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說到控制系統(tǒng)很多人貌似說得頭頭是道，繼續(xù)深究下去，什么是控制器，什么是PLC，什么是DCS，什么是FCS？三兩句話介紹完基本概念后，頓時語塞，怎么聊都感覺枯燥生硬。今天易維通來挑戰(zhàn)一下這個枯燥的話題，什么是DCS？歡迎留言拍磚。
我們首先可以明確的是：DCS是歷史悠久的典型控制系統(tǒng)形態(tài)。控制系統(tǒng)分上下位機(jī)，上位機(jī)組態(tài)偏重GUI（圖形用戶界面），下位機(jī)組態(tài)偏重算法。
有朋友可能會問什么是組態(tài)？
其實組態(tài)就是搭建系統(tǒng)軟件和硬件環(huán)境，再簡單地說，組態(tài)就是用已有的簡單功能組合出更復(fù)雜的功能。
那上下位機(jī)又是什么呢？
舉個例子：設(shè)想自己開發(fā)一個控制系統(tǒng)。首先要做的是告訴計算機(jī)自己想干什么，然后由計算機(jī)通知控制器，最后控制器再告訴執(zhí)行器具體該怎么做。這里面我其實只跟計算機(jī)發(fā)生對話，這里的計算機(jī)就是上位機(jī)，接受計算機(jī)指令的控制器就是下位機(jī)。
其實計算機(jī)和控制器本質(zhì)上說都是計算機(jī)，只是外在表現(xiàn)形式，應(yīng)用環(huán)境和編程方式的差異，導(dǎo)致我們必須采取一些便于理解的命名方式。上位機(jī)要跟人互動，所以偏重GUI，有顯示器或觸摸屏、鼠標(biāo)和鍵盤燈外設(shè)等人機(jī)交互設(shè)備。下位機(jī)要跟執(zhí)行機(jī)構(gòu)互動，所以偏重算法，人們要把需求編寫成可執(zhí)行的程序下載到下位機(jī)，上位機(jī)給出的指令觸發(fā)下位機(jī)程序執(zhí)行，下位機(jī)更像是一個黑盒子，執(zhí)行過程中人們無法直觀的看到每一個過程和步驟，只能對結(jié)果進(jìn)行分析，對不對，準(zhǔn)不準(zhǔn)，好不好。
那組態(tài)和上下位機(jī)跟DCS有什么關(guān)系呢？
Distributed Control System-->DCS（分布式控制系統(tǒng)），因為DCS也是控制系統(tǒng)，遵循控制系統(tǒng)的基本形態(tài)，也有上下位機(jī)，也要進(jìn)行軟件和硬件組態(tài)。Distributed分布式是講DCS這個控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和差異化。
因此我們要搞明白什么是DCS就要從分布式這個特點(diǎn)開始。
1 DCS的進(jìn)化史
人們普遍認(rèn)為任何事物要分析他們的特點(diǎn)和差異化，就要回答兩個哲學(xué)問題。
1）從哪里來？2）到哪里去？
同理，我們想知道什么是DCS，什么是分布式，就離不開DCS的進(jìn)化史和發(fā)展方向。
接下來我們從四次工業(yè)革命對過程工業(yè)控制系統(tǒng)的影響來聊一聊DCS的進(jìn)化和發(fā)展。幫助大家更深刻的理解DCS。
第一次工業(yè)革命，蒸汽時代，自動控制只能完成很簡單的功能。按物理點(diǎn)位計算，只是現(xiàn)在的DI和DO，能實現(xiàn)的功能是：開和關(guān)，也就是一臺機(jī)車的啟停而已。最多就是在一些外設(shè)機(jī)械設(shè)備參與下實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和簡單的速度控制。家喻戶曉的瓦特公認(rèn)為是蒸汽機(jī)的發(fā)明者，但其實蒸汽機(jī)的出現(xiàn)比瓦特出生還要早許多，而最初期的DCS還跟蒸汽機(jī)有密切的關(guān)系，這是為什么呢？關(guān)于這段故事，易維通新上線的【4堂課丨實現(xiàn)DCS系統(tǒng)快速入門】中，DCS高級工程師文杞梓和您細(xì)細(xì)分享。
