摘要：本文对 PLC、DCS、FCS 三大控制系统的特点和差异进行了分析，指出了三种控制系统之间的渊源及发展方向。关键词：可编程序控制器（PLC）；分散控制系统（DCS）；现场总线控制系统（FCS）
上世纪九十年代走向实用化的现场总线控制系统正以迅猛的势头快速发展，是目前世界上最新型的控制系统。现场总线控制系统是目前自动化技术中的一个热点，正受到国内外自动化设备制造商与用户越来越强烈的关注。现场总线控制系统的出现将给自动化领域带来又一次革命，其深度和广度将超过历史的任何一次，从而开创自动化的新纪元。
在有些行业 FCS 是由 PLC 发展而来的；而在另一些行业，FCS 又是由 DCS 发展而来的。所以 FCS 与 PLC 及 DCS 之间有着千丝万缕的联系，又存在着本质的差异。本文试就 PLC、DCS、FCS 三大控制系统的特点和差异作一分析，指出它们之间的渊源及发展方向。
目前在连续型流程生产自动控制（PA）或习惯称之谓工业过程控制中，有三大控制系统，即 PLC、DCS 和 FCS。它们各自的基本特点如下：
从上述基本要点的描述中，我们是否注意到一点：用于过程控制的三大系统没有一个是针对电站而开发的——或者说在它们开发的初期都并非以电站做系统的首选控制对象，而在这些系统的使用说明中也绝不把电站做为首选适用范围，有的在适用范围中根本就不提电站。现在奇怪的是，这三大控制系统尤其是 DCS、PLC 都在电站得到了广泛应用，而且效果也非常好。
我们已经知道，FCS 是由 DCS 与 PLC 发展而来：FCS 不仅具备 DCS 与 PLC 的特点，而且跨出了革命性的一步。而目前新型的 DCS 与新型的 PLC 都有向对方靠拢的趋势——新型的 DCS 已有很强的顺序控制功能，而新型的 PLC 在处理闭环控制方面也不差，并且两者都能组成大型网络，DCS 与 PLC 的适用范围已有很大的交叉。下一节就仅以 DCS 与 FCS 进行比较。在前面的章节中实际上已涉及到 DCS 与 FCS 的差异，下面将就体系结构、投资、设计、使用等方面进行叙述。
DCS 系统的关键是通信。也可以说数据公路是分散控制系统 DCS 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。
通过数据公路的设计参数，基本上可以了解一个特定 DCS 系统的相对优点与弱点：（1）系统能处理多少 I/O 信息；（2）系统能处理多少与控制有关的控制回路的信息；（3）能适应多少用户和装置（CRT、控制站等）；（4）传输数据的完整性是怎样彻底检查的；（5）数据公路的最大允许长度是多少；（6）数据公路能支持多少支路；（7）数据公路是否能支持由其它制造厂生产的硬件（可编程序控制器、计算机、数据记录装置等）。
为保证通信的完整，大部分 DCS 厂家都能提供冗余数据公路。为了保证系统的安全性，使用了复杂的通信规约和检错技术。所谓通信规约就是一组规则，用以保证所传输的数据被接收，并且被理解得和发送的数据一样。目前在 DCS 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。
FCS 的关键要点有三点：
（1）FCS 系统的核心是总线协议，即总线标准。前面的章节已经叙述：一种类型的总线，只要其总线协议一经确定，相关的关键技术与有关的设备也就被确定。就其总线协议的基本原理而言，各类总线都是一样的——都以解决双向串行数字化通讯传输为基本依据。但由于各种原因，各类总线的总线协议存在很大的差异。
为了使现场总线满足可互操作性要求、使其成为真正的开放系统，在 IEC 国际标准现场总线通讯协议模型的用户层中就明确规定用户层具有装置描述功能。为了实现互操作，每个现场总线装置都用装置描述 DD 来描述。DD 能够认为是装置的一个驱动器，它包括所有必要的参数描述和主站所需的操作步骤。由于 DD 包括描述装置通信所需的所有信息并且与主站无关，所以可以使现场装置实现真正的互操作性。
实际情况是否如上述一致？回答是否定的。目前通过的现场总线国际标准含 8 种类型，而原 IEC 国际标准只是 8 种类型之一，与其它 7 种类型总线的地位是平等的。其它 7 种总线不论其市场占有率有多少，每个总线协议都有一套软硬件的支撑，它们能够形成系统、形成产品；而原 IEC 现场总线国际标准是一个既无软件支撑也无硬件支撑的空架子。所以，要实现这些总线的相互兼容和互操作，就目前状态而言几乎是不可能的。
通过上述我们是否可以得出这样一种映象：开放的现场总线控制系统的互操作性，就一个特定类型的现场总线而言，只要遵循该类型现场总线的总线协议，对其产品是开放的并具有互操作性——换句话说，不论什么厂家的产品，也不一定是该现场总线公司的产品，只要遵循该总线的总线协议，产品之间是开放的并具有互操作性，就可以组成总线网络。
