DCS前世今生（1）

舞长安

1、计算机控制系统
计算机控制是关于计算机技术如何应用于工业生产过程自动化的一门综合性学问。计算机控制的应用领域是非常广泛的，从计算机应用的角度出发，工业自动化是其重要的一个领域；而从自动化的领域来看，计算机控制系统又是其主要的实现手段。可以说，计算机控制系统与用于科学计算及数据处理的一般计算机是两类不同用途、不同结构组成的计算机系统。  计算机控制系统是融计算机技术与工业过程控制于一体的综合性技术，它是在常规仪表控制系统的基础上发展起来的。  液位控制系统是一个基本的常规控制系统，结构组成如图 1 所示。
系统中的测量变送器对被控对象进行检测，把被控量 ( 如温度、压力、流量、液位、转速、位移等物理量 )转换成电信号 ( 电流或电压 ) 再反馈到控制器中。控制器将此测量值与给定值进行比较，并按照一定的控制规律产生相应的控制信号驱动执行器工作，使被控量跟踪给定值，从而实现自动控制的目的。


2、计算机控制系统的发展概况与趋势
计算机控制系统是融计算机技术与工业过程控制为一体的计算机应用的领域，其发展历程必然与计算机技术的发展息息相关。  
计算机控制技术及系统的发展大体上经历了以下几个阶段。  
1965年以前是试验阶段。1946年，世界上第一台电子计算机问世，又历经十余年的研究，1958年，美国 Louisina公司的电厂投入了第一个计算机安全监视系统。1959年，美国Texaco公司的炼油厂安装了第一个计算机闭环控制系统。1960年，美国 Monsanto公司的氨厂实现了第一个计算机监督控制系统。1962年，美国 Monsanto公司的乙烯厂实现了第一个直接数字计算机控制系统。
早期的计算机采用电子管，不仅运算速度慢、价格贵，而且体积大、可靠性差。所以，这一阶段，计算机系统主要用于数据处理和操作指导。  
1965年到1969年是实用阶段。随着半导体技术与集成电路技术的发展，出现了专用于工业过程控制的高性能价格比的小型计算机。但当时的硬件可靠性还不够高，且所有的监视和控制任务都由一台计算机来完成，故使得危险也集中化。为了提高控制系统的可靠性，常常要另外设置一套备用的模拟式控制系统或备用计算机。这样就造成了系统的投资过高，因而限制了发展。
1970年以后计算机控制系统的应用逐渐走向成熟阶段。随着大规模集成电路技术的发展，1972年生产出运算速度快、可靠性高、价格便宜和体积很小的微型计算机，从而开创了计算机控制技术的新时代，即从传统的集中控制系统革新为集散控制系统 (DCS) 。世界上几个主要的计算机和仪表制造厂于1975年几乎同时生产出DCS系统，如美国Honeywell公司的TDC-2000系统，日本横河 (Yokogawa) 公司的CENTUM系统等。  
20世纪80年代，计算机向着超小型化、控制智能化方向发展。随着超大规模集成电路技术的飞速发展，软件固化。前期开发的DCS基本控制器一般是八个回路以上的。20世纪80年代中期，出现了只控制1～2个回路的数字调节器。20 世纪80年代末又推出了内涵专家系统、模糊理论、神经网络等智能控制技术，把控制、管理和经营融为一体的新型集散控制系统，如当今发展迅猛的现场总线控制系统 (FCS) 、发展热点计算机集成制造系统 (CIMS) 、计算机集成流程系统 (CIPS) ，等等。  
随着超大规模集成电路技术、软件智能化技术和自动控制理论的发展，计算机控制技术与系统将会不断跃升到更新、更高的水平上。  
3、集散控制系统概述
从1958年开始就陆续出现了由计算机组成的控制系统，这些系统实现的功能不同，实现数字化的程度也不同。监视系统仅在人机界面中对现场状态的观察方式实现了数字化，SPC系统则在对模拟仪表的设定值方面实现了数字化，而DDC在人机界面、控制计算等方面均实现了数字化，但还保留了现场模拟方式的变送单元和执行单元，系统与它们的连接也是通过模拟信号线来实现的。  
DDC将所有控制回路的计算都集中在主CPU中，这引起了可靠性问题和实时性问题。随着系统功能要求的不断增加，性能要求的不断提高和系统规模的不断扩大，这两个问题更加突出。经过多年的探索，在1975年出现了DCS，这是一种结合了仪表控制系统和DDC两者的优势而出现的全新控制系统，它很好地解决了DDC存在的两个问题。如果说， DDC是计算机进入控制领域后出现的新型控制系统，那么DCS则是网络进入控制领域后出现的新型控制系统。
在DCS出现的早期，人们还将其看作是仪表系统，这在ISA-S5.3 1983年对DCS的定义中可以看出：
