1  引言

    DCS从1975年问世，至今已发展了30年。我国在上世纪70年代末和80年代初引进了DCS系统，不同型号的DCS大约有二十几种，应用于各个行业。我国以仪表控制为主的系统由计算机控制系统代替，控制水平得到了提高。当时，DCS主要完成以"PID"为基础的诸如压力、流量、物位和温度等模拟量的控制，PLC完成开关量的逻辑控制。DCS代替模拟仪表，PLC代替继电器的逻辑控制。后来两者彼此有些渗透，PLC也能完成DCS的功能，但在算法方面没有DCS那样多，组态没有DCS方便；DCS也能作一些逻辑方面的控制，但解算逻辑的速度不如PLC。DCS和PLC在不同领域的应用各有些侧重，由于DCS比PLC的价格高的多，开放性能也没有PLC好，所以一些DCS的市场被PLC占领。但一些比较复杂的控制（如电厂中的控制）和过程平稳的行业（如石化行业）还是偏向采用DCS。

    在20世纪90年代OPC服务器、DDE使用以前，不同型号的DCS、PLC、数据采集系统（SCADA）之间都无法通信，它们是相对独立的系统。特别是DCS，由于人机界面、DCS网络和相应的接口是专用的，所以它更加封闭，如霍尼韦尔的TDC3000系统，横河的Centum CS等系统从它的DCS网络LCN和E NET（vl总线）上读取数据很困难。其它DCS系统读取数据也不容易，需要开发专用的驱动软件或OPC服务器。对于老的DCS来说，操作站、控制器、I/O卡件和通信网络等都是专用的，甚至插头、插座、电缆、硬盘、键盘等都是专用的。有人称DCS为自动化的"信息孤岛"。由于DCS的销量小，所以价格也很昂贵，而为了能读DCS的数据，在不同系统连网时，专用的接口和专用的驱动软件（或OPC服务器）费用很高。与DCS相比，PLC只作为控制设备来卖，人机界面可以由用户自己配，许多通用的监控软件也提供相应的驱动软件，人机界面的价格相对的比DCS的要低一些。不同型号的PLC，可以采用相同的监控软件，只是采用不同的驱动就可以了，这种通用的人机界面开放性能比较好，因为通用的监控软件都已经带OPC服务器或DDE软件。

2  PLC存在的问题及未来发展趋势

    改善工业控制需要在不同生产设备之间实现高效、可靠、标准化的互连，使DCS在新的技术环境中发展。从现场应用来看，人机界面、控制器、I/O卡件三级硬件结构和现场总线、控制器与人机界面相连的两层网络还将维持较长的时间，有人称之为3+2结构。有关专家预言，在最近的20年内，不会改变DCS、PLC的这种结构，如图1所示。

2.1  人机界面
    人机界面包括操作站、工程师站、实时数据库等。操作站和控制器除操作系统外，主要有三种类型的软件，它们分别是人机界面的显示软件，标签数据库，由这两个软件和PC硬件构成操作站。标签数据库应该有优化软件的接口，如神经元网络的计算等。显示内容包括模拟量的趋势、报警综合、各种报表、动态流程图和各种标签。控制器的编程平台就是老DCS的工程师站。人机界面采用普通PC，Windows操作系统已经成为共识。监控软件完成显示，并和标签数据库交换数据。由驱动软件形成DCS的标签数据库，读取控制器中的数据，将运行人员的命令下传给控制器。为了能与第三方系统通讯，需增加OPC服务器，以便能读、写不同系统的数据。目前人机界面的监控软件有几十种，在我国应用比较多的如国外的InTouch、iFIX、Citect、Cimplicity、WinCC和RSView等，国产的有组态王、力控等。采用这些软件作DCS的人机界面时，应该考查该软件有没有这种型号的驱动软件或OPC服务器。如果有，就可以考虑作操作站用，然后考虑原DCS的老操作站的文本和图形能否用软件转换。如果不能用软件转换，文本和图形必须手工制作，需要化费大量的时间和精力。

    比较新的软件应该支持VB、C++等语言，并支持ActiveX、DDE、OPC等，以便在软件转换和互连中起作用，并有实时数据库的功能，而且能利用微软的一些软件和控件。

