方法而造成很大的區別。在用戶使用時，由于采用不同的監控軟件，造成時間和精力的很大浪費。如果現場采用兩種以上型號的監控軟件，在轉換時，也要花費很大的精力。筆者認為應該把XML的技術應用到監控軟件的編制中。最新軟件SL-GMS已經采用XML技術，并且具有動態圖形的能力，另一個重要發展是把監控軟件和微軟的DNA技術結合在一起。意大利的Movicon軟件與微軟的技術結合很緊，它有許多系統的驅動軟件，如Modbus、以太網等，但是它缺乏老系統的驅動軟件。因為目前老系統和新老系統是并用的，并且老系統不會在短時間內退出市場，這樣也影響Movicon的應用范圍。

2.2  I/O
    原來各系統的I/O都是定制的，一種系統一套I/O卡件，與別的系統不能互換。各種型號的DCS由它們自己定制的AI卡接收現場來的4~20mA信號，經過A/D轉換后，作為控制器計算的原始數據。DI卡接收開關量信號。由AO卡經D/A轉換后送4~20 mA的信號給執行機構。DO卡送開關量給現場。

    目前在現場應用的變送器和閥門還是以模擬量的為主，數字的占很少部份。數字變送器和閥門的價格比較高，還沒有達到人們能接受的程度。在相當一段時間內，控制器的定制I/O和現場總線并用。還有一種DCS的控制器就是采用PLC的I/O卡。控制器設計一種或幾種PLC的I/O卡的接口，供用戶選擇，與人機界面、控制器集成以后成為DCS系統，如美國的UCOS系統；人機界面采用SL-GMS軟件，控制器的I/O采用AB的PLC的I/O、GE的PLC的I/O、施耐德的Quantum的I/O，西門子的PLC的I/O，大大減少產品的開發時間。

2.3  現場總線
    所謂現場總線是指現場儀表和數字控制系統輸入/輸出之間的全數字化、雙向、多站的通信系統。

    對于一些現場儀表，如秤量設備、熒光分析儀器等，大都設計有HART總線、Modbus總線的接口。在控制器的I/O這一級現在應用的有40多種現場總線，其中有12種現場總線已經成為國際標準，其余的也在使用。DCS的控制器應該有定制I/O卡件的接口和現場總線的接口，兩者同時應用，效果更好。現場總線傳輸遠程I/O信號，近程的I/O仍然可以采用定制I/O卡件。如果采用FF總線，因為FF總線本身有許多功能塊，能完成以"PID"為主的控制任務，所以能減輕控制器的負擔。艾默生的DeltaV系統采用FF總線和HART總線，作為控制器的I/O，控制器把它們用不同的驅動軟件集中起來，一個控制器可以連接幾條現場總線，擴大系統。DeltaV系統既可以接收模擬信號，也可以接收現場總線的信號，所以銷路很好。又如SDS現場總線，它是霍尼韋爾的產品，用于管道和礦區的數據采集，作為遠程的SCADA/RTU系統，應用也很普遍。HART雖然不在IEC的標準內，但在儀表中的應用也不少。12種國際標準的現場總線的其中4種是在1999年投票前就已經成為標準的，如SDS，DeviceNet、CAN、ASI，后來投票通過的有FF、HSE、  Profibus、PNet、ControlNet、SwiftNet、WorldFIP、Interbus這8種。只有FF和HSE是從DCS發展起來的，FF是低速總線，HSE是高速以太網總線。其它都是從可編程控制器發展起來的。PNet、SwiftNet是在專用領域內使用。其它9種總線的競爭是很激烈的，在近期內作為標準的總線和不作為標準的總線共存，隨著時間的推移，市場競爭將會只有幾種占主導地位。好幾種總線都有國際化組織，各自都企圖拓寬自己的應用領域，并極力開發與其它總線的接口。

    我國在1995年就積極參加國際標準化的工作，在產品設計時，盡量參照國際標準。日本承認國際標準是在21世紀，日本的總線開發比較晚，通常也不符合國際標準，在DCS開發方面，與歐美相比，尤其在通信方面，要晚一些。現場總線是由美國、歐洲發起的，國際標準化也是由它們主持的。CC-link雖然沒有成為國際標準，但它有國際化組織，通過500家會員公司銷售、使用自己的產品，在我國也有40多家會員公司。

