分布式控制系统（DCS）(Distributed Control System，简称DCS)又称集散控制系统，是一种对生产过程进行集中管理和分散控制的计算机系统，也可称为“分散控制系统”或“分布式计算机控制系统”。它应用成熟的网络技术、总线技术、微处理技术和计算机技术将现场加工控制设备、传感器仪表、服务器、工作站等进行分散控制和集中管理，形成具有多层体系结构的控制系统。

分布式控制系统（DCS）是以微处理器为基础，综合了计算机(Computer)、通讯(Communication)、显示(CRT)和控制(Control)等4C技术，采用控制功能分散、显示操作集中、兼顾分而自治和综合协调等设计原则，最终实现系统的分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便等功能。可解释为:DCS是在模拟量回路控制较多的行业中广泛使用的，尽量将控制所造成的危险性分散,而将管理和显示功能集中的一种自动化高技术产品。

分布式控制系统（DCS）的特点：分布式控制系统（DCS）吸取了计算机集中控制和常规模拟仪表分散控制两者的优点，并克服了两者的缺点，将通讯、计算、控制、屏幕显示结合为一体，能方便地改变控制模式，实现各种复杂控制，同时，故障引起的危险被彻底分散，提高了控制系统的可靠性。其系统特点为：分级递阶控制；硬件积木化；软件模块化（工程师站组态软件、操作站实时监控软件以及过程控制站软件）；控制系统用组态方法生成；通信网络的应用；可靠性高（系统结构、冗余技术、自诊断技术、抗干扰技术和高性能的元件）；开放系统（可移植性、互操作性、可适宜性、可得到性）。

（1）系统结构：分布式控制系统（DCS）的结构一般由多层体系构成，在垂直方向上可以分为现场控制设备层，集中管理层以及远程监控层；水平方向上实现不同的功能，如数据采集层和现场控制设备层，但是各水平层之间又存在信息交换和协调动作。这样的功能分层、风险分散的系统结构使得DCS 具有了高可靠性和较好的系统应用灵活性，同时也充分显示了DCS 分散控制和集中管理的特点。

分布式控制系统（DCS）的分层结构

DCS 的分散控制体现在现场加工设备的分散，人员的分散，地域的分散等；而集中的思想正是将这些分散的设备和人员通过工业网络和现场总线技术联系到一起，进行集中的管理和信息的共享，实现了统一调度，从而提高资源利用率和生产效率，为制造业的现代化和信息化提供了技术基础。

（2）系统功能：

--现场I/O驱动，完成过程量的输入输出；

--对输入的过程量进行预处理，尽量用具体的数字值还原现场值为下一步计算做准备；

--实时采样现场数据并存储在现场控制站内本地数据库中；

--进行控制计算，根据控制算法和检测数据、相关参数进行计算，得到实施控制的量；

--通过现场I/O驱动，将控制量输出到现场。

分布式控制系统（DCS）分类：

（1）产品种类更新：根据研究资料：目前，市场上的分布式控制系统（DCS）已经过四代发展，其产品在系统设计、功能结构、应用市场等领域不断完善和成熟。其产品主要更新历程为：

第一阶段：1975-1980年，代表产品主要有美国Honeywell公司的TDC2000，Baily公司的Network90，Foxboro公司的Spectrum，日本横河公司的Centum等。主要由过程控制单元PCU、数据采集装置DAU、CRT操作站、监控计算机和数据高速公路HW五部分组成。在这个时期集散控制系统的技术特点表现为：

--采用微处理器为基础的控制单元，实现分散控制，有各种各样的算法，通过组态独立完成回路控制，具有自诊断功能；

--采用带CRT显示器的操作站与过程单元分离，实现集中监视，集中操作；

--采用较先进的冗余通信系统。 

第二阶段：1980-1985年，主要代表产品有Honeywell公司的TDC3000，日本横河公司的Centum A，B，D等。主要由局部网络LAN、多功能控制器MC、增强型操作站EOS、通用操作站US、网间连接器GW、系统管理模块SMM和主计算机HC七部分组成。在这个时期集散控制系统的技术特点表现为：

--微处理器的位数提高，CRT显示器的分辨率提高；

--强化的模块化系统；

--强化了系统信息管理，加强通信功能。

第三阶段：1985-1990年，集散系统进入第三代。DCS向计算机网络控制扩展，将过程控制、监督控制和管理调度进一步结合起来，并且加强断续系统功能，采用专家系统和开放系统互连参考模型为基础的制造自动化协议MAP标准，以及硬件上的诸多新技术，从而克服了自动化孤岛问题。典型产品有Honeywell公司的TDCS3000，日本横河公司的Centum-XL，Bailey的INFI-90等。其技术特点表现为：

