引言
DCS是20世纪给工业社会带来重大影响的一项技术，在长达30a的发展历程中，DCS技术虽然日趋成熟，但是和今天信息技术的发展成就相比，DCS技术在标准化方面面临诸多挑战，还有很大的发展空间。无论是DCS供应商还是用户，都期待着能够凭借DCS技术的标准化来获得更多利益，而现有的DCS专用控制理念和硬件与软件的割裂现象，限制了这种需求的提升。导致现在DCS技术标准化进展缓慢的最重要原因是在DCS的硬件和软件之间还没有建立起一种合适的机制。鉴于软件技术的发展空间很大，完全可以通过软件技术的应用来消除硬件平台的差异性，因此，硬件平台的选择就成为DCS标准化的关键。进入新的世纪，PLC已完全摆脱了传统技术的局限，以PLC为控制站的DCS正在进入工业控制领域，并在推动动DCS技术标准化方面发挥着积极的作用。
一、DCS标准化需求
DCS具有2个显著特征，一是面对不同的工业过程和控制对象，其规模与功能是不确定的;二是面对不同的生产工艺要求，其逻辑组合也是不确定的。因此，DCS需要一种性能很好的技术环境，使之能够应用户需求的变化而变化，DCS标准化就是为构建这样的技术环境而必须建立的基础。首先，最迫切需要标准化的工作是在不同厂家的DCS之间能够统一使用规范的控制逻辑组态，虽然有IEC61131、IEC61499等国际标准在这方面作出了努力，但实际收效甚少，因为这些国际标准仅在控制逻辑组态的语言形式上给予了规范，实际上各种组态元件的定义(包括控制算法)还是要依附于特定的DCS控制站平台，这导致不同DCS之间的控制逻辑移植成本很高，而执行代码的兼容性更无从谈起;其次，在DCS控制逻辑组态互换性技术标准支持之外，建立一个能够独立于工业控制对象并且跨越硬件平台的控制元件算法库也非常必要;最后，DCS人机界面子系统中关于控制对象的操作处理同样是今后DCS技术标准化的重要内容之一，这涉及到操作界面的技术规范、操作过程的信息交换标准及操作过程与控制逻辑组态之间的关系确定问题。
二、PLC关键技术发展状况
PLC与DCS关系问题的讨论已经历了很长时间。从今天PLC技术的发展状况看，PLC不仅可作为DCS的控制站计算平台，而且还可为DCS的标准化开辟一条新的路径。PLC技术体系中的几个关键性技术突破如数据通信、模拟量运算、内存管理和任务管理技术是促成PLC成为DCS控制站的重要因素。现在PLC的数据通信技术性能已达到甚至超过了DCS,lOM或l00M的工业以太网技术已在PLC中普遍应用。由于大多数工业通信协议均出自PLC厂家，相对于DCS,PLC的网络数据通信技术更成熟、网络设备可靠性更高、网络稳定性更好。传统观念认为，PLC的功能体现在继电器逻辑方面，模拟量运算和处理能力则远不及DCS。这种观念已成历史，今天的PLC具有非常优越的模拟量运算和处理能力，借助于先进的软件技术，PLC已经可以实现32位或64位的高精度复杂的计算过程。实时性是DCS控制站最重要的性能指标之一，日本OMRON公司的CSl系列PLC基本指令执行周期已达到0.02μs，而美国Rockwell公司的ControlLogix系列PLC每千布尔指令执行周期也达到了0.06ms的水平，这样的计算速度是PLC能够成为DCS控制站的充分条件。此外，PLC的实时性能与其内存管理的能力也有密切关系。PLC已具有足够的内存管理能力包括对内存的间接寻址，能满足控制过程实时计算的基本需求。许多中、大型PLC还具有多达32个或更多的任务管理性能，这也是PLC能够成为DCS控制站最基本的一个条件。此外，双机冗余系统配置、大容量存贮技术(例如OMRON公司的SPU模块)、更加丰富的功能模块(FB)指令集合及越来越完善的PLC自诊断功能都使PLC具备了突破传统应用范畴限制、融合到DCS阵营中的能力，在现代工业控制领域发挥更大的作用。PLC已经成为连接传统离散控制和连续过程控制的纽带。
三、数据引擎理论与DCS技术标准化
要成为DCS控制站，并且在推动DCS技术标准化过程中发挥作用，PLC除具有自身高品质的性能外，还必须配置有相应的支撑软件。2000年，由华能福州电厂热工技术人员组成的研究小组提出了一个新的软件工程模型:数据引擎，并将这个模型应用到PLC支撑软件的开发过程，使得PLC可以摆脱传统的以梯形图为主的编程环境的制约，直接应用DCS的控制逻辑组态方法。这项研究取得成功为PLC取代传统DCS控制站计算平台铺平了道路。数据引擎就是一种机制，它一方面将DCS的控制逻辑组态图形界面反映的计算关系转化为实时处理的数据;另一方面将这些数据安装在一种特定的实时数据库中，凭借该数据库的事件处理机制驱动整个控制站各项任务的执行。