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集散控制系统（DCS）产生于20世纪70年代末，它适用于测控点数多而集中、测控精度高、测控速度快的工业生产过程（包括间歇生产过程）。DCS有比较统一、独立的体系结构，具有分散控制和集中管理等功能。DCS测控功能强、运行可靠、易于扩展、组态方便、操作维护简便，但DCS的价格相对较贵。目前，DCS已在石油、石化、电站、冶金、建材、制药等领域得到了广泛应用，是最具有代表性的工业控制系统之一。随着企业信息化的发展，DCS已成为综合自动化系统的基础信息平台，是实现综合自动化的重要保障。依托DCS强大的硬件和软件平台，先进控制、优化、故障诊断、调度等高级功能得以运用在各种工业生产过程中，提高了企业效益，促进了节能降耗和减排。这些功能的实施也进一步提高了DCS的应用水平。
目前DCS产品种类较多，特别是一些国产的DCS产品在一定的领域也有较高的市场份额。国外的主要DCS产品有霍尼韦尔公司的Experion PKS、艾默生公司的DeltaV和Ovation、福克斯波罗公司的I/A、横河公司的Centum、ABB公司的 IndustrialIT、西门子公司的PCS7和罗克韦尔公司的Plant PAx等。我国的DCS厂家主要有北京和利时、浙大中控和上海新华控制等。
DCS的应用具有较为鲜明的行业特性，通常某类产品在某个行业有很大的市场占有率，而在另一行业的市场占有率可能较低。例如，艾默生公司收购的Ovation系统在发电行业具有极高的市场占有率，而DeltaV系统在流程工业的市场占有率很高。上海新华控制的DCS以前也主要应用在发电行业。
虽然采用各种智能仪表、单回路调节器、PLC等现场控制设备，以及上位机和组态软件等也可以构成具有“控制分散、管理集中”特点的分布式控制系统，不少文献也称此类系统为集散系统，但本节所说的集散控制系统专指由单一厂家制造的一体化的控制系统。
DCS之所以得到广泛的应用，与其特点是分不开的，这些特点主要表现在以下七个方面。
DCS的分散性除了控制分散，还包括地域分散、设备分散、功能分散、负荷分散和危险分散等。分散的目的主要是实现危险分散，从而提高系统的可靠性，降低系统的运行风险。为了达到分散性，DCS的硬件结构积木化，软件结构模块化。DCS的集中性是指通过通信网络把物理分散的设备构成统一的整体，从而实现信息集中和共享，达到集中监控和集中管理的目的。
DCS的自治性是指其实行功能分区，一定功能的计算机均可独立工作。DCS的自治性便于实现递阶控制结构。例如，过程控制站能自主地进行信号输入、运算、控制和输出；操作员站能自主地实现监视、操作和管理；工程师站的组态功能更为独立，既可以在线组态，也可以离线组态。
DCS在功能分区的基础上，通过多级控制网络，实现不同功能分区的协调工作，从而实现DCS的各种基本功能和高级功能，达到系统级的稳定运行。
DCS硬件采用积木式结构，可以根据用户需求灵活地配置。DCS软件采用模块式结构，提供各类功能模块，可以灵活地组态，构成简单或复杂的各类控制系统。另外，DCS还可根据生产工艺和流程的改变，随时修改控制方案，在系统容量允许的范围内，只需要通过组态就可以构成新的控制方案，而不需要改变硬件的配置。
DCS具有强大的硬件性能和分散架构，除了可以实现以往常规仪表的简单控制和复杂控制功能，还具有先进控制、优化控制、智能控制等功能，支持用户自定义的先进算法。此外，DCS的逻辑和顺序控制功能也有了很大的提高。
DCS在重要设备、对全系统有重要影响的设备上常采用冗余结构，如冗余控制器、冗余电源、冗余通信等。
DCS在某些应用场合如石油化工领域，出于风险控制和降低的目的，需要实现一定的安全功能。新型的DCS除了实现常规控制，还较好地融合了安全仪表功能，从而实现常规控制与安全控制的一体化，如霍尼韦尔公司的安全系统Safety Manager与Experion PKS的一体化解决方案。