--采用开放系统管理；

--操作站采用32位微处理器；

--采用实时多用户多任务的操作系统。

第四阶段：1990年以后：集散系统进入第四代。DCS以管控一体化出现，在硬件上采用了开放的工作站，采用了Client/Server的结构，在网络结构上增加了工厂信息网，并可与互联网联网，在软件上采用UNIX和X-Windows的图形用户界面，系统的软件更丰富，一些优化和管理良好的界面的软件被开发并移植到DCS中。典型产品有Honeywell公司的TPS控制系统，日本横河公司的Centum-CS控制系统，Foxboro公司的I/AS50/51系统等。其技术特点表现为：

--综合化、信息化、集成化混合控制系统；

--引入先进的控制理论；

--形成系列产品；

--采用人工智能技术；

--先进的软硬件技术；

--DCS包含FCS功能并进一步分散化。

（2）PLC、DCS、FCS三大控制系统基本特点：

目前，在连续型流程生产工业过程控制中，有PLC、DCS和FCS三大控制系统。其各自的基本特点如下：

①PLC：可编程逻辑控制器（PLC）是一种采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

--从开关量控制发展到顺序控制、运算处理，是从下往上的；

--逻辑控制、定时控制、计数控制、步进(顺序)控制、连续PID控制、数据控制--PLC具有数据处理能力、通信和联网等多功能；

--可用一台PC机为主站，多台同型PLC为从站。

--也可一台PLC为主站，多台同型PLC为从站，构成PLC网络。这比用PC机作为主站的优势是：有用户编程时，不必知道通信协议，只要按说明书格式写就行；

--PLC网络既可作为独立DCS/TDCS，也可作为DCS/TDCS的子系统；

--主要用于工业过程中的顺序控制，新型PLC也兼有闭环控制功能。

②DCS：分散控制系统DCS与集散控制系统TDCS是集4C（Communication、 Computer、Control、CRT）技术于一身的监控技术，是第四代过程控制系统。

--既有计算机控制系统控制算式先进、精度高、响应速度快的优点，又有仪表控制系统安全可靠、维护方便的要求；

--从上到下的树状拓扑大系统，其中通信（Communication）是关键；

--是树状拓扑和并行连续的链路结构，也有大量电缆从中继站并行到现场仪器仪表；

--模拟信号，A/D—D/A、带微处理器的混合。是由几台计算机和一些智能仪表智能部件组成，并逐渐地以数字信号来取代模拟信号；

--一台仪表/一对线接到I/O，由控制站挂到局域网LAN；

--DCS是控制（工程师站）、操作（操作员站）、现场仪表（现场测控站）的3级结构。缺点是成本高，各公司产品不能互换，不能互操作，差异性较大。

--用于大规模的连续过程控制，如石化、大型电厂机组、化工的集中控制等。

③FCS：FCS是第五代过程控制系统，3C技术（Communication，Computer，Control）的融合，也是21世纪自动化控制系统的方向。基本任务是：本质（本征）安全、危险区域、易变过程、难于对付的非常环境。主要功能结构为：

--FCS系统的核心是总线协议，即总线标准：采用双绞线、光缆或无线电方式传输数字信号，减少大量导线，提高了可靠性和抗干扰能力。FCS从传感器、变送器到调节器一直是数字信号，这就使我们很容易地处理更复杂、更精确的信号，同时数字通信的差错功能可检出传输中的误码。

--FCS系统的基础是数字智能现场装置：控制功能下放到现场仪表中，控制室内仪表装置主要完成数据处理、监督控制、优化控制、协调控制和管理自动化等功能。

--FCS系统的本质是信息处理现场化：对于一个控制系统，无论是采用DCS还是采用现场总线，系统需要处理的信息量至少是一样多的。实际上，采用现场总线后，可以从现场得到更多的信息。现场总线系统的信息量没有减少，甚至增加了，而传输信息的线缆却大大减少了。这就要求一方面要大大提高线缆传输信息的能力，另一方面要让大量信息在现场就地完成处理，减少现场与控制机房之间的信息往返。可以说现场总线的本质就是信息处理的现场化。