2.4  工業以太網
    以太網全面進入工業控制領域，不僅用在控制器和人機界面之間的連接網絡，以太網現場總線正在蓬勃發展。以太網現場總線是值得關注的總線。把以太網作為現場總線，使得現場總線的競爭更加激烈。施耐德開發的設備能與多種總線相連接，它提出e網到底的總線方案，意思是在整個控制系統中，都采用以太網，它把Modbus協議嵌入到以太網中。以太網應用很廣泛，因為Modbus協議的源代碼是公開的，許多現場儀表和DCS的控制器都支持Modbus。有的DCS的控制器有硬件支持Modbus，有的有Modbus的驅動軟件。Modbus信號既可以通過RS485來傳輸，也可以通過以太網來傳輸。

    以太網接口卡和交換機很多，但目前都是在辦公自動化中使用，如果成為工業產品在價格上會貴一些。總的來說，以太網應用比較多，比其它現場總線部件的價格低。工業以太網已經在許多地方得到應用。有的控制器和I/O卡都有以太網接口。如美國的SIXNET公司，它的產品一個部件有幾個以太網口。雖然以太網的時間上的不確定性的問題現在基本都已經解決，但以太網的本質安全問題仍然存在。

    雖然把以太網作為工廠自動化最底層的總線還存在一些問題，但將其用作連接人機界面和控制器之間的網絡已經達到共識，它使得DCS能與Web相連，能與企業的ERP、MIS系統相連。目前這種網上的軟件在市場上已有不少，如OPC、DDE、Historian、INSQL、ODBC、Infoplus等。

2.5  控制器
    新DCS的控制器最多的是以PC機為基礎的，插卡式安裝和導軌式安裝的結構應用都很普遍，通常稱為軟DCS或軟PLC，如艾默生公司的OVATION系統就是軟DCS。

    DCS的控制器采用如QNX、VxWorks、pSOS等實時操作系統，向下具有多種現場總線的接口，如Profibus-DP、 ControlNet、HART等。在控制器中不需要預存很多常規的控制算法，可以存一些先進的控制算法。常規算法把它們存在安裝編程軟件的PC機中，該PC機相當于原來老DCS的工程師站。不過原來的工程師站只是控制器的組態工具，算法是存在控制器的ROM中的。這是因為原來DCS的控制器的CPU的運算速度不夠快，存儲器的容量小，為了合理利用CPU的運算能力和節省存儲器的容量，工程師站只提供組態的工具。各家的控制器硬件為了節省運算時間和存儲空間，設計了許多處理硬件的辦法，如把算法存在控制器的ROM中，工程師站的組態方案存在NVRAM中，CPU根據組態的控制策略調用ROM中的功能塊和NVRAM中的參數。由于硬件處理方法不同，所以用于組態的工程師站也各不相同，可能差別很大，在做技術改造時，使得從事應用的技術人員將精力消耗在掌握使用工具和使用技巧上，而控制本身卻無力過問。

    由于PC機運算速度的提高、存儲容量的增加，芯片的大幅度的降價，人們不用考慮在這方面的問題，如PC104這樣的機器就足以解決控制方面的運算和存儲問題。因此，現在把算法存在工程師站中，組態后，下裝到控制器，控制器的CPU只要按照編程軟件的組態進行計算。所以DCS、PLC的硬件和軟件都可以設計成一樣。編程軟件已經有國際標準，就是IEC61131-3標準，它能用5種語言編程，它們分別是梯形圖、功能塊、指令表、結構文本和順序功能圖。符合IEC61131-3標準的軟件已經有十多種，應用比較多的有加拿大的ISaGRAF，美國的Incontrol，德國的CoDeSys、OpenPCS，英國的MOST和俄羅斯的Trace Mode等，中國也開發了這樣的軟件。有許多家的控制器支持相應的編程軟件，如ISaGRAF是由法國CJ公司開發的，加拿大Altersys和英國ICS Triplex公司購買了知識產權。到目前為止，已經有五百多廠家的硬件采用它作為編程平臺，設計出DCS的控制器。CoDeSys軟件也有十幾家公司的控制器采用它作為編程平臺。

    德國有幾家公司的控制器直接采用PC機的底板、微軟的Windows操作系統（如Windows NT、Windows 2000等），如倍福和菲尼克斯，采用PC機底板，和Interbus或其它現場總線相連。PC機的編程軟件都符合IEC61131國際標準。

3  結語

    由于自動控制系統目前正處于新老系統交接的時候，老系統的改造和新建項目控制系統的選型是很重要的事情。如果選擇的系統即將退出市場，不僅以后系統的備件會有困難，系統聯網也將付出很高代價。
設備向多元化方向發展，無論是現場總線、以太網還是人機界面，各種產品都很多，用戶可以根據需要選擇，開發商的重要工作是設計控制器和多種現場總線的接口。系統集成將在工業控制中起重要作用。