（2）FCS 系统的基础是数字智能现场装置。数字智能现场装置是 FCS 系统的硬件支撑，是基础。道理很简单：FCS 系统执行的是自动控制装置与现场装置之间的双向数字通信现场总线信号制。如果现场装置不遵循统一的总线协议（即相关的通讯规约）、不具备数字通信功能，那么所谓双向数字通信只是一句空话，也不能称之为现场总线控制系统。再一点，现场总线的一大特点就是要增加现场一级控制功能。如果现场装置不是多功能智能化的产品，那么现场总线控制系统的特点也就不存在了，所谓简化系统、方便设计、利于维护等优越性也是虚的。
（3）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。
减少信息往返是网络设计和系统组态的一条重要原则，常常可带来改善系统响应时间的好处。因此网络设计时应优先将相互间信息交换量大的节点放在同一条支路里。
减少信息往返与减少系统的线缆有时会相互矛盾，这时仍应以节省投资为原则来做选择：如果所选择系统的响应时间允许的话应选节省线缆的方案；如所选系统的响应时间比较紧张、稍微减少一点信息的传输就够用了，那就应选减少信息传输的方案。
现在一些带现场总线的现场仪表本身装了许多功能块。虽然不同产品同种功能块在性能上会稍有差别，但一个网络支路上有许多功能雷同功能块的情况是客观存在的，选用哪一个现场仪表上的功能块是系统组态要解决的问题。考虑这个问题的原则是尽量减少总线上的信息往返——一般可以选择与该功能有关的信息输出最多的那台仪表上的功能块。
通过使用现场总线，用户可以大量减少现场接线，用单个现场仪表可实现多变量通信，不同制造厂生产的装置间可以完全互操作，增加现场一级的控制功能，系统集成大大简化，并且维护十分简便。典型的现场总线系统框图示于图 1。从图 1 中可以看出，传统的过程控制仪表系统每个现场装置到控制室都需使用一对专用的双绞线以传送 4~20mA 信号；图 2 所示现场总线系统中，每个现场装置到接线盒的双绞线仍然可以使用，但是从现场接线盒到中央控制室仅用一根双绞线完成数字通信。
编者注：原文图 1～图 3 未随网络版保存。
通过采用现场总线控制系统到底能节省多少电缆，编者尚未做此计算。但是，我们可以从采用 DCS 系统的电厂中与自动控制系统有关的所有电缆公里数看出电缆在基建投资中所占份额。
某电厂 2×300MW 燃煤机组，热力系统为单元制，每台机组设置一座集中控制楼，采用机、炉、电单元集中控制方式，单元控制室的标高为 12.6 米与运行层标高一致。DCS 采用 WDPF-Ⅱ，每台机组设计的 I/O 点为 4500 点。电缆敷设采用 EC 软件，8 个人用 1.5 个月时间完成电缆敷设的设计任务；主厂房内每台 300MW 机组自动化专业的电缆根数为 4038 根、电缆长度为 350 公里（以上均不包括全厂火灾报警的厂供电缆和全厂各辅助生产车间的电缆）；电缆桥架的立柱、桥架及小槽盒全部选用钢制镀锌，每台机组约 95 吨；其它电缆桥架包括直通、弯通、三通、四通、盖板、终端封头、调宽片、直接片等选用铝合金材质，每台 300MW 机组约为 55 吨，附件随桥架提供（如螺栓、螺母）。
某电厂 4×MW 燃油燃气电站，热力系统为单元制，DCS 采用 TELEPERM-XP，每台机组设计 I/O 点数为 5804 点。电缆敷设采用 EC 软件，12 个人用 2.5 个月时间完成电缆敷设的设计任务；主厂房内每台 325MW 机组自动化专业的电缆根数为 4413 根、电缆长度为 360 公里；每台机组全部选用钢制镀锌电缆桥架，其重量约为 200 吨。电站的电缆可以分为六大类：高压电力电缆、低压电力电缆、控制电缆、热控电缆、弱电电缆（主要指计算机用电缆）、其它电缆。若两台 300MW 机组同时做电缆敷设，自动化专业电缆的数量大约有 8500 根左右，其中热控电缆和弱电电缆将大于 5000 根，即约占 60% 左右（以根数计量）。
上述的比较是偏重于纯技术性的比较，以下比较拟加入经济因素。
比较的前提是 DCS 系统与典型的、理想的 FCS 系统进行比较。为什么要做如此的假设？因为 DCS 系统发展到今天，开发初期提出的技术要求已满足并得到了完善，目前的状况是进一步提高，因此也就不存在典型、理想的说法；而作为 FCS 系统，90 年代刚进入实用化，作为开发初期的技术要求——兼容开放、双向数字通信、数字智能现场装置、高速总线等——目前还不理想、有待完善。这种状态与现场总线国际标准的制定不能说没有关系。过去的十多年各总线组织都忙于制定标准、开发产品、占领更多的市场，目的就是要挤身于国际标准、合法地占领更大的市场。现在有关国际标准的争战已告一段落，各大公司组织都已意识到：要真正占领市场就得完善系统及相关产品。我们可以做这样的预测——不久的将来，完善的现场总线系统及相关产品必将成为世界现场总线技术的主流。
