浅谈现场总线控制系统与集散控制系统   郭芳瑞 (西安建筑科技大学陕西 西安710055) 摘 要：首先对现场总线控制系统及集散控制系统进行了简要的介绍，而后着重讨论了现场总线控制系统在实际应用中的一些问题，最后提出了工程应用中选择现场总线控制系统的一些建议。 关键词：现场总线; 现场总线控制系统；集散控制系统；控制算法 1引言 目前现场总线控制系统是控制领域中的热点, 现场总线控制系统(FCS)是在集散控制系统(DCS)的基础上产生的,二者是继承和发展的关系。DCS已走过了近30年的历程,广泛地应用于化工、石油、电力等工业过程,基本上满足了大、中、小控制工程的需求。但是DCS系统并非尽善尽美,在网络化的今天已经不适应系统网络化的要求。FCS系统保留了DCS系统的优点，克服了DCS系统的缺点。然而FCS系统才有十余年的发展历程,目前在实际应用中还不很理想,正在逐步完善。因此FCS系统取代DCS系统不是一两年的事,可能要有十年左右的时间,那么在这个过渡时期控制系统的设计是选用FCS系统还是DCS系统是值得考滤的问题。本文就此问题作深入的讨论。 2集散控制系统DCS 自1975年Honeywell公司推出的TDC2000集散控制系统以来,集散控制系统在近30年的发展过程中逐步完善、成熟,二十世纪八九十年代在控制领域中占主导地位。其基本思想是分散控制集中管理。DCS系统的典型结构是上、下位机系统及其通信网络,上位机称为操作站(有的还设有工程师站), 下位机称为控制站。操作站实现控制系统的控制操作、过程状态显示、报警状态显示、历史数据的收集和各种趋势显示及报表生成与打印等(工程师站只供工程师使用,用来控制组态、系统生成与下装)；控制站是对现场物理信号(包括开关信号)进行实时采集并进行数据处理、控制运算,或将结果传送到上位机；系统的网络负责各种功能站之间的数据通信和联络。集散控制系统具有控制功能多样、操作简便、维护方便、可靠性高、便于与其他计算机联用等优点。其缺点是不同厂家的DCS系统有不同的通信方式,因此不同厂家的DCS之间以及与其上层Intranet/Internet网络之间难以实现互联和信息共享,从这个角度讲DCS系统是不开放的。此外由于现场到控制室信号连线过多,相对于FCS系统增加了大量资金投入。 3现场总线控制系统FCS 随着控制技术、计算机技术、通讯技术和网络等技术的成熟与发展，在实际生产需求的驱动下，于20世纪80年代产生的现场总线，是控制技术又一个新时代的开始。 多年来，自动控制系统基本上是采用一对一连线，4～20 mA（或0～10 V）模拟信号进行检测与控制，致使设备与设备之间、系统与系统之间、系统与外界之间无法进行信息交流，在一定程度上成为“信息孤岛”。现场总线是将专用微处理器置入测量控制仪表、执行器等现场设备之内，使这些现场设备各自都具有数字计算、逻辑判断、数字通信和智能功能，将这些现场智能设备用于生产对象就构成一个现场控制设备（实际已经组成了一个完整的控制系统），这个现场控制设备就称为节点，再用相应规格的导线把多个节点按照现场总线的通信协议连接起来，就形成设备及车间级的数字化通信网络，称之为工厂底层网络，可完成节点与节点间，节点与过程监控计算机乃至Internet之间的数据传输、信息交换、远程登录和远程访问等。 总之,FCS是以现场总线为基础应用于生产现场，在测量和控制设备之间实现双向、串行、多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制系统。显然，这样的系统不存在“信息孤岛”现象了，远优于DCS系统。国际上发达国家的厂商看到了现场总线的广阔前景，能给他们带来巨大的利益，于是纷纷投入很大的人力、物力进行研究开发。他们首先立足于总线标准，即总线协议的制定，而后力图发展其应用领域以扩张自己的经营范围。目前已经出现了40多种现场总线，各发展各的势力，各作各的生意，已形成目前多种现场总线并存，各不相让互相兢争的局面。 多种现场总线并存，就意味着有多种标准，这就严重束缚了现场总线的应用和发展。用户和设备制造商强烈要求现场总线能有一个统一的国际标准，但是若制定出一个统一的国际标准，就等于把大多数厂商各自的标准取消，那么他们就垮台破产，这是行不通的。直到1999年国际电工委员会（IEC），认定通过了8种现场总线为现行的现场总线技术标准。 多种现场总线标准并存不是一件好事，然而，这种局面可能还要持续较长时间,并且他和传统的集散控制系统DCS可能要并存若干年,有的资料估计十年左右。 目前现场总线技术在我国正在健康发展。