作者注：本文参考甚至摘录了许多同仁的文章，不一一列出，在此谢过。 所有观点，欢迎大家讨论。希望共同探讨，共同提高。 DCS 和FCS的发展 一． 自动控制系统（用于过程控制）的发展历史 50年前，过程控制是基于3～15psi的气动信号标准的基地式气动控制仪表系统（PCS，Pneumatic Control System），即第一代过程控制体系结构；基于模拟电流信号标准0～10mA(4～20 mA)的电动单元组合式模拟仪表控制系统（ACS，Analogous Control System），即为第二代过程控制体系结构；20世纪70年代，由于使用了数字计算机，从而产生了集中式数字控制系统（CCS，Computer Control System），即第三代过程控制体系结构；20世纪80年代，微处理机的出现和应用，从而产生了分布式控制系统（DCS，Distributed Control System），即第四代过程控制体系结构；20世纪90年代，现场总线技术的出现产生了新的一代过程控制体系结构，即现场总线控制系统 (FCS, Fieldbus Control System)。 二． 集散控制系统（DCS）的优点和缺点 从上个世纪八十年代开始，集散控制系统（DCS，也有翻译为分散控制系统、分布式控制系统）在过程控制领域占据了主导地位。DCS系统的核心思想是集中管理、分散控制、风险分散，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，若干台下位机下放分散到现场实现分布式控制，各上下位机之间用控制网络互连以实现相互之间的信息传递。因此，这种分布式的控制系统体系结构有力地克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。 DCS经历了初创（1975~1980年）、完善（1980~1985年）、成熟（1985~1995年）、扩展（1995年以后）几个发展时期，在控制功能完善、信息处理能力、速度及组态软件等方面取得令人瞩目的成就，已经成为计算机控制系统的主流，目前已发展到第四代产品。当今几乎每个发达国家都有自己品牌的DCS，生产厂家100多家，已销售几万台（套）。目前代表性的厂家有ABB、ABB Bailey、Siemens、Westinghouse、Honeywell、Foxboro 等等。 但是，由于历史和技术的原因，DCS系统也存在一些缺点，主要有以下几点： （1） 系统开放性不够 从DCS系统刚刚被开发出来投入商业应用，不同的DCS生产厂家为达到垄断经营的目的，在开发DCS控制通讯网络时采用各自专用的封闭形式，不同厂家的DCS系统之间、以及DCS与上层Intranet、Internet信息网络之间难以实现直接方便的网络互连和信息共享。因此从该角度而言，集散控制系统是一种封闭专用的、不具可互操作性的控制系统。 （2） I/O信号传输方式为非数字式 DCS系统采用常规仪表，传输4～20mA模拟信号，然后再通过I/O模块进行数字转换。4～20mA模拟直流回路只能在一根两芯电缆中单向传输一个参数。所以，4～20mA这种信号标准已成为当前控制系统发展的主要瓶颈。为解决这一问题，在现场设备和控制系统之间，需要一种全数字化的、双向、多变量的通信规程，来代替正在流行着的4～20mA单变量、单向模拟传输方式。 （3） 控制功能分散程度不够 DCS系统相对CCS系统而言，控制运算功能的实现已经由上位机转移到了下位的多个控制器（下位机）上，上位机专用于集中监视管理功能，使管理与控制相分离。但对于每一个控制器而言，仍然是一个小的集中控制系统。 三． 现场总线控制系统（FCS）的提出及优点 每一种新技术的提出，总是针对现有技术的缺点的。由于DCS系统的以上几个主要缺点，20世纪90年代初FCS系统的概念被提出。这里为什么要说“概念被提出”呢？下面再详细说明，先说说FCS理论上的优点： （1） 开放性和可互操作性 理论上，所有的FCS系统都应采用同一种通信协议和网络结构，因此可以根据需要自由选择不同厂家的组件来搭建需要的FCS系统。开放性意味FCS将打破DCS大型厂家的垄断，给中小企业发展带来了平等竞争的机遇。可互操作性实现控制产品的“即插即用”功能，从而使用户对不同厂家工控产品有更多的选择余地。 （2） 采用全数字式的信号传输方式 a. 可以传送多个过程变量。可以在传输过程变量的同时，将仪表的标识符和简单的诊断信息也一并传送。这样，有利于带有多变量的数字仪表（如温度、压力、pH值的数字仪表）的开发和应用。减少了系统的维护量，提高了系统的可靠性。 b. 提高了检测精度。现场总线的数字信号比4～20mA模拟信号的精度提高10倍。因此，可以排除在A/D转换中所产生的误差。 c. 