摘要：DCS控制站从按危险分散的小容量演变到局部集中的大容量，满足一套生产装置或机组总体控制要求。按仪表智能化途径的I/O逐点分散的FF-H1的体系结构能满足现场的本安要求是其特长，而把DCS控制站整体搬至现场的局部集中体系结构优点甚多而成为FCS的主体结构。这种结构的H1两个接点可并联连接而解决PLC整体双重冗余的技术难题。(以太网+TCP/IP+OPC SERVER)+局部集中体系结构在技术上有可能成为“求大同存小异”的统一且唯一的国际标准的FCS,“存小异”把在应用层—功能(算法)模块特长与行业应用潜能的自由竞争天地留给各FCS制造厂商。 一．DCS的基本结构及进展 上一世纪七十年代中期问世的DCS的基本结构如图1所示,由控制站1、显 示操作站(或称HMI-人机接口)2、以及将1、2连成一个总体的通信总线3共3个部分组成。随着微电子、计算机、通信尤其是工业网络等高新技术及产品的迅速发展以及工业应用需求的变迁，使DCS这三个组成部分的职责与相互关系在设计理念上有较大的变化。
设计DCS的初衷是“危险分散、信息集中”。危险分散体现于早期DCS的一个控制站或控制单元仅仅包含8--16个控制回路。往往要配置多个控制单元才能满足现场一个机组或一套生产装置整体控制要求。小容量控制站使通信总线不但实施人机接口与控制站之间非及时信息的交换，而且还需实施某些控制站之间为完成对现场装置整体控制必需的timelines-及时性信息交换。担负后一使命使通信总线成为控制系统的“神经命脉”，无疑是DCS可靠性的主要“瓶颈”之一。然而，现代化的工业生产，由于采取能量回收措施以及配套的公用工程使工艺流程上、下游各单元设备之间存在物流与能量流之间的勾连而形成的一套生产装置或机组是一个有机的整体，该整体的安全平稳生产并非能由各控制单元分别实施局部分割控制所能确保的[1]。基此，工业应用要求扩大控制站的I/O容量与控制回路数，使之能覆盖一套生产装置（或机组）的控制需求而实现局部集中控制[2]。 局部集中控制的理念能取代“危险分散”的初衷，除已具备超大规模集成芯片以质高价廉姿态面市这种物质条件之外，还在控制站的结构设计上作了尽乎完备的考虑。局部集中控制的理念的体现是摒除(可由用户在系统组态时考虑)通信总线在控制站间交换完成控制回路闭环所需的”及时性(timelines)”信息,而由各控制站自身完成一套生产装置或机组基本控制所需I/O信息的采集与输出,使通信总线仅在各控制站与显示操作站(HMI)实施非及时性信息交换。这种局部集中控制理念的实施无疑是把通信总线从”及时性”使命中解脱出来!而DCS(分散控制系统)的可靠性与基础控制功能全仰仗于控制站。于是,为确保控制站的可靠性与效能,不但对其电源供应、CPU卡与通信卡及部份I/O卡件采用双重冗余，甚至出现4个CPU作双对冗余，而且采用一个CPU芯片对采样输入进行预处理及输出判断处理，一个CPU芯片进行控制运算等“用空间换时间与效能”等一系列措施；适用于不同工业应用的控制算法以功能模块形式常驻于大容量存储器内使之能在无人干预的情况下按控制方案预先组态好的程序连接，完成各种连续、批量及程序逻辑控制，使整个生产装置或机组安全平稳运行。而显示操作站除通过通信总线获得各控制站的所有信息可供操作人员监视、操作之外，还可进行优化控制等后台作业，也可使其连向全厂的企业管理网。现代DCS把信息高度集中并予以综合应用的潜力可供用户对全厂甚或全企业生产管理调度进行优化使之受益非浅，从而导致其至今仍处于市场主导位置。 然而，置于主控室大机柜之内的控制站其采样输入来自现场而控制信号则返回现场，每一I/O信号均需在现场与主控室之间来回穿梭则带来诸多弊病：信号电缆耗费量极大，一个大型工厂的信号电缆总长达4--6位数字的公里数并非罕见，不但信号电缆敷设的一次性投资巨大而且庞大的电缆群维修困难并有损于其使用的整体可靠性。除此之外，各家的DCS不但硬件各异而软件与通信协议更是各家专用无以兼容而形成众多的自动化孤岛，使用户不能自由扩充而受掣于专一的厂家。随着网络时代的到来，上述两个缺陷导致DCS制造厂商不得不正视用户的要求而寻求变革。 二． FCS的问世的多维局面 Ａ．用户对FCS的期望 针对DCS的上述两点不足，用户对取代DCS的FCS有以下具体要求。 １． 测量、控制返回至现场，减少一次布线投资并方便维修。 ２． 控制系统是一个开放性的系统，能简便地与上面的企业管理层联网。 ３． 系统能用不同厂商制造的设备搭建，破除独家垄断，增加对产品或备品备件供应商的选择余地。 ４． 控制系统的系统平台（包括系统管理、网络管理以及通信协议等）遵从统一的国际标准，其变革不由单家公司控制。 ５． 应用软件具备互操作特性，并由相应的国际机构或组织予以测试通过后发证认可。 以上五点要求，所有FCS的制造厂商都无一例外本着“用户是上帝”而予以认可。然而，事实上却不尽然。为维护其原有DCS市场份额，有的把I/O（采样／输出）以及A/D、D/A转换移至现场后运用RS-232或RS-485等通信至控制室的现场控制单元（FCU）实现RI/O（远程I/O）而节省现场布线予以搪塞；而更高明的则是在“标准”上各持己见，有的把原有不同总线的产品用网关（gateway）捏合后再包装成FCS（现场控制系统）抢占市场．．．。由ISP[3]发展而成的FieldBus Fundation（FF现场总线基金会）是由国际上所有大的DCS制造厂商参加的国际组织，制定了一系列FF规范。但FF一开始就在系统结构上走了一条“冷僻”的途径。 Ｂ．FF-H1园卡途径 这种途径的基本思路是把图1的控制站按I/O点或通道逐一将采样、A/D 移至变送器及将控制运算、D/A等移至执行器，而用一根通信总线把成为节点的变送器及执行器和人机接口等连成一个数字化、多节点、串行的双向通信系统，如图2所示。这种体系结构的好处如下。
图3 １． 如图3所示把传统的4--20MA单变量单向传送变成现场总线多变量双向传送的信息；扩大视野，便于诊断变送器（尤其是多变量变送器）、执行器的故障。
图4 ２． 如图2及4所示，可向各仪表变送器与执行器提供本安供电，能在防爆要求最高等级，例如煤矿现场工作，这是其独具的特点，也是FF-H1总线产品独占的“生存”空间。 然而，这种体系结构导致分散到仅包含一个测量输入一个输出的单回路闭环控制功能都需要借助通信才能履行，致使其技术规范十分复杂、繁冗，其主要特点如下。 １． 有三种通信机制：要求及时性(timeliness)的强制通信（Publisher/Subscriber）、传递趋势与报警信息的（source/sinks）QUU(Queued User-triggered Unidirectional)通信以及请求/应答的client/server QUB(Queued User-triggered Bidirection peer-to peer)通信。前者是及时性强制通信，后二者是令牌传递获得通讯权才进行的非及时通信，如图5所示。
２． 每段链路都要求进行链路活动调度（LAS），如图6所示，由具备主站资格的现场装置通过竞争或用户指定成为LAS执行器；LAS主要职责如图5所示在每一控制周期开始时向链路发同步时钟以进行强制通信并随后发放/收回令牌。 ３． 为确保LAS的可靠性，一旦现行LAS执行者失败，则如图6所示，由链路的其它主站“竞争上岗”。 ４． 控制功能算法按OPC（OLE for process control,OLE-Object linking and embedding ）要求编写,对各模块的输入/输出参数均有明确规定,除规定的参数在编程中必需用到之外,突出各自特点的参数可列在规定的参数之后；前者是通过FF互操作性能测试予必须的，后者可突出各制造厂商的应用专长。 ５． 在通信速率与总线长度两者权衡折衷的情况下,通信速率仅为31.25Kb/S，总线总长为1900米，支线长度最大为120米，且均需逐一计在总线长度内，工程设计较为繁琐。 ６． 一个H1网段的节点总数最大为32个，有本按供电要求的支链路允许的现场装置数为2--6个（支路总功率1.3瓦-12伏DC供电*(20-4)MA*6〈1.3瓦〉。这种分散到无以复加的体系结构是依据本安现场要求所确定的，也是沿仪表智能化途径上朔而成的。无疑，除了是唯一符合本安要求的FCS(现场控制系统)这一特点之外,而从前述控制整体性能而言则难以恭维!31.25Kb/S的慢速通信以及过于分散而必须借助强制通信才能履行闭环控制功能使其无法履行PLC等快速及机电控制要求;而需本安要求的产品占市场份额相当少，何况FF本身机制也使H1产品迟迟面市，这些就导致目前通过