本文詳細(xì)分析了介紹分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程，回顧了集散控制系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)和智能控制-維護(hù)-管理集成系統(tǒng)的發(fā)展，指出控制單元的智能化和系統(tǒng)的協(xié)同化是分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展宏觀方向，它的進(jìn)一步發(fā)展與Agent技術(shù)和CSCW都具有密切的聯(lián)系。

1、引言

70 年代以來(lái)，工業(yè)制造進(jìn)入計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）階段。CIMS中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控、管理和控制，這涉及到眾多現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的分布式自動(dòng)控制和信息集成。20多年來(lái)，這種分布式控制系統(tǒng)經(jīng)歷了若干發(fā)展階段，從集散控制系統(tǒng)（DCS）、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）到智能控制-維護(hù)-管理集成系統(tǒng)（ICMMS），控制單元日益智能化，控制的方式日益走向多智能控制單元的協(xié)同工作模式。現(xiàn)代化的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備不再是簡(jiǎn)單的傳感器和控制器，它具有一定的自主控制、數(shù)據(jù)管理和通信能力，在這一點(diǎn)上它已發(fā)展成一種智能自主體（Agent）。因此，分布式控制系統(tǒng)技術(shù)與計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作（CSCW）技術(shù)具有相似點(diǎn)。未來(lái)的分布式控制系統(tǒng)將突出智能性和系統(tǒng)性，并日益與生產(chǎn)、管理過(guò)程的其他環(huán)節(jié)集成，實(shí)現(xiàn)高效率、高可靠性的現(xiàn)場(chǎng)控制。

2、集散控制系統(tǒng)

集散控制系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)、操作、管理和分散控制的一種新型控制技術(shù)。是由計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、測(cè)量控制技術(shù)、通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、CRT技術(shù)、圖形顯示技術(shù)及人機(jī)接口技術(shù)相互滲透發(fā)展而產(chǎn)生的。DCS既不同于分散的儀表控制，又不同于集中式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，而是克服了二者的缺陷而集中了二者的優(yōu)勢(shì)。DCS的結(jié)構(gòu)是一個(gè)分布式、分支樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行垂直分解，它分為過(guò)程控制級(jí)和控制管理級(jí)，各級(jí)既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系，每一級(jí)又可水平分解成若干子集。從功能分散看，縱向分散意味著不同級(jí)的不同功能，如實(shí)時(shí)控制、實(shí)時(shí)生產(chǎn)過(guò)程管理等，橫向分則意味著同級(jí)設(shè)備具有類似功能。

圖1 DCS結(jié)構(gòu)圖
DCS是采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化的設(shè)計(jì)，由過(guò)程控制級(jí)、控制管理級(jí)和生產(chǎn)管理級(jí)組成的一個(gè)以通訊網(wǎng)絡(luò)為紐帶的集中顯示而操作管理、控制相對(duì)分散的實(shí)用系統(tǒng)。它具有如下特點(diǎn)：

自主性：系統(tǒng)上各工作站是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口連接起來(lái)的，各工作站獨(dú)立自主地完成自己的任務(wù)，且各站的容量可擴(kuò)充，配套軟件隨時(shí)可組態(tài)加載，是一個(gè)能獨(dú)立運(yùn)行的高可靠性子系統(tǒng)。

協(xié)調(diào)性：實(shí)時(shí)高可靠的工業(yè)控制局部網(wǎng)絡(luò)使整個(gè)系統(tǒng)信號(hào)共享，各站之間從總體功能及優(yōu)化處理方面具有充分的協(xié)調(diào)性。

在線性與實(shí)時(shí)性：通過(guò)人機(jī)接口和I/O接口，對(duì)過(guò)程對(duì)象的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、分析、記錄、監(jiān)視、操作控制，可進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組態(tài)回路的在線修改、局部故障的在線維修。

高可靠性：高可靠性是DCS的生命力所在，從結(jié)構(gòu)上采用容錯(cuò)設(shè)計(jì)，使得在任一個(gè)單元失效的情況下，仍然保持系統(tǒng)的完整性，即使全局性通信或管理失效，局部站仍能維持工作。從硬件上包括操作站、控制站、通訊鏈路都采用雙重化配置。從軟件上采用分段與模塊化設(shè)計(jì)，積木式結(jié)構(gòu)，采用程序卷回或指令復(fù)執(zhí)的容錯(cuò)設(shè)計(jì)。

適應(yīng)性、靈活性和可擴(kuò)充性：硬件和軟件采用開(kāi)放式，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)積木式結(jié)構(gòu)，具有靈活的配置可適應(yīng)不同用戶的需要。工廠改變生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)流程時(shí)只需改變系統(tǒng)配置和控制方案，相應(yīng)使用組態(tài)軟件填一些表格即可實(shí)現(xiàn)。