    人机界面的主要缺陷是目前还没有确立国际标准，各家的软件编制差别很大。即使同一个型号的软件，由于版本不同，相互也不能重复使用操作站的组态。使得用户在作操作站的技术改造时，都要花很多时间和精力来画图和建立标签数据库，而且，在同一个操作站内建立数据库、做趋势、报警时都要做一遍。如果大家都遵从一个标准来描述一件事物，就可以节省很多时间和精力，做到"一次设计，多次使用"。因为被控对象有相似的地方，尤其在做控制系统改造时，被控对象是不会改变的，阀门还是阀门、管道还是管道，只是人们在描述这些事物时，采用不同方法而造成很大的区别。在用户使用时，由于采用不同的监控软件，造成时间和精力的很大浪费。如果现场采用两种以上型号的监控软件，在转换时，也要花费很大的精力。笔者认为应该把XML的技术应用到监控软件的编制中。最新软件SL-GMS已经采用XML技术，并且具有动态图形的能力，另一个重要发展是把监控软件和微软的DNA技术结合在一起。意大利的Movicon软件与微软的技术结合很紧，它有许多系统的驱动软件，如Modbus、以太网等，但是它缺乏老系统的驱动软件。因为目前老系统和新老系统是并用的，并且老系统不会在短时间内退出市场，这样也影响Movicon的应用范围。

2.2  I/O
    原来各系统的I/O都是定制的，一种系统一套I/O卡件，与别的系统不能互换。各种型号的DCS由它们自己定制的AI卡接收现场来的4~20mA信号，经过A/D转换后，作为控制器计算的原始数据。DI卡接收开关量信号。由AO卡经D/A转换后送4~20 mA的信号给执行机构。DO卡送开关量给现场。

    目前在现场应用的变送器和阀门还是以模拟量的为主，数字的占很少部份。数字变送器和阀门的价格比较高，还没有达到人们能接受的程度。在相当一段时间内，控制器的定制I/O和现场总线并用。还有一种DCS的控制器就是采用PLC的I/O卡。控制器设计一种或几种PLC的I/O卡的接口，供用户选择，与人机界面、控制器集成以后成为DCS系统，如美国的UCOS系统；人机界面采用SL-GMS软件，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，西门子的PLC的I/O，大大减少产品的开发时间。

2.3  现场总线
    所谓现场总线是指现场仪表和数字控制系统输入/输出之间的全数字化、双向、多站的通信系统。

    对于一些现场仪表，如秤量设备、荧光分析仪器等，大都设计有HART总线、Modbus总线的接口。在控制器的I/O这一级现在应用的有40多种现场总线，其中有12种现场总线已经成为国际标准，其余的也在使用。DCS的控制器应该有定制I/O卡件的接口和现场总线的接口，两者同时应用，效果更好。现场总线传输远程I/O信号，近程的I/O仍然可以采用定制I/O卡件。如果采用FF总线，因为FF总线本身有许多功能块，能完成以"PID"为主的控制任务，所以能减轻控制器的负担。艾默生的DeltaV系统采用FF总线和HART总线，作为控制器的I/O，控制器把它们用不同的驱动软件集中起来，一个控制器可以连接几条现场总线，扩大系统。DeltaV系统既可以接收模拟信号，也可以接收现场总线的信号，所以销路很好。又如SDS现场总线，它是霍尼韦尔的产品，用于管道和矿区的数据采集，作为远程的SCADA/RTU系统，应用也很普遍。HART虽然不在IEC的标准内，但在仪表中的应用也不少。12种国际标准的现场总线的其中4种是在1999年投票前就已经成为标准的，如SDS，DeviceNet、CAN、ASI，后来投票通过的有FF、HSE、  Profibus、PNet、ControlNet、SwiftNet、WorldFIP、Interbus这8种。只有FF和HSE是从DCS发展起来的，FF是低速总线，HSE是高速以太网总线。其它都是从可编程控制器发展起来的。PNet、SwiftNet是在专用领域内使用。其它9种总线的竞争是很激烈的，在近期内作为标准的总线和不作为标准的总线共存，随着时间的推移，市场竞争将会只有几种占主导地位。好几种总线都有国际化组织，各自都企图拓宽自己的应用领域，并极力开发与其它总线的接口。

    我国在1995年就积极参加国际标准化的工作，在产品设计时，尽量参照国际标准。日本承认国际标准是在21世纪，日本的总线开发比较晚，通常也不符合国际标准，在DCS开发方面，与欧美相比，尤其在通信方面，要晚一些。现场总线是由美国、欧洲发起的，国际标准化也是由它们主持的。CC-link虽然没有成为国际标准，但它有国际化组织，通过500家会员公司销售、使用自己的产品，在我国也有40多家会员公司。