具体比较：
我们已经知道有的 FCS 是由 PLC 发展而来，而有的 FCS 是由 DCS 发展而来。那么今天 FCS 已走向实用化，PLC 与 DCS 前景又将如何？
PLC 于 60 年代末期在美国首先出现，目的是用来取代继电器，执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能，建立柔性程序控制系统。1976 年正式命名并给予定义：PLC 是一种数字控制专用电子计算机，它使用了可编程序存储器储存指令，执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过模拟和数字输入、输出等组件控制各种机械或工作程序。经过 30 多年的发展，PLC 已十分成熟与完善，并开发了模拟量闭环控制功能。PLC 在 FCS 系统中的地位似乎已被确定并无多少争论（参见图 3：IEC 推荐的现场总线控制系统体系结构）——PLC 作为一个站挂在高速总线上，充分发挥 PLC 在处理开关量方面的优势。另外，火力发电厂辅助车间（例如补给水处理车间、循环水车间、除灰除渣车间、输煤车间等）的工艺过程多以顺序控制为主，PLC 对于顺序控制有其独特的优势。编者以为，辅助车间的控制系统应以遵循现场总线通讯协议的 PLC 或能与 FCS 进行通讯交换信息的 PLC 为优选对象。
自 1973 年提出第一台以微处理器为基础的控制器以来，它逐步完善并最终形成功能齐全、安全可靠的数字式分散控制系统 DCS。它的性能大大优于以往任何一种控制系统，可以满足火电厂 DAS、MCS、SCS 和 APS 各系统的各种要求，目前还可以通过工业以太网建立管理层网络，以满足火电厂呼声越来越高的加强管理的要求。可以这样说，DCS 系统的监控可以覆盖大型火电机组的工艺全过程。
但是自从有了 FCS 并于 90 年代走向实用化以来，不断有如下论点在公开刊物上发表，即："从现在起新的现场总线控制系统 FCS 将逐步取代传统的 DCS"；"当调节功能下放到现场去以后，传统的 DCS 就没有存在的必要而会自动消失"；"今后十年，传统的 4~20mA 模拟信号制将逐步被双向数字通信现场总线信号制所取代，模拟与数字的分散型控制系统 DCS 将更新换代为全数字现场总线控制系统 FCS"……。这些论点归纳为一句话：FCS 将取代 DCS，DCS 从此将消亡。
上述论点皆出自于权威专家之口，确实不无道理。数字通讯是一种趋势，它代表了技术进步，是任何人阻挡不了的。双向数字通信现场总线信号制以及由它而产生的巨大推动力，加速现场装置与控制仪表的变革，开发出越来越多的功能完善的数字智能现场装置——这些都是 DCS 系统所不具备的，而由此产生的优越性以及给火电厂的设计、配置、组态、运行、维护、管理等方面带来的效益也是 DCS 系统所不及的。再则 FCS 是由 DCS 以及 PLC 发展而来，它保留了 DCS 的特点，或者说 FCS 吸收了 DCS 多年开发研究以及现场实践的经验（当然也包括教训），由此而得出结论"FCS 将取代 DCS"似乎也是顺理成章之事。
同时我们也应看到，DCS 系统发展也近 30 年，在火电厂的应用如此广泛，它的设计思想、组态配置、功能匹配等已达十分完善的程度（当然 DCS 也存在进一步发展的需求，例如高级软件开发以满足信息集成的要求），已渗透到火电厂控制系统的各个领域，并且在 FCS 系统中也有些体现。从这个角度来看，DCS 系统似乎不能说从此消亡。再则从前面的章节叙述中已经谈到，对那些 FCS 系统不能充分发挥其特点及优越性的领域，DCS 系统仍有用武之地。
我们似乎没有必要在文字上做过多的争论、一定要强调谁取代谁。正如目前的 DCS 与新型的 PLC，由于多年的开发研究，在各自保留自身原有的特点外又相互补充形成新的系统——现在的 DCS 已不是当初的 DCS，同样如此，新型的 PLC 也不是开发初期的 PLC。我们能够说是 DCS 取代了 PLC 或者说是 PLC 取代了 DCS，显然都是不合适的。
从上述分析论述中我们可以得出以下简单的结论：现场总线控制系统 FCS 的出现，数字式分散控制 DCS 并不会消亡，而只是将过去处于控制系统中心地位的 DCS 移到现场总线的一个站点上去。也可以这样说，DCS 处于控制系统中心地位的局面从此将被打破。今后火电厂的控制系统将会是：FCS 处于控制系统中心地位，兼有 DCS 系统哲学的一种新型控制系统。