第二次工業(yè)革命，電氣化時代，諸如繼電器等電子設(shè)備普及，人們開始在現(xiàn)場就地控制一些大型設(shè)備。和之前對比改善在于，比如一個設(shè)備特別大，我用了就地控制就不用爬上設(shè)備去做啟停操作了。再后來，人們還覺得麻煩，因為從這個設(shè)備跑到那個設(shè)備進(jìn)行操作也很麻煩。所以，就把這些需要控制的按鈕都放在一個屋子里，再裝上簡單的指示燈，操作員盯著顯示屏上一大堆指示燈，隨時準(zhǔn)備按下操作臺上一排排的啟停按鈕。
第三次工業(yè)革命，信息時代，隨著電子計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，控制系統(tǒng)一直發(fā)展，形成了成熟的集中控制系統(tǒng)，到現(xiàn)在CCR（Central Control Room）也可以叫做集控中心。為什么后來又分散了？因為人們發(fā)現(xiàn)集中控制會出現(xiàn)很多問題，當(dāng)點(diǎn)位過于集中，控制規(guī)模過大的時候，如果某一個關(guān)鍵路徑（模塊）出現(xiàn)問題，可能導(dǎo)致很大一片控制區(qū)域癱瘓。這是中央集權(quán)制度的通病，一倒一大片。所以，人們考慮把硬件做的分散一些，并且分散到控制區(qū)域附近，增加操作員站，并且保留CCR。其中操作員站處理現(xiàn)場具體事務(wù)，CCR監(jiān)管整個控制區(qū)域的銜接、協(xié)調(diào)事務(wù)。人們依然在控制室里面，但整個系統(tǒng)運(yùn)行卻更穩(wěn)定了。
除此之外，為了提高通信效率，通過完善，又進(jìn)化出了新種族FCS（Fildebus Control System，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）意思是說原來你為了通信要為每一種甚至每一個控制組建配備一名類似通訊員一樣的角色，可機(jī)構(gòu)太臃腫、隊伍太龐大導(dǎo)致效率低下，所以取消一對一的通信，大家都通過指定機(jī)構(gòu)完成所有通信工作，這個指定機(jī)構(gòu)就是現(xiàn)場總線（Fildebus）。
第四次工業(yè)革命，物聯(lián)網(wǎng)時代，人們做了很多完善工作，讓控制系統(tǒng)看上去更高大上一些，更多決策輔助，更多數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析。于是分支出或添加了許多功能比如OEE、MES、ERP…
隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，最近又出來個新控制系統(tǒng)：ICS，大致思路是系統(tǒng)功能化、硬件模塊化、組織機(jī)構(gòu)扁平化…
2 DCS的系統(tǒng)構(gòu)成
以上說了DCS的進(jìn)化史，有點(diǎn)務(wù)虛了，朋友們會問，那現(xiàn)在DCS的基本形態(tài)和構(gòu)成是怎樣的呢？相信下面這張圖能夠很直觀的解釋DCS是什么、干什么用的。
舉個例子：因為某個工藝需要，水箱液位需要保持在一定范圍內(nèi)，當(dāng)水箱液位出現(xiàn)較大波動且超出此范圍后，可以選擇去現(xiàn)場手動調(diào)節(jié)控制水位的閥門，也可以通過DCS發(fā)出指令去調(diào)節(jié)。
就如下圖所示，DCS相當(dāng)于大腦，對眼睛看到的情況（即現(xiàn)場檢測儀表傳輸過來的信號，如水位降低）做出反應(yīng)（即發(fā)出指令，如增大進(jìn)水閥開度），現(xiàn)場執(zhí)行設(shè)備接受到指令做出相應(yīng)的動作（如增大進(jìn)水閥門開度，保持水位在一定范圍）。
舉了的這些個例子，好像都是過程工業(yè)范疇的，那么例如汽車等離散制造業(yè)呢？在那里有另外一個明星產(chǎn)品PLC。下一次，我們就來談一談什么是PLC。
PLC和DCS在工業(yè)自動化控制中占有舉足輕重的地位，而工業(yè)自動化控制是國家工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的核心。PLC以及DCS在工業(yè)控制的各個環(huán)節(jié)中不斷的升級、完善，已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)制造中不可或缺的工具。