国外一些主要现场总线开发商纷纷在我国设立分支机构或代理商,大力宣传和推广其产品,有几种现场总线已用于我国重点工程项目。不少民营控制工程项目也采用了FCS系统。国内的一部分大专院校、科研机构及一部分自动化公司己经开发出或正在开发适合我国国情的FCS系统产品。 4FCS和DCS的比较 在控制领域中,一直为主流的DCS受到了FCS的极大冲击, FCS较DCS有很多优越性。很明显的看到FCS的结构比DCS简单, FCS系统中没有了控制器,其控制功能已有现场仪表及设备来实现。更明显的是二者的传输介质差别很大, DCS需要多根导线，例如100个检测点需101根导线，而FCS仅需1根双绞线。 FCS系统比DCS系统更好地体现了“信息集中，控制分散”的思想。与传统的DCS 相比， FCS系统具有高度的分散性，他可以由现场设备组成自治的控制回路。现场仪表或设备具有高度的智能化与功能自主性，可完成控制的基本功能，并可以随时诊断设备的运行情况。由于集散控制系统DCS的不开放性,不同厂家的产品不能互换、互联、限制了用户的选择范围。而现场总线控制系统FCS具有开放性,系统的通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换，通过现场总线可组成开放互连系统。 由于结构上的改变，FCS比DCS更节约硬件设备。使用FCS可以减少大量的隔离器、端子柜、I/O卡及I/O端口，这样就节省了I/O装置及装置室的空间；同时减少了大量电缆，可以极大地节省安装费用。由于免去了D/A与A/D变换，使仪表精度得到极大的提高；通过将PID功能植入到相应的智能传感器中去，使控制周期大为缩短。目前FCS可以从DCS的每秒调节2～5次增加到每秒调节10～20次，改善了调节性能。 FCS在不久的将来肯定要取代DCS，那时FCS既具有了DCS所具有的功能，又克服了DCS的缺点。然而目前由于他是一种新技术，应用时间不太长,因此FCS与成熟的DCS相比，还存在一些不足。例如在某些场合中，FCS还无法提供DCS已有的控制功能;由于软硬件水平的限制，其模块的功能还不是很强，品种也不够齐全；用现场仪表还只能组成一般的控制回路如单回路、串级、比例控制等，对于复杂、先进的控制算法还无法在仪表中实现。由于这些原因，FCS取代DCS将是一个逐渐的过程，在这一过程中控制系统的设计与选用应全面考虑。 5现场总线在应用中应考虑的问题 我国不是现场总线的提出者，在现场总线技术方面是落后的，没什么优势。但我国是控制项目较多的国家，有资料显示每年新投入的DCS系统有数百套，PLC有上万套，这些项目都可以采用FCS。然而,FCS还在发展，而DCS正在不断改进且向FCS靠拢,不可能马上全部替代DCS，而是今后10年左右时间二者并存。因此，今后在控制系统设计中应该考虑下面两个问题： 5.1问题1：选用FCS还是DCS 在目前FCS和DCS并存期间,当设计一个控制项目时，首先要论证采用何种类型的控制系统，即选用FCS还是选用DCS。这个问题有几种情况，分别叙述如下： （1）如果控制对象是单个设备，其测试点、控制点相对集中且又不太多，这样的设备目前就不一定选用FCS系统。因为： ①用户对原有的DCS系统比较熟悉，且DCS具有较好的运行特性； ②不少资料报导FCS比DCS投资低等，实际上目前并非如此，对于这种单个设备测试点、控制点相对集中的系统，FCS的投资要比DCS的投资多得多。主要是目前的智能仪表和智能控制器价格昂贵，而传统的检测仪表及控制器等便宜的多； ③目前DCS的软件资源要比FCS的软件资源丰富得多，如FF仅定义了近30种功能模块,而DCS有上百种功能模块,因此编程方便的多； ④对这种测试点、控制点相对集中且又不太多的系统，若选用现场总线控制系统发挥不出他的分散控制的优越性。 （2）如果是原DCS系统改造项目，除考虑上述4点理由外，还要考虑用户已对原DCS系统投入了大量的资金，若选用FCS系统取代原DCS系统，这要造成极大的浪费，如原来的布线、检测仪表、控制器，还有机房中的控制柜等全部报废，这是不值得的。因为DCS系统也正朝着开放系统的方向发展。因此这种情况下,尽管用户对FCS控制系统很感兴趣，但他们并不希望对现有的DCS系统做大的改动，大多数用户希望进行逐步的增添和替换。因此现阶段如何使FCS控制系统与传统的DCS控制系统尽可能地混合集成是很好的方案,例如可在DCS中以FCS取代DCS中的某些子系统;在DCS的软件系统中可增添相应的通信与管理软件等，这样不需要对原有控制系统做结构上的重大变动。 （3）如果是一个新的控制项目，其设备又是分散的，应考虑用FCS控制系统。如前所述传统的DCS控制系统的控制站是集中的，不