自DCS进入自动化领域之后，DCS控制层的自动化软件和硬件结构一直没有变动，软件和硬件采取捆绑方式，即用户只能通过厂家的控制器组态软件来与控制器交互，而不能采用第三方的软件。同样，每个DCS厂家的硬件属于该厂家专有，不能用第三方的硬件来替换，由此导致了DCS的封闭性。在IT与OT融合的今天，传统的DCS已不能满足当前流程工业对控制系统的需求，目前出现了开发新一代流程工业控制系统及改进传统的DCS两股浪潮。
一个基本的DCS包括一台现场控制站、一台操作员站/工程师站和系统网络。在实际应用中，通常DCS的结构比较复杂，以充分发挥DCS的系统管理和先进控制等功能。由于不同的DCS具有各自的特点，这里以艾默生公司的知名产品DeltaV系统为例，对DCS进行介绍，其他品牌的DCS可以参考相关手册或技术资料。
DeltaV系统充分利用了计算机技术、网络技术、控制技术、数字通信技术取得的成就，是艾默生公司数字化工厂的重要产品。DeltaV系统是基于现场总线开发的，并兼容了HART技术和传统的DCS功能。DeltaV现场总线控制系统结构如图2.30所示，从图中可以看出该产品的网络结构比较复杂，除了控制网络的高速以太网HSE，还支持FF现场总线和PA总线，以及DeviceNet和Profibus-DP等设备级总线。
图2.30 DeltaV现场总线控制系统结构
DeltaV系统的硬件组成主要包括如下几部分。
（1）控制器
DeltaV系统的控制器用于管理所有在线I/O子系统、控制策略的执行及通信网络的维护。同时，时间标签和报警趋势记录也是由控制器管理的。控制器从输入通道读取数据，然后执行控制策略，最后送到输出通道。
冗余配置的控制器在工作时会有一个处于激活状态，而另一个待机状态的控制器拥有相同的设置，并会映射在线控制器的所有操作。一旦在线控制器发生故障，待机状态的控制器将会自动切换到激活状态。另外，系统可以在故障控制器被替换后自动执行初始化，使系统恢复冗余配置。当网络发生故障的时候，控制器会保留最后收到的有效数据。
控制器的特点包括如下几方面。
自动分配地址：每个控制器作为一个网络节点对整个DeltaV系统具有唯一性，一旦上电，系统会自动分配网络地址，无须拨动开关或做另外的设置。
自动I/O检测：控制器能够检测到所有安装在子系统上的I/O接口通道。一旦插入I/O卡件，控制器就能准确地知道I/O卡件所连接的现场设备的常用属性。
数据保护：将数据下装到控制器时，DeltaV系统会保存下装信息。同样，用户在线改变控制器组态时，系统也保存这些组态的更改信息。这样，系统将保存所有下装到控制器的数据的完整记录及所有曾做过的在线更改。
冷启动：当系统因故障断电时，控制器可以在一定时间内保存在线数据和所有组态设置，使得在重新上电后无须初始化就可以直接启动与正常工作。
数据通道：控制器可以将智能HART信息从现场设备传送到控制网络中的任何节点，即通过运行先进的资产管理软件AMS，可以实现现场HART设备或基金会现场总线设备的智能信息的远程管理。
（2）I/O卡件
DeltaV系统的所有I/O卡件均为模块化设计，可以即插即用、自动识别、带电插拔。DeltaV系统主要包括两大类I/O卡件：一类是传统I/O卡件，另一类是现场总线接口卡件。这两大类卡件可以任意混合使用。
① 传统I/O卡件
传统I/O卡件是模块化的子系统，它安装灵活，可以安装在离物理设备很近的现场。传统I/O卡件配备了功能和现场接线保护键，以确保I/O卡件能正确地插入对应的接线板中。
传统I/O卡件的特点如下。
所有与I/O卡件有关的部件都安装在I/O卡件底板（DIN导轨）上，I/O卡件可以给现场设备供电（24VDC，4～20mA或220VAC）。
各种模拟和开关量I/O卡件的外观和体积相同，便于插入I/O卡件底板中。
各种安装在I/O卡件底板上的I/O接线板可以在安装I/O卡件前先完成接线。
所有与I/O卡件有关的部件都可以进行完全模块化设计并都可以带电安装。当系统规模扩大时，可以在线加入扩展的 I/O卡件。