1、DCS和PLC的定義
DCS控制系統(tǒng)，在國內(nèi)自控行業(yè)又稱之為集散控制系統(tǒng)。即所謂的分布式控制系統(tǒng)，是相對于集中控制系統(tǒng)而言的一種新型計算機(jī)控制系統(tǒng)，它是在集中控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展、演變而來的。
DCS作為一個集過程控制和過程監(jiān)控為一體的計算機(jī)綜合系統(tǒng)，在通信網(wǎng)絡(luò)的不斷帶動下，DCS系統(tǒng)已經(jīng)成為了一個綜合計算機(jī)，通信、顯示和控制等4C技術(shù)的完整體系。其主要特點(diǎn)是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活以及組態(tài)方便。
現(xiàn)如今的DCS系統(tǒng)可以廣泛地用于工業(yè)裝置的生產(chǎn)控制和經(jīng)營管理，在化工、電力、冶金等流程自動化領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)十分普及。
PLC，即邏輯可編程控制器，是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程，是工業(yè)控制的核心部分。
2、DCS和PLC控制器的差別
DCS和PLC控制器的主要差別是在開關(guān)量和模擬量的運(yùn)算上，即使后來兩者相互有些滲透，但是仍然有區(qū)別。80年代以后，PLC除邏輯運(yùn)算外，也增加了一些控制回路算法，但要完成一些復(fù)雜運(yùn)算還是比較困難，PLC用梯形圖編程，模擬量的運(yùn)算在編程時不太直觀，編程比較麻煩。但在解算邏輯方面，表現(xiàn)出快速的優(yōu)點(diǎn)。而DCS使用功能塊封裝模擬運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，無論是邏輯運(yùn)算還是復(fù)雜模擬運(yùn)算的表達(dá)形式都非常清晰，但相對PLC來說邏輯運(yùn)算的表達(dá)效率較低。
3、DCS和PLC在火電廠的應(yīng)用
在火電廠熱工自動化領(lǐng)域，DCS和PLC是兩個完全不同而又有著千絲萬縷聯(lián)系的概念。DCS和PLC都是計算機(jī)技術(shù)與工業(yè)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，火電廠主機(jī)控制系統(tǒng)用的是DCS，而PLC主要應(yīng)用在電廠輔助車間。DCS和PLC都有操作員站提供人機(jī)交互的手段、都依靠基于計算機(jī)技術(shù)的控制器完成控制運(yùn)算、都通過I/O卡件完成與一次元件和執(zhí)行裝置的數(shù)據(jù)交換、都具備稱之為網(wǎng)絡(luò)的通信系統(tǒng)。
隨著國內(nèi)電廠裝機(jī)容量的不斷擴(kuò)大及電力系統(tǒng)改革的推進(jìn)，對輔助車間控制的要求也不斷提高，在這個大環(huán)境，DCS系統(tǒng)進(jìn)入輔助車間控制已成為趨勢。NT6000DCS因其綜合的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，已經(jīng)并將繼續(xù)在輔助車間控制方面發(fā)揮越來越大的作用。
在輔助車間應(yīng)用廣泛的PLC也并不會就此退出熱工自動化的歷史舞臺，前所未有的競爭壓力，將會促使PLC廠商在技術(shù)上向DCS標(biāo)準(zhǔn)靠攏，在價格上作出更大的努力。DCS和PLC市場競爭的結(jié)果，將會使用戶獲得更大的利益。
4、DCS和PLC的控制處理能力
一個PLC的控制器，往往能夠處理幾千個I/O點(diǎn)（最多可達(dá)8000多個I/O）。而DCS的控制器，一般只能處理幾百個I/O點(diǎn)（不超過500個I/O）。