数据引擎的基本原理是将控制问题中的2类对象(控制算法元件和被控制设备)作为研究基础(见图1)，采用面向对象的方法在DCS控制站中建立相应的实时数据库(RDB)和多代理控制软件(MAS)，从而实现实时控制软件资源的复用(见图2)。显然数据引擎理论能够应用到包括PLC在内的所有计算平台中，在PLC中应用数据引擎理论，除能直接应用DCS控制逻辑组态软件外，还可实现控制逻辑组态的完全兼容和标准化，因为所有控制组态的信息在PLC中将不再以控制指令的形式出现，而是以数据的形式出现;另一方面，采用数据引擎后，PLC的实时计算模式发生了根本变化，DCS用户可在DCS实时运行中对相关控制逻辑组态进行修改，无需中止DCS的运行并能确保控制系统的连续性。这其中的关键原因就是所有控制逻辑组态的在线修改过程只是针对数据引擎中实时数据库中的局部数据的调整而已。
在DCS的数据引擎机制中，控制逻辑组态软件PineCAD是一个重要组成部分，也是DCS技术标准化的重要手段。该软件和传统DCS控制逻辑组态软件表面上并无区别，但它却可和不同PLC组成的DCS控制站连接在一起，即能将相同的控制逻辑组态传送到不同的PLC中运行，实时监控它们的运行状态，并能支持DCS控制站控制逻辑的在线组态，这是DCS技术标准化的主要特征。图3所示为以数据引擎机制为核心的DCS控制逻辑组态软件PineCAD的显示界面。该软件以控制逻辑编辑窗口为中心，具有自动诊断控制逻辑语法错误和对控制元件进行拓扑排序的功能。在切换至运行监控状态时，该软件可对DCS控制站的所有控制元件的动态输出和静态参数进行监控，并能以实时趋势图和X-Y关系图的形式绘制所有控制元件的动态关系曲线，给DCS的在线调试创造了非常便利的条件。PineCAD还具有实时仿真功能，即在完成相关控制逻辑的设计后，DCS用户可应用仿真功能来验证逻辑的合理性。此外，控制元件的管理功能能使用户在无任何DCS厂家技术支持的前提下，方便地进行控制元件算法的修正和新控制元件的添加工作。
四、工程应用分析
采用PLC作为DCS的控制站，辅之以若干PC和冗余的网络设备所构成的新一代基于PLC的智能网络环境分散控制系统(PineControl)已经在工程项目中得到成功应用，该系统于2002年通过了国家电力公司的技术鉴定。截至目前，已有超过100套基于这种标准的控制柜被应用到包括350MW、330MW和300MW亚临界燃煤发电机组，135MW和75MW循环流化床锅炉供热发电机组的锅炉除灰渣系统、化学水处理系统及冶金企业的燃气锅炉等工业系统的控制。这些项目的应用表明，PLC能够作为DCS的控制站，并具有比传统DCS控制站更优越的可靠性、适应性、稳定性和控制品质;数据引擎和标准控制柜的设想得到了工程实践的验证，PLC将成为DCS技术标准化重要基础的论证也得到了充分体现。
华能福州电厂是最早应用PineControl DCS的电厂。该厂1、2号发电机组在商业运行10多年后进行了DCS的改造，以OMRON CSl系列PLC为核心的标准控制柜被用于锅炉、汽轮机、发电机的主机设备控制，化学水处理系统、除灰渣系统、输煤系统等辅助设备的自动控制及机组联锁保护、自动启停、远程测量和热应力计算等功能，实现了针对不同控制对象采用统一的软、硬件装置的控制模式，这是目前应用基于PLC的DCS标准控制柜最成功的范例。图4是华能福州电厂1号汽轮机在低负荷阀门切换过程中的控制品质记录曲线，从中可看到在汽轮机从单阀向顺序阀运行方式转换过程中，机组的负荷、汽压等主要参数都维持在一个稳定范围内，而这正是传统DCS中最难控制的一个工况。
五、结语
随着工业生产过程的复杂化和工艺技术要求的不断提高，DCS的技术标准化需求日趋紧迫。DCS在控制逻辑组态方法、硬件技术规范和控制站支撑软件方面的标准化将对DCS产品和技术的发展、DCS开发效率的提高及实施成本的降低都具有非常重要的意义。现在，PLC技术越来越成熟，PLC的各项技术性能指标与DCS控制站已没有明显差距。采用PLC作为DCS控制站不仅有可能，而且在推动DCS技术的标准化中将发挥重要作用，PLC已成为DCS技术标准化的重要基础。为配合PLC转化为DCS控制站，已经建立了一套完整的数据引擎理论。应用数据引擎将有助于DCS向标准化、多元化、智能化和信息化方向发展。目前已成功开发了适用于OMRON CSl和ControlLogiX的PLC的数据引擎。基于PLC的数据引擎模型及其优点已经在一些工程项目中得到充分验证。
应用数据引擎理论还将开发更多的PLC数据引擎，使得PineControl DCS的控制逻辑组态能够适用于更多的PLC产品，让DCS用户拥有更多的技术选择空间;另一方面，充分利用数据引擎理论和DCS技术标准化的资源，在DCS直接应用先进控制方法、工业系统过程仿真、设备运行性能分析及运行操作指导系统研究等方面还有更多有益的工作要做。