系统自动识别所有在线I/O卡件的类别及通道状态，并作为记录保存在组态数据库中。
I/O卡件和接线板都设置有I/O功能保护键，这些保护键能够保证I/O卡件都插到相应的接线板中。这种安全设计使传统I/O卡件最初的安装变得非常快捷有效。当需要更换I/O卡件时，功能保护键可以确保安装正确。
② 现场总线接口卡件
基金会现场总线
基金会现场总线接口卡件（H1）可以通过总线方式将现场总线设备连接到DeltaV系统中，一个H1可以连接2个FF网段，每个FF网段最多可以连接16个现场总线设备，DeltaV系统可以自动识别其设备类型、生产厂家、信号通道等信息。
基金会现场总线设备通过与数字自动化系统的双向通信还可以提供预测性的报警、确认信息、基于现场的控制、诊断设备信息，同时具备以毫秒为单位的捕捉数据功能。
DeltaV系统采用基金会现场总线的优势如下。
为设备具体功能提供标准，设备的功能不需要在主机里编程组态。
自动指定设备地址，节省时间、提高效率。
从设备本身发出报警，且报警发生的时间记录可以达到0.0001s。
基金会现场总线是点对点通信总线，而其他总线要求所有的通信通过主机进行。
不需要在DeltaV系统中为每个新设备改编程序。
设备总线
设备总线除了主要包括Profibus-DP和DeviceNet，还包括传感器总线和串行通信总线。其中每块Profibus-DP卡支持1个Profibus网段，每个Profibus网段最多可以连接64个Profibus-DP设备。每块DeviceNet卡支持1个DeviceNet网段，每个DeviceNet网段最多可以连接64个DeviceNet设备。
设备总线主要用于电动机起停、调速电动机驱动、称重单元接口、数字控制阀、电磁阀等设备。
DeltaV系统的工作站是DeltaV系统的人机界面，通过该工作站，企业的操作人员、管理人员可以随时了解、管理并控制整个企业的生产及计划。DeltaV系统的所有应用软件均为面向对象的操作软件，满足系统组态、操作、维护及集成的各种需求。DeltaV系统的工作站的组态指导给出了具体的组态步骤，用户只要运行它并按照它的提示进行操作即可。
DeltaV系统的工作站主要分为四种：Professional Plus工作站、Professional工作站、操作员工作站、应用工作站。
（1）Professional Plus工作站
每个DeltaV系统有且只有一个Professional Plus工作站，通常称之为主工程师站。该工作站负责全局数据库的组态及组态数据库的维护。Professional Plus工作站配置有系统组态、操控、维护及诊断等软件包，具备工程师站和操作员站的所有功能。
Professional Plus工作站的主要功能特点包括如下几点。
相关过程控制单元的操作界面；
全局数据库的浏览、查找及组态；
事件报警记录的浏览；
控制策略的组态及系统设定；
各个控制器、工作站、I/O卡件及整个网络的诊断。
（2）Professional工作站
Professional（工程师）工作站拥有与主工程师站相同的系统组态、操控、维护及诊断等软件包。DeltaV系统先进的通信机制保障异常报表和请求响应等，能够使故障、事故和请求等得到及时有效的处理。
（3）操作员工作站
DelatV系统的操作员工作站为用户提供了一个功能强大的操作环境，采用内嵌式的组件，便于各项数据的输入与读取。报警浏览表、流程图或模块详细信息等都有直观的统一界面，系统预先定制了标准的操作面板及详细面板，由此来统一所有模块的操作。系统通过对报警的分级、显示及管理使得操作员可以准确无误地关注到最重要的报警信息，并且可以直接通过报警栏处理最高级别的报警。
各项内嵌式功能如报警优先级和用户名权限的设定有效地提高了工厂在运行中的可利用率，而简单灵活的用户操作界面也使各项特殊的工艺操作要求得到最大限度的满足。
（4）应用工作站