此外，FCS系统还具有的优势为：

1）全数字化、智能、多功能取代模拟式单功能仪器、仪表、控制装置。

2）用两根线联接分散的现场仪表、控制装置，取代每台仪表的两根线。“现场控制”取代“分散控制”；数据的传输采用“总线”方式。

3）从控制室到现场设备的双向数字通信总线，是互联的、双向的、串行多节点、开放的数字通信系统取代单向的、单点、并行、封闭的模拟系统。

4）用分散的虚拟控制站取代集中的控制站。

5）把微机处理器转入现场自控设备，使设备具有数字计算和数字通信能力，信号传输精度高，远程传输。实现信号传输全数字化、控制功能分散、标准统一全开放。

6）可上局域网，再可与internet相通。既是通信网络，又是控制网络。

3类FCS的典型应用：

1)连续的工艺过程自动控制如石油化工，其中“本安防爆”技术是绝对重要的；

2）分立的工艺动作自动控制如汽车制造机器人、汽车；

3）多点控制如楼宇自动化。

（3）PLC、DCS、FCS三大控制系统对比分析：

①DCS与PLC对比分析：PLC系统与DCS系统的结构差异不大，只是在功能的着重点上的不同，DCS着重于闭环控制及数据处理。PLC着重于逻辑控制及开关量的控制，也可实现模拟量控制。

DCS或PLC系统的关键是通信。也可以说数据公路是分散控制系统DCS及PLC的脊柱。由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络，因此，数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。数据公路的媒体可以是：一对绞线、同轴电缆或光纤电缆。DCS的特点是：1）控制功能强：可实现复杂的控制规律，如串级、前馈、解耦、自适应、最优和非线性控制等；也可实现顺序控制；2）系统可靠性高；3）采用CRT操作站有良好的人机界面；4）软硬件采用模块化积木式结构；5）系统容易开发；6）用组态软件，编程简单，操作方便；7）有良好的性价比。

目前，在DCS和PLC系统中一般使用两类通信手段，即同步的和异步的，同步通信依靠一个时钟信号来调节数据的传输和接收，异步网络采用没有时钟的报告系统。

②DCS与FCS对比分析：FCS具有：1）很好的开放性、互操作性和互换性；2）全数字通信；3）智能化与功能自治性；4）高度分散性；5）很强的适用性。与DCS系统对比，主要差异体现在：

--DCS系统是个大系统，其控制器的功能强而且在系统中的作用十分重要，数据公路更是系统的关键，所以，必须整体投资一步到位，事后的扩容难度较大。而FCS功能下放较彻底，信息处理现场化，数字智能现场装置的广泛采用，使得控制器功能与重要性相对减弱。因此，FCS系统投资起点低，可以边用、边扩、边投运；

--DCS系统是封闭式系统，各公司产品基本不兼容。而FCS系统是开放式系统，不同厂商、不同品牌的各种产品基本能同时连入同一现场总线，达到最佳的系统集成；

--DCS系统的信息全都是二进制或模拟信号形成的，必须通过D/A与A/D转换。而FCS系统将D/A与A/D转换在现场一次表完成，实现全数字化通信，使精度得到大的提高，可提高到0.1%。并且FCS系统可以将PID闭环控制功能装入现场设备中，缩短了控制周期，提高运算速度，从而改善调节性能；

--DCS它可以控制和监视工艺全过程，对自身进行诊断、维护和组态。但是，由于自身的致命弱点，其I/O信号采用传统的模拟量信号，因此，它无法在DCS工程师站上对现场仪表（含变送器、执行器等）进行远方诊断、维护和组态。FCS采用全数字化技术，数字智能现场装置发送多变量信息，而不仅仅是单变量信息，并且还具备检测信息差错的功能。FCS采用的是双向数字通信现场总线信号制。因此，它可以对现场装置（含变送器、执行机构等）进行远方诊断、维护和组态；

--FCS由于信息处理现场化，与DCS相比可以省去相当数量的隔离器、端子柜、I/O终端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜，同时也节省了I/O装置及装置室的空间与占地面积。同时，FCS可以减少大量电缆与敷设电缆用的桥架等，同时也节省了设计、安装和维护费用；

--FCS相对于DCS组态简单，由于结构、性能标准化，便于安装、运行、维护。

（4）重点功能结构及关键技术：DCS整个系统构成方式十分灵活，可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站等组成，也可由通用的服务器、工业控制计算机和可编程控制器构成。其重点功能结构为：

①DCS的骨架-系统网络：系统网络是DCS的基础和核心，对于DCS整个系统的实时性、可靠性和扩充性，起着决定性的作用。

--实时性：对于DCS的系统网络来说，它必须满足实时性的要求，即在确定的时间限度内完成信息的传送。这里所说的“确定”的时间限度，是指在无论何种情况下，信息传送都能在这个时间限度内完成，而这个时间限度则是根据被控制过程的实时性要求确定的。因此，衡量系统网络性能的指标并不是网络的速率，即通常所说的每秒比特数（bps），而是系统网络的实时性，即能在多长的时间内确保所需信息的传输完成。

