分布式计算控制系统的发展历程

计算机、网络与通信技术、控制技术的发展都对分布式控制系统的发展起积极的推动作用。从1975 年第一套分布式控制系统诞生至今，分布式控制系统的发展可以分为四代。

1.第一代（初创期，1975—1980 年）

第一代DCS 是指1975—1980 年间出现的第一批系统，由于这是第一批DCS，因此控制界称这个时期为初创期或开创期。这个时期的代表是率先推出DCS 的Honeywell 公司的TDC-2000 系统，同期的还有Yokogawa （即横河）公司的Yawpark 系统、Foxboro 公司的Spectrum 系统、Bailey 公司的Network90 系统、Kent 公司的P4000 系统、Siemens 公司的Teleperm M 系统及东芝公司的TOSDIC 系统等。

这个时期的系统比较注重控制功能的实现，因此系统的设计重点是现场控制站，各个公司的系统均采用了当时最先进的微处理器来构成现场控制站，因此系统的直接控制功能比较成熟可靠，而系统的人机界面功能则相对较弱，在实际运行中，只用CRT 操作站进行现场工况的监视，而且提供的信息也有一定的局限。在描述第一代DCS 时，一般以Honeywell 公司的TDC-2000 系统为模型。第一代DCS 由过程控制单元、数据采集单元、CRT 操作站、上位管理计算机、连接各单元和计算机的高速数据通道共五个部分组成，这也奠定了DCS 的基础体系结构。

第一代DCS 在功能上更接近仪表控制系统，这受大部分仪器仪表的生产和系统工程的背景影响，其特点是分散控制、集中监视。这个特点与仪表控制系统类似，所不同的是，控制的分散不是到每个回路，而是到现场控制站，一个现场控制站所控制的回路从几个到几十个不等，集中监视所采用的是CRT 显示技术和控制键盘操作技术，而不是仪表面板和模拟盘。

在这一时期，各个厂家的系统均由专有产品构成，包括高速数据通道、现场控制站、人机界面工作站以及各类功能性的工作站等。这与仪表控制时代的情况相同，所不同的是，DCS 还没有像仪表那样形成4 ～20 mA 的统一标准，因此各厂家的系统在通信方面是自成体系，当时还没有厂家采用局域网标准（实际上当时网络技术的发展也不成熟），而是各自开发自有技术的高速数据总线（或称数据高速公路），因此各厂家的系统并不能像仪表系统那样可以实现信号互通和产品互换。这种由独家技术、独家产品构成的系统形成了极高的价位，不仅系统的购买价格高，而且系统的维护运行成本高。可以说，DCS 的这个时期是超利润时期，因此其利用范围也受到限制，只在一些要求特别高的关键生产设备上得到了应用。

2.第二代（成熟期，1980—1985 年）

第二代DCS 是指在1980—1985 年前后推出的系统，如Honeywell 公司的TDC-3000、Fisher 公司的PROVOX、Taylor 公司的MOD300 及Westinghouse 公司的WDPF 系统。第二代DCS 的最大特点是引入了局域网（LAN）作为系统骨干，按照网络结点的概念组织过程控制站、中央操作站、系统管理站及网关（Gate Way，用于兼容早期产品），这使得系统的规模、容量进一步增加，系统的扩充有更大的余地，也更加方便。这一时期的系统开始摆脱仪表控制系统的影响，逐步靠近计算机系统。

在功能上，这一时期的DCS 逐步走向完善。除了回路控制外，还增加了顺序控制、逻辑控制等功能，加强了系统管理站的功能，可实现一些优化控制和生产管理功能。在人机界面方面，随着显示技术的发展，图形用户界面逐步丰富，显示密度大大提高，操作人员可以通过显示器的显示得到更多生产现场信息和系统控制信息。在操作方面，从过去单纯的键盘操作发展到基于屏幕显示的光标操作（图形模作界面），轨迹球、光笔等光标控制设备得到越来越多的应用。

随着系统技术的不断成熟，更多厂家参与竞争，DCS 的价格逐渐下降，这使得DCS的应用更加广泛。然而，在系统的通信标准方面仍然没有进展，各厂家虽然在系统的网络技术方面下了很大功夫（有些厂家还采用了由专业实时网络开发商的硬件产品），但网络协议方面依然各自为政，不同厂家的系统之间基本不能进行数据交换。系统的各个组成（如现场控制站、人机界面工作站、各类功能站及软件等）都是各DCS 厂家的专有技术和专有产品。因此从用户的角度看，DCS 仍然是一种购买成本、运行成本和维护成本都很高的系统。