DelatV系统的应用工作站可以用于存放历史数据库，同时可以作为OPC服务器对外的接口。此外，应用工作站也可以配置各种优化或管理软件以实现其他特定的功能。
应用工作站的主要功能特点包括如下几点。
OPC服务器可以直接访问系统数据库，为客户端软件的应用提供快速、准确、可靠的数据。
历史数据库用于存放记录模拟量及数字量的文本参数。
用户可以从Microsoft Excel表格中直接读取实时或存储于历史数据库中的连续历史记录数据用于计算及分析。
（1）工厂局域网
工厂局域网由智能现场设备、标准化平台和一体化与模块化软件组成。这些组件用开放的通信标准连接，现场级采用基金会现场总线，工厂级采用标准以太网，不同平台之间通过OPC技术进行数据交换。
工厂局域网作为工厂管理层与DeltaV系统之间建立通信的桥梁，采用OPC技术。DeltaV系统和资产管理系统（AMS）为用户提供生产过程信息和管理信息，使用户能够有效利用现场智能设备提供的信息，并能够在不同平台之间进行信息交换。
（2）控制网络
在DeltaV系统中，控制网络包括工作站、控制器、交换机和网线（双绞线或光缆）。当各节点到交换机的距离小于100m时，用双绞线连接各节点到交换机上；当各节点到交换机的距离大于100m时，用光缆进行扩展。
DeltaV系统的控制网络考虑到通信的完整性，往往采用冗余方式，并建立两条完全独立的控制网络，即主副控制网络。主副控制网络的交换机、以太网线及工作站和控制器的网络接口也是完全独立的。
DeltaV系统的每个控制器都有主副2个网络接口，当采用冗余控制器配置时，每对控制器会有2个网络接口连接到主交换机上，另2个网络接口连接到副交换机上。DeltaV系统的各工作站都配有3块网卡，其中2块用于建立控制网络，另1块用于备用或连接其他系统（如工厂网络）等。
DeltaV系统的控制网络采用TCP/IP通信协议，系统自动分配各节点的IP地址。每套DeltaV系统最多可以支持120个节点，系统结构灵活，规模可变，易于扩展。
DeltaV系统通过应用站节点可以延伸至企业的工厂网，将过程数据及有关历史记录数据上传至上层应用中，如优化分析、实验室分析、工厂生产调度管理等。企业的工厂网作为外部网络将不会遵循DeltaV系统的网络协议，应用工作站或主工程师站作为系统与外部网络的唯一接口利用OPC服务器进行数据的传递。
（3）控制网络安全策略
DeltaV系统除了提供对机柜加锁这种物理保护，还提供了各个级别的网络安全防护机制，从参数的保护、区域的保护到功能模块的保护。DeltaV系统甚至可以对某个特定的用户或某个特定的参数进行安全级别的设定。
DeltaV系统的安全策略具体体现在以下几方面。
DeltaV系统要求运行在一个相对独立的局域网上。
DeltaV系统的工作站采用通过艾默生公司认证的特定机型。另外，当系统运行时，可以禁用光驱或USB接口，从而防止外部设备对系统的感染。
DeltaV系统在开发的全过程中融入了安全的设计思路，致使许多应用软件都是内嵌在系统操作软件中的。
用户权限的设定。每个进入系统的用户都必须拥有一个唯一的用户名及相应的登录密码。系统可以按照用户名对不同的人员进行分级管理，包括操作区域的设定、操作权限的控制等。
DeltaV系统有专门认证的防病毒软件。DeltaV系统有专人小组按月对微软的操作系统的安全性进行测试。
根据DeltaV系统的组网方式及结构，我们可以清楚地看到最基本的安全防护。
DetlaV系统的软件主要包括系统组态软件、控制软件、操作管理软件、诊断软件、批量控制软件、先进控制软件、资产管理软件等。
DeltaV系统的系统组态软件由以下几部分组成。
（1）DeltaV浏览器