--可靠性：系统网络还必须非常可靠，无论在任何情况下，网络通信都不能中断，因此多数厂家的DCS均采用双总线、环形或双重星形的网络拓扑结构。

--扩充性：为了满足系统扩充性的要求，系统网络上可接入的最大节点数量应比实际使用的节点数量大若干倍。这样，一方面可以随时增加新的节点，另一方面也可以使系统网络运行于较轻的通信负荷状态，以确保系统的实时性和可靠性。在系统实际运行过程中，各个节点的上网和下网是随时可能发生的，特别是操作员站，这样，网络重构会经常进行，而这种操作绝对不能影响系统的正常运行，因此，系统网络应该具有很强在线网络重构功能。

②一种完全对现场I/O处理并实现直接数字控制（DOS）功能的网络节点：

--现场I/O控制站：一般一套DCS中要设置现场I/O控制站，用以分担整个系统的I/O和控制功能。这样既可以避免由于一个站点失效造成整个系统的失效，提高系统可靠性，也可以使各站点分担数据采集和控制功能，有利于提高整个系统的性能。

--DCS的操作员站：DCS的操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界面功能的网络节点。

--系统网络是DCS的工程师站：它是对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络节点，其主要功能是提供对DCS进行组态，配置工作的工具软件（即组态软件），并在DCS在线运行时实时地监视DCS网络上各个节点的运行情况，使系统工程师可以通过工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定，使DCS随时处在最佳的工作状态之下。与集中式控制系统不同，所有的DCS都要求有系统组态功能，可以说，没有系统组态功能的系统就不能称其为DCS。

③关键技术：DCS 要实现分散控制和集中管理，必须实现各控制节点数据的高效传输，因此数据结构的定义、传输的方式以及存储显得尤为重要。而要实现数据的实时和高效传输，必须要构建实时传输网络，这就依赖于现场总线技术或工业以太网。

因此，各种现场总线技术和工业以太网技术的日趋成熟，加快了DCS 的应用和发展，为DCS提供了众多网络构建的解决方案，同时也正是这些技术的发展，使得DCS 的应用变得更加简单和可靠。迄今为止，比较流行的现场总线和工业以太网技术已有40 多种，如CAN 总线、EthernetPowerLink、EtherNet/IP（Ethernet Industrial Protocol，以太网工业协议）、EtherCAT、EPA (Ethernetfor Plant Automation)等。

（5）技术发展趋向：据中金企信国际咨询公布的《2020-2026年中国分布式控制系统行业市场发展深度调查及投资战略可行性报告》统计数据显示：在未来，工业过程控制系统中，数字技术将向智能化、开放性、网络化、信息化发展；同时，工业控制软件也将向标准化、网络化、智能化、开放性发展。因此，在现场总线控制系统FCS竞争下，将促进数字式分散控制DCS及PLC产业向高端产品领域发展，其系统产品将更加向智能化、开放性、网络化、信息化发展。而最为先进的工业过程控制系统将兼有DCS、PLC、FCS等系统共同优点，最终形成新型标准化、智能化、开放性、网络化、信息化的控制系统。总体来说，“十三五”期间，DCS系统正在向着更加开放，更加标准化，更加产品化的方向发展。

对于本土企业来说，随着DCS集散控制系统的功能越来越强大，软件系统的开发也越来越深，软件之间的无缝连接越来越好。公司内部工作人员在此基础上还要不断探索新领域、新知识，来胜任自己的岗位，干好自己的工作，使得DCS与PLC通讯技术能够得到更好的实施。

（6）PLC、DCS、FCS三大控制系统发展前景：专家表示：FCS是在PLC、DCS等控制系统的基础上发展起来的。由于PLC起步最早，其产品已十分成熟与完善，并具有强大的运算、处理和数据传输功能。但随着DCS、FCS等先进的控制系统技术的不断成熟，逐渐替代了PLC系统。

不过，专家分析：由于FCS控制系统目前正处于发展初期，各方面发展仍不成熟，市场地位仍不稳固；且传统控制系统的维护和改造还需要DCS；在科学技术不断发展下，未来DCS不会被FCS所代替，而是DCS会包容FCS，实现真正的DCS。

如目前市场上出现的第四代DCS都包含了各种形式的现场总线接口，可以支持多种标准的现场总线仪表、执行机构等。此外，各DCS还改变了原来机柜架式安装I/O模件、相对集中的控制站结构，取而代之的是进一步分散的I/O模块（导轨安装），或小型化的I/O组件（可以现场安装）或中小型的PLC。因此，未来DCS产业发展前景较好。