從集散體系的要求來說，不允許有控制集中的情況出現(xiàn)，太多點(diǎn)數(shù)的控制器在實際應(yīng)用中是毫無用處的，DCS開發(fā)人員根本就沒有開發(fā)帶很多I/O點(diǎn)數(shù)控制器的需要驅(qū)動，他們的主要精力在于提供體系的可靠性和靈活性。而PLC不一樣，作為一個獨(dú)立的柔性控制裝置，帶點(diǎn)能力越強(qiáng)當(dāng)然也就代表其技術(shù)水平越高了，至于整個控制體系的應(yīng)用水平呢，這主要是工程商和用戶的事情，而不是PLC制造商的核心目標(biāo)?？刂铺幚砟芰Φ牧硪粋€指標(biāo)，運(yùn)算速度，在人們印象當(dāng)中PLC也比DCS要快很多。
新型的DCS控制器學(xué)習(xí)了大型PLC的設(shè)計，在控制周期方面的表現(xiàn)獲得了大幅度的提高。以NT6000DCS的T2550控制器為例?？刂破骺梢栽O(shè)置四個不同優(yōu)先級的任務(wù)，最小運(yùn)算周期可以設(shè)為10ms，配合高速I/O卡件，控制周期能夠達(dá)到15~20ms。而模擬量運(yùn)算設(shè)置在其它周期較長的任務(wù)中。
5、DCS和PLC的市場情況和發(fā)展方向
在熱工自動化領(lǐng)域，主廠房控制系統(tǒng)基本上毫無例外地使用DCS。而在輔助車間才使用PLC。其主要原因是早期的DCS系統(tǒng)非常昂貴，人們認(rèn)為輔助車間的運(yùn)行可以間斷，可靠性要求不是很高，且模擬量控制要求較少，從降低成本的角度出發(fā)，往往選擇PLC來構(gòu)建控制系統(tǒng)。而鍋爐、汽機(jī)和發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)，要求長期穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，信號中含有相當(dāng)比例的模擬量，從系統(tǒng)的性能出發(fā)，人們不得不選擇了昂貴的DCS。
另外，分析一下主廠房DCS和輔助車間控制系統(tǒng)的市場競爭情況，我們會發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象。主廠房DCS的競爭往往在不同品牌的供應(yīng)商或代理商之間展開，競爭激烈，DCS的價格不斷下調(diào)。而輔助車間控制系統(tǒng)的競爭往往在同一品牌PLC的各個工程商之間進(jìn)行，門檻較低，競爭更加激烈，但是PLC的價格下調(diào)幅度卻并不如DCS明顯。主要原因是DCS的生產(chǎn)商直接參與競爭，在巨大的市場壓力下，不斷下調(diào)設(shè)備制造費(fèi)用和工程實施費(fèi)用。而PLC的生產(chǎn)商不直接參與競爭，各個工程商只能下調(diào)自身有限的工程費(fèi)用，空間有限。從現(xiàn)在情況看來，DCS與高檔PLC的價格差距已不明顯，輔助車間仍然較多地采用PLC，是市場的慣性使然。
PLC和DCS產(chǎn)品市場可謂風(fēng)起云涌、競爭激烈?？v觀PLC市場群星璀璨：世界上有200多家公司生產(chǎn)400多個品種系列的PLC，應(yīng)用于電力、石油石化、冶金、材料、包裝、造紙、汽車和市政各個行業(yè)。從行業(yè)角度來看，國外廠商占山為王，有著屬于各自的勢力范圍。
DCS市場與PLC相差無幾，基本由國外業(yè)內(nèi)強(qiáng)者所把持，可喜的是一批本土廠商如Hollysys、Supcon、Xinhua等企業(yè)逐漸發(fā)展壯大。由于DCS技術(shù)含量高，很多對產(chǎn)品的需求都建立在項目的基礎(chǔ)上，這樣對DCS的需求也將是一個周期性較長的過程，因此DCS市場格局短時間內(nèi)難有較大改變。當(dāng)然，由于行業(yè)發(fā)展速度的不規(guī)律性，側(cè)重行業(yè)不同的公司可能會因此而發(fā)生一些變化。
在今后的控制系統(tǒng)的發(fā)展中，我們將會看到DCS和PLC技術(shù)逐漸融合的局面，這對它們各自的發(fā)展以及各行各業(yè)的發(fā)展都有種促進(jìn)的作用。