DeltaV浏览器是系统组态软件的主要导航工具，它用一个窗口来表现整个系统，并允许直接访问其中的任意一项。这种类似于Windows浏览器的外观可以定义系统组成（如区域、节点、模块和报警）、查看整体结构和完成系统布局。DeltaV浏览器还可以提供向数据库中快速增加控制模块的方法，可以将控制模块从模块库中拖放到某个工厂区域，并定义符合应用要求的模块参数。在系统中插入I/O卡件、智能现场设备或控制器时，DeltaV浏览器采用内置的自动识别功能来建立组态，从而极大地简化了组态的定义过程。DeltaV系统可以通过多种方式组态，如用浏览器中交互式的对话框组态、在控制方案组态工作室用图形化方式组态等。
（2）DeltaV控制工作室
DeltaV控制工作室用于为用户的控制策略创建、修改和删除模块，为控制模块提供完整的编辑功能。图2.31所示为DeltaV控制工作室的分区视图界面。系统提供了IEC 61131图形化控制策略，所有的控制策略都由标准图形完成。DeltaV控制工作室可以简化系统组态过程，利用标准的预组态模块及自定义模块可以方便地学习和使用系统组态软件。
DeltaV组态非常直观，标准的微软窗口提供的友好界面能更快地完成组态工作。DeltaV控制工作室还配置了一个图形化模块控制策略（控制模块）库、标准图形符号库和操作员界面。拖放式、图形化的组态方法简化了初始工作并使维护更为简单。
DeltaV系统具有部分下装、部分上装的功能，即将组态好的部分控制方案在线从工作站下装到控制器中而不影响其他回路或方案的执行，同样，也可以在线将部分控制方案从控制器上装到工作站中。
（3）配方工作室
配方工作室主要用于批量过程的控制组态。
（4）图形工作室
图形工作室主要用于预先定义图形库，它为操作界面的组态提供图形、文字、数据和动画等。
（5）用户管理器
用户管理器主要用于对用户操作安全性的管理。不同操作员有不同的操作权限，操作员只能在允许的操作范围内进行操作。
图2.31 DeltaV控制工作室的分区图界面
控制软件包括数字控制和顺序控制等应用软件，它具有显示趋势、报警和历史数据功能。控制软件提供各种常用的功能模块，如输入和输出模块、模拟控制模块、算术运算模块、定时/计数模块、逻辑运算模块等。控制软件还提供能量计量模块和先进控制模块，以及可扩展的功能模块。
DeltaV系统还预置了符合基金会现场总线的功能块标准，从而可以在完全兼容、广泛使用HART智能设备和非智能设备的同时，在不修改任何系统软件和应用软件的条件下兼容基金会现场总线设备。
操作管理软件是人机操作的主要界面，类似SCADA系统的上位机人机界面。操作管理软件主要实现的功能包括流程显示、参数显示、实时和历史趋势记录与显示、报警和事件处理及操作员和用户管理等。DeltaV系统提供了图形工具，操作员可以根据图标进行操作。标准操作界面分为三个预先设计的区域：按钮工具条、工作区和报警区。
操作管理软件是在艾默生公司收购的iFix基础上进行开发的，其人机操作界面开发过程与一般的组态软件类似，由于把该软件集成到了DCS中，因此，采用该软件开发人机操作界面比一般的人机操作界面开发要简单。
DeltaV系统提供覆盖整个系统及现场设备的诊断，用户不需要了解诊断系统的细节和工作原理。用户通过DeltaV诊断浏览器（Diagnostics Explorer）查看全系统的状态，以便快速了解网络通信的状态、控制器和I/O卡件及现场智能化仪表的运行状况。
DeltaV系统提供先进的批量控制软件，以满足制药、食品等行业对批量控制的要求。批量控制软件主要包括基本批量软件、先进批量软件和专业批量软件等。
DeltaV系统的先进控制软件可以为多种应用场合提供全套服务，包括自动多变量检测、整定、模糊逻辑控制、模型预测控制、仿真和优化。DeltaV系统的先进控制简便易学，无须特殊技能，一般的过程工程师就可以操作。
DeltaV系统的资产管理软件具有智能设备管理能力。维护人员通过资产管理软件可以查看单个设备的状况，并对设备进行深入分析。根据这些信息，维护人员还可以对设备进行预测性维护工作，从而在问题发生之前消除隐患。利用资产管理软件还可以对现场设备进行配置，并对变送器的量程等参数进行修改。由于DeltaV系统和资产管理系统完全兼容，DeltaV系统可以自动检测到设备状况并对控制策略进行相应的调整。