减少了I/O装置。若平均每2～3个仪表接到一根单独的电缆上，则可以减少一半到2/3的I/O卡、I/O柜或I/O文件等。 d. 可能的低成本。相对DCS而言，FCS开放的体系结构理论上将大大缩短系统开发周期，降低开发成本，且彻底分散的分布式结构将1对1模拟信号传输方式变为1对N的数字信号传输方式，节省了模拟信号传输过程中大量的A/D、D/A转换装置、布线安装成本和维护费用，因此理论上仪表系统的电缆配线、安装、操作和维修等方面的费用可以得到节约。 e. 如果有统一的、国际性的现场总线标准，可与不同厂家生产的仪表兼容。 （3） 彻底的功能分散性 理论上，FCS系统彻底的分散性意味着系统具有较高的灵活性，系统很容易进行重组和扩建，且易于维护。同时，以微处理器为基础的现场设备可以完成许多先进的功能，包括部分控制功能。这样，就可以将原来的集中的多回路或单回路控制器所完成的功能转移到现场来完成，在现场内实现一般的控制。 四． 现场总线控制系统（FCS）目前存在的问题 如此看来，FCS相对于DCS有这么多的好处，是否就可以从此取代DCS了呢？前文我为什么用了这么多“理论上”？现在我们就来谈谈FCS系统的现状和存在的问题。 （1） 开放性和可互操作性 从以上的讨论我们可以看出，FCS系统理论上的开放性是要求所有的FCS系统都采用同一种通信协议和网络结构来保证的。但现实的情况如何呢？ 20世纪90年代初，FCS的概念一经提出，各大厂家积极响应，都怕自己的产品落后于世界潮流而被淘汰，而同时又没有一个权威性的国际组织来保证大家采用同样的标准。结果，目前世界上已开发出有40多种现场总线，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、MODbus、Arcnet、P-Net、FIP、ISP等，其中最具影响力的有5种，分别是FF、Profitbus、HART、CAN和LonWorks。由于市场竞争激烈，国际性的标准化进程十分缓慢，1992年形成了两大集团组织：ISP和World FIP。 ISP（Interoperable System Project）成立于1992年9月，包括有100多家公司，其中著名公司有：Fisher、Rosemunt、日立、横河、E+H、SMAR、西门子、Modicon等，并于1994年推出了基于ISP技术的产品。ISP技术主要基于德国的Profibus标准。其目标是开发一个单一的开放的并可相互操作的标准现场总线。 World FIP（Factory Instrumentation Protocol）工厂仪表世界协议集团，它是基于法国工业标准FIP草案而建立的起来，于1993年3月成立。成员包括Honeywell、AllenBrndly、Elsay Bailey等120多个公司。其目标同样是为建立一种开放性的、相互兼容的现场总线。 鉴于目前现场总线的国际标准在短期内还难于统一，而正在大量使用着的4～20mA模拟现场设备也不可能在短时间内改造为适合于现场总线的现场设备，所以，美国的Rosemount公司又提出了一套过渡性的临时标准，即HART协议（Highway Addressable Remote Transducer Protocol）可寻址远程传感器高速公司）。这是一个灵巧的通讯协议（Smart Communication Protocol）。它具有与现场总线类似的体系结构及总线式数字通讯功能。由于HART协议是在模拟信号上叠加了FSK（频移键控）数字信号，因而，模拟和数字通讯可以同时进行。这就保证了4～20mA模拟系统与数字通讯系统可以兼容，可以在一根双绞线上连接多台现场设备，以构成多站网络。但是，HART标准的数据传输速率较低（1200bps），而且只有“问答”和“广播”两种工作模式。目前，已有70余家公司支持并使用了HART协议，并于1993年成立了专门机构HCF（HART Communication Foundation）来发展HART协议。HART协议目前已被认为是事实上的工业标准，但是，它仅仅是一个过渡性协议，还不是现场总线。 因此，由于历史和利益的原因，目前FCS系统理论上的开放性还无法完全实现。现阶段，如在实际工程中冒然选用某种FCS系统，如果将来该系统没有成为国际标准，就得面对被淘汰的尴尬局面。 （2） 采用全数字式的信号传输方式 FCS系统采用采用全数字式的信号传输方式，这就意味必须采用数字式仪表而不是DCS系统采用的常规仪表。由于前述总线标准不统一的原因，各个生产厂商也无所适从，无法投入大量人力物力开发，造成目前市场上已有的数字式仪表的成本和价格很高，维护和备品备件也无法完全保证。因此，如工程选用现有的FCS系统，虽然节省了仪表系统的电缆配线、安装、操作和维修等方面的费用，却增加了