“ That class of instrumentation(input/output devices ， control devices and operator interface  devices)which  in  addition  to  executing  the  stated  control  functions  also  permits transmission  of  control,measurement ， and  operating  information  to  and  from  a  single  or  a plurality of user specifiable locations ， connected by a communication link. ”
某一类仪器仪表 ( 输入 / 输出设备、控制设备和操作员接口设备 ) ，它不仅可以完成指定的控制功能，还允许将控制、测量和运行信息在具有通信链路的、可由用户指定的一个或多个地点之间相互传递。  
按照这个定义，可以将DCS理解为具有数字通信能力的仪表控制系统。从系统的结构形式看，DCS确实与仪表控制系统相类似，它在现场端仍然采用模拟仪表的变送单元和执行单元，在主控制室端是计算单元和显示、记录、给定值等单元。但从实质上，DCS和仪表控制系统有着本质的区别。首先，DCS是基于数字技术的，除了现场的变送和执行单元外，其余的处理均采用数字方式；其次，DCS的计算单元并不是针对每一个控制回路设置一个计算单元，而是将若干个控制回路集中在一起，由一个现场控制站来完成这些控制回路的计算功能。这样的结构形式不只是为了成本上的考虑 —— 与模拟仪表的计算单元相比，DCS的现场控制站是比较昂贵的，采取一个控制站执行多个回路控制的结构形式，是由于DCS的现场控制站有足够的能力完成多个回路的控制计算。从功能上讲，由一个现场控制站执行多个控制回路的计算和控制功能更便于这些控制回路之间的协调，这在模拟仪表系统中是无法实现的。一个现场控制站应该执行多少个回路的控制，则与被控对象有关，系统设计师可以根据控制方法的要求具体安排在系统中使用多少个现场控制站，每个现场控制站中各安排哪些控制回路。在这方面，DCS有着极大的灵活性。
ISA 除了在 [S5.3]1983 中对 DCS 作了定义外，还作出了许多不同角度的解释：  
“A system which ， while being functionally integrated ， consists of subsystems which may be physically separate and remotely located from one another[S5.1]”
物理上分立并分布在不同位置上的多个子系统，在功能上集成为一个系统 —— 解释了 DCS 的结构特点。  
“ Comprised of operator consoles ， a communication ： system ， and remote or local processor units performing control ， logic ， calculations and measurement functions 。”
由操作台、通信系统和执行控制、逻辑、计算及测量等功能的远程或本地处理单元构成。指出了 DCS的三大组成部分。  
“ Two meanings of distributed shall apply ：
a)Processors and consoles distributed physically in different areas of the plant or building ；
b)Data processing distributed such as several processors running in parallel ， (concurrent)each with a different function 。”
分布的两个含义： (1)处理器和操作台物理地分布在工厂或建筑物的不同区域； (2) 数据处理分散，多个处理器并行执行不同的功能。解释了分布的两个含义：物理上的分布和功能上的分布。
“ A system of dividing plant or process control into several areas of responsibility ， each managed by its own controller(processor) ， with  the  whole  interconnected  to  form  a  single  entity  usually  by communication buses of various kinds 。”
将工厂或过程控制分解成若干区域，每个区域由各自的控制器 ( 处理器 ) 进行管理控制，它们之间通过不同类型的总线连成一个整体。侧重描述了 DCS 各个部分之间的连接关系，是通过不同类型的总线实现连接的。