3.第三代（扩展期1985—1990 年）

第三代DCS 以Foxboro 公司于1987 年推出的I/A Series 为代表，该系统采用了ISO 标准MAP （制造自动化规约）网络。这一时期的系统除I/A Series 外，还有Honeywell 公司的TDC3000UCN、Yokogawa 公司的Centum XL 和μXL、Bailey 公司的INFI-90、Westinghouse公司的WDPFⅡ、Leeds ＆ Northrup 公司的MAX1000、日立公司的HIACS 系列等。

这个时期的DCS 在功能上实现了进一步扩展，增加了上层网络，将生产的管理功能纳入系统。这样，就形成了直接控制、监督控制和协调优化、上层管理的三层功能结构，这实际上就是现代DCS 的标准体系结构。这样的体系结构已经使DCS 成为一个很典型的计算机网络系统，而实施直接控制功能的现场控制站在功能逐步成熟并标准化后，成为整个计算机网络系统中的一类功能结点。20 世纪90 年代以后，人们已经很难比较出各厂家的DCS 在直接控制功能方面的差异，各种DCS 的差异主要体现在与不同行业应用密切相关的控制方法和高层管理功能方面。

在网络方面，各个厂家已普遍采用了标准的网络产品，如各种实时网络和以太网等。在I/A Series 推出之初，业界曾认为MAP 网将成为DCS 的标准网络而结束DCS 没有通信标准的历史，但实际情况的发展并不如预期，数字信息互通的复杂程度远远大于模拟信号互通，MAP 绝不可能像4～20 mA 那样成为控制领域的统一标准。MAP 协议是GM 公司投入上百亿美元开发的产品，其内容涉及从物理层到应用层的各个网络层次（其中物理层和数据链路层采用了IEEE 802.4 令牌总线标准），其开发初期是针对如GM 这样的大型制造业的，虽然在后期得到了一些厂家的支持，但依然难以涵盖所有行业的应用。这类面向复杂问题的标准只能在广泛应用中逐步形成，而不可能人为地制定出来，因此到20 世纪90 年代后期，很多原来支持MAP 的厂家逐渐放弃了这个虽然内容完整但非常复杂的协议，而将目光转向了只有物理层和数据链路层的以太网和在以太网之上的TCP/IP 协议。这样，在高层（即应用层）虽然还是各个厂家采用自己的标准，系统间无法直接通信，但至少在网络的底层，系统间是可以互通的，高层的协议可以开发专门的转换软件，从而实现互通。(www.xing528.com)

除了功能上的扩充和网络通信的部分实现外，多数DCS 厂家在组态方面实现了标准化，由IEC 61131-3 定义的5 种组态语言为大多数DCS 厂家采纳，在这方面为用户提供了极大的便利。各个厂家对IEC 61131-3 的支持程度不同，有的仅支持其中一种，有的支持5 种，支持的程度越高，为用户带来的便利就越多。

在构成系统的产品方面，除现场控制站基本上还是各DCS 厂家的专有产品外，人机界面工作站、服务器和各种功能站的硬件和基础软件（如操作系统等）已没有哪个厂家使用自己的专有产品，而从市场采购相关产品，这为系统的维护带来了相当大的好处，也使系统的成本大大降低。目前DCS 已逐步成为一种大众产品，在越来越多的应用中取代仪表控制系统，而成为控制系统的主流。

从20 世纪90 年代开始，现场总线开始成为技术热点。实际上，现场总线的技术早在20 世纪70 年代末就出现了，但始终作为一种低速的数字通信接口，用于传感器与系统间交换数据。从技术上，现场总线并没有超出局域网的范围，其优势在于它是一种低成本的传输方式，比较适用于数量庞大的传感器连接。现场总线大面积应用的障碍在于传感器的数字化，因为只有传感器数字化后，才有条件将现场总线作为信号的传输介质。现场总线的真正意义在于，这项技术再次引发了控制系统从仪表发展到计算机的过程中没有新的信号传输标准的问题。人们试图通过现场总线标准的形成来解决这个问题，因为只有彻底解决了这个问题，才可以认为控制系统真正完成了从仪表到计算机的换代过程。

4.新一代（1990—）

现场总线技术的成熟与应用造就了新一代的DCS，其技术特点是全数字化、信息化和集成化。

从总的趋势看，DCS 的发展体现在以下几方面：

（1）系统的功能从低层（现场控制层）逐步向高层（监督控制、生产调度管理）扩展。

（2）系统的控制功能由单一的回路控制逐步发展到综合了逻辑控制、顺序控制、程序控制、批量控制及配方控制等的混合控制功能。

（3）构成系统的各部分由厂家专有产品逐步改变为从市场采购的产品。

（4）开放的趋势使厂家越来越重视采用公开标准，使第三方产品更容易集成到系统。

（5）开放性带来的系统趋同化迫使厂家向高层的、与生产工艺结合紧密的高级控制功能发展。

（6）数字化的发展越来越向现场延伸，使现场控制功能和系统体系结构发生了重大变化，将发展为更智能化、更分散化的新一代控制系统。