友好性：DCS軟件面向工業(yè)控制技術(shù)人員、工藝技術(shù)人員和生產(chǎn)操作人員，采用實(shí)用而簡(jiǎn)捷的人機(jī)會(huì)話系統(tǒng)，CRT高分辨率交互圖形顯示，復(fù)合窗口技術(shù)，畫面豐富，縱觀、控制、調(diào)整、趨勢(shì)、流程圖、回路一覽、批量控制、計(jì)量報(bào)表、操作指導(dǎo)畫面、菜單功能等均具有實(shí)時(shí)性。平面密封式薄膜操作鍵盤、觸摸式屏幕、鼠標(biāo)器、跟蹤球等操作器更便于操作。
DCS 已經(jīng)歷了三代。1975年Honewell公司推出的TDC2000集散控制系統(tǒng)是一個(gè)具有許多微處理器的分級(jí)控制系統(tǒng)，以分散的控制設(shè)備來(lái)適應(yīng)分散的過(guò)程對(duì)象，并將它們通過(guò)數(shù)據(jù)高速公路與基于CRT的操作站相連接，互相協(xié)調(diào)，一起實(shí)施實(shí)時(shí)工業(yè)過(guò)程的控制和監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的功能分散，負(fù)荷分散從而危險(xiǎn)性也分散。在此期間世界各國(guó)相繼推出了自己的第一代DCS。第二代產(chǎn)品在原來(lái)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高了可靠性，新開(kāi)發(fā)的多功能過(guò)程控制站、增強(qiáng)型操作站、光纖通信等更完善了DCS。其特點(diǎn)是采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)通信向標(biāo)準(zhǔn)化遷移，板級(jí)模塊化，單元結(jié)構(gòu)化，使之具有更強(qiáng)適應(yīng)性和可擴(kuò)充性。控制功能更加完善，它能實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制、數(shù)據(jù)采集、順序控制和批量控制功能。第三代產(chǎn)品開(kāi)發(fā)了高一層次的信息管理系統(tǒng)。其共同特點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)了開(kāi)放式的系統(tǒng)通信，向上能與MAP和Ethernet接口，或者通過(guò)網(wǎng)間連接器與其它網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，構(gòu)成復(fù)合管理系統(tǒng)；向下支持現(xiàn)場(chǎng)總線，它使得過(guò)程控制或車間的智能變送器、執(zhí)行器和本地控制器之間實(shí)現(xiàn)可靠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。過(guò)程控制組態(tài)采用CAD方法，使其更直觀方便，實(shí)現(xiàn)自整定功能。

當(dāng)今DCS向綜合化、開(kāi)放化發(fā)展。90年代工廠自動(dòng)化要求各種設(shè)備(計(jì)算機(jī)、DCS、單回路調(diào)節(jié)器、PLC等)之間的通信能力加強(qiáng)，以便構(gòu)成大系統(tǒng)。開(kāi)放性的結(jié)構(gòu)將方便地與指揮生成管理的上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成生產(chǎn)系統(tǒng)。同時(shí)在大型DCS進(jìn)一步完善和提高的同時(shí)，發(fā)展小型集散控制系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合現(xiàn)代控制理論，應(yīng)用人工智能技術(shù)，以微處理器為基礎(chǔ)的智能設(shè)備相繼出現(xiàn)，如智能變送器、可編程調(diào)節(jié)器、智能PID自整定控制、智能人機(jī)接口，以至于智能DCS。總的發(fā)展趨勢(shì)可體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：各制造廠商都在“開(kāi)放性”上下功夫，力求使自己的DCS與其他廠商的產(chǎn)品很容易地聯(lián)網(wǎng)；大力發(fā)展和完善DCS的通信功能，并將生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)與工廠管理系統(tǒng)聯(lián)結(jié)在一起，形成管控一體的產(chǎn)品；高度重視系統(tǒng)的可靠性，在軟件的設(shè)計(jì)中采用容錯(cuò)技術(shù)；在控制功能中，不斷引進(jìn)各種先進(jìn)控制理論，以提高系統(tǒng)的控制性能，如自整定、自適應(yīng)、最優(yōu)、模糊控制等；在系統(tǒng)規(guī)模和結(jié)構(gòu)上，形成由小到大的產(chǎn)品，以適應(yīng)不同規(guī)模的需求。

3、現(xiàn)場(chǎng)總線

現(xiàn)場(chǎng)總線克服了DCS系統(tǒng)中通信由封閉的專用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中所產(chǎn)生的缺陷，把基于封閉專用的解決方案變成基于公開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案；同時(shí)把集中與分散相結(jié)合的DCS集散控制結(jié)構(gòu)，變成新型的全分布式結(jié)構(gòu)，圖2所示；同時(shí)把集中與分散相結(jié)合的DCS集散控制結(jié)構(gòu)，變成新型的全分布式結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)，依靠現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備本身實(shí)現(xiàn)基本控制功能。