plc和dcs的區(qū)別
1、從發(fā)展的方面來說：
DCS從傳統(tǒng)的儀表盤監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展而來。因此，DCS從先天性來說較為側(cè)重儀表的控制，比如我們使用的YOKOGAWA CS3000 DCS系統(tǒng)甚至沒有PID數(shù)量的限制（PID，比例微分積分算法，是調(diào)節(jié)閥、變頻器閉環(huán)控制的標(biāo)準(zhǔn)算法，通常PID的數(shù)量決定了可以使用的調(diào)節(jié)閥數(shù)量）。 PLC從傳統(tǒng)的繼電器回路發(fā)展而來，最初的PLC甚至沒有模擬量的處理能力，因此，PLC從開始就強(qiáng)調(diào)的是邏輯運(yùn)算能力。
2、從系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和兼容性的方面來說：
市場上控制類產(chǎn)品繁多，無論DCS還是PLC，均有很多廠商在生產(chǎn)和銷售。對于PLC系統(tǒng)來說，一般沒有或很少有擴(kuò)展的需求，因為PLC系統(tǒng)一般針對于設(shè)備來使用。一般來講，PLC也很少有兼容性的要求，比如兩個或以上的系統(tǒng)要求資源共享，對PLC來講也是很困難的事。而且PLC一般都采用專用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，比如西門子的MPI總線性網(wǎng)絡(luò)，甚至增加一臺操作員站都不容易或成本很高。
DCS在發(fā)展的過程中也是各廠家自成體系，但大部分的DCS系統(tǒng)，比如橫河YOKOGAWA、霍尼維爾、ABB等等，雖說系統(tǒng)內(nèi)部（過程級）的通訊協(xié)議不盡相同，但操作級的網(wǎng)絡(luò)平臺不約而同的選擇了以太網(wǎng)絡(luò)，采用標(biāo)準(zhǔn)或變形的TCP/IP協(xié)議。diangon.com這樣就提供了很方便的可擴(kuò)展能力。在這種網(wǎng)絡(luò)中，控制器、計算機(jī)均作為一個節(jié)點(diǎn)存在，只要網(wǎng)絡(luò)到達(dá)的地方，就可以隨意增減節(jié)點(diǎn)數(shù)量和布置節(jié)點(diǎn)位置。另外，基于windows系統(tǒng)的OPC、DDE等開放協(xié)議，各系統(tǒng)也可很方便的通訊，以實現(xiàn)資源共享。
3、從數(shù)據(jù)庫來說：
DCS一般都提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫。換句話說，在DCS系統(tǒng)中一旦一個數(shù)據(jù)存在于數(shù)據(jù)庫中，就可在任何情況下引用，比如在組態(tài)軟件中，在監(jiān)控軟件中，在趨勢圖中，在報表中……而PLC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫通常都不是統(tǒng)一的，組態(tài)軟件和監(jiān)控軟件甚至歸檔軟件都有自己的數(shù)據(jù)庫。為什么常說西門子的S7 400要到了414以上才稱為DCS？因為西門子的PCS7系統(tǒng)才使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，而PCS7要求控制器起碼到S7 414-3以上的型號。
4、從時間調(diào)度上來說：
PLC的程序一般不能按事先設(shè)定的循環(huán)周期運(yùn)行。PLC程序是從頭到尾執(zhí)行一次后又從頭開始執(zhí)行。（現(xiàn)在一些新型PLC有所改進(jìn)，不過對任務(wù)周期的數(shù)量還是有限制）而DCS可以設(shè)定任務(wù)周期。比如，快速任務(wù)等。同樣是傳感器的采樣，壓力傳感器的變化時間很短，我們可以用200ms的任務(wù)周期采樣，而溫度傳感器的滯
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