2.4  工业以太网
    以太网全面进入工业控制领域，不仅用在控制器和人机界面之间的连接网络，以太网现场总线正在蓬勃发展。以太网现场总线是值得关注的总线。把以太网作为现场总线，使得现场总线的竞争更加激烈。施耐德开发的设备能与多种总线相连接，它提出e网到底的总线方案，意思是在整个控制系统中，都采用以太网，它把Modbus协议嵌入到以太网中。以太网应用很广泛，因为Modbus协议的源代码是公开的，许多现场仪表和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的驱动软件。Modbus信号既可以通过RS485来传输，也可以通过以太网来传输。

    以太网接口卡和交换机很多，但目前都是在办公自动化中使用，如果成为工业产品在价格上会贵一些。总的来说，以太网应用比较多，比其它现场总线部件的价格低。工业以太网已经在许多地方得到应用。有的控制器和I/O卡都有以太网接口。如美国的SIXNET公司，它的产品一个部件有几个以太网口。虽然以太网的时间上的不确定性的问题现在基本都已经解决，但以太网的本质安全问题仍然存在。

    虽然把以太网作为工厂自动化最底层的总线还存在一些问题，但将其用作连接人机界面和控制器之间的网络已经达到共识，它使得DCS能与Web相连，能与企业的ERP、MIS系统相连。目前这种网上的软件在市场上已有不少，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机为基础的，插卡式安装和导轨式安装的结构应用都很普遍，通常称为软DCS或软PLC，如艾默生公司的OVATION系统就是软DCS。

    DCS的控制器采用如QNX、VxWorks、pSOS等实时操作系统，向下具有多种现场总线的接口，如Profibus-DP、 ControlNet、HART等。在控制器中不需要预存很多常规的控制算法，可以存一些先进的控制算法。常规算法把它们存在安装编程软件的PC机中，该PC机相当于原来老DCS的工程师站。不过原来的工程师站只是控制器的组态工具，算法是存在控制器的ROM中的。这是因为原来DCS的控制器的CPU的运算速度不够快，存储器的容量小，为了合理利用CPU的运算能力和节省存储器的容量，工程师站只提供组态的工具。各家的控制器硬件为了节省运算时间和存储空间，设计了许多处理硬件的办法，如把算法存在控制器的ROM中，工程师站的组态方案存在NVRAM中，CPU根据组态的控制策略调用ROM中的功能块和NVRAM中的参数。由于硬件处理方法不同，所以用于组态的工程师站也各不相同，可能差别很大，在做技术改造时，使得从事应用的技术人员将精力消耗在掌握使用工具和使用技巧上，而控制本身却无力过问。

    由于PC机运算速度的提高、存储容量的增加，芯片的大幅度的降价，人们不用考虑在这方面的问题，如PC104这样的机器就足以解决控制方面的运算和存储问题。因此，现在把算法存在工程师站中，组态后，下装到控制器，控制器的CPU只要按照编程软件的组态进行计算。所以DCS、PLC的硬件和软件都可以设计成一样。编程软件已经有国际标准，就是IEC61131-3标准，它能用5种语言编程，它们分别是梯形图、功能块、指令表、结构文本和顺序功能图。符合IEC61131-3标准的软件已经有十多种，应用比较多的有加拿大的ISaGRAF，美国的Incontrol，德国的CoDeSys、OpenPCS，英国的MOST和俄罗斯的Trace Mode等，中国也开发了这样的软件。有许多家的控制器支持相应的编程软件，如ISaGRAF是由法国CJ公司开发的，加拿大Altersys和英国ICS Triplex公司购买了知识产权。到目前为止，已经有五百多厂家的硬件采用它作为编程平台，设计出DCS的控制器。CoDeSys软件也有十几家公司的控制器采用它作为编程平台。

    德国有几家公司的控制器直接采用PC机的底板、微软的Windows操作系统（如Windows NT、Windows 2000等），如倍福和菲尼克斯，采用PC机底板，和Interbus或其它现场总线相连。PC机的编程软件都符合IEC61131国际标准。

3  结语

    由于自动控制系统目前正处于新老系统交接的时候，老系统的改造和新建项目控制系统的选型是很重要的事情。如果选择的系统即将退出市场，不仅以后系统的备件会有困难，系统联网也将付出很高代价。
设备向多元化方向发展，无论是现场总线、以太网还是人机界面，各种产品都很多，用户可以根据需要选择，开发商的重要工作是设计控制器和多种现场总线的接口。系统集成将在工业控制中起重要作用。