集散控制系统DCS与现场总线控制系统FCS

集散控制系统DCS与现场总线控制系统FCS秦国防李井竹河南济源职业技术学院摘要：本文介绍了集散控制系统DCS的软硬件系统及发展，以及现场总路线控制系统FCS的结构、特点和几种流行总线。提出了DCS向FCS过渡的方式。关键词：DCS(集散控制系统)、FCS(现场总线控制系统)中图分类号：文献标识码：文章编号：工业生产过程是一个分散系统，因此生产过程控制（PCS）的方式最好是分散进行，而监视、操作和最佳化管理应以集中为好。集散控制系统DCS是集计算机技术、控制技术、网络通信技术和图形显示技术于一体的控制系统。一、DCS集散控制系统1、DCS软件系统及其发展方向组件对象模型（ComponentObjectModel---COM）是软件组件采用的一种常规结构。它根据面向对象编程（ObjectOrientedProgramming---OOP）的思想，将组件对象化，给出了面向对象软件组件（或简称为对象组件）的标准。其是在对象链接与嵌入（ObjectLinkingandEmbedding---OLE）2.0版中引入的。但它只是一种标准，而非一种实现，还需要用ActiveX实现。ActiveX是组件对象模型的一种物理实现方式，其将程序逻辑封装起来，并可以进程内、本地进程外、远程进程外三种形式之一在网络中运行，为其它应用程序（客户机应用程序）提供服务。利用VisualBasic5.0，VisualC++5.0或VisualJ++等OOP语言，可以很方便地创建ActiveXDLL（进程内服务器）和ActiveXEXE（本地或远程进程外服务器）。2、DCS的硬件系统及其发展方向主要有采用单片微处理器的嵌入式软硬件系统和采用DSP数字处理器的嵌入式软硬件系统。嵌入式软硬件系统采用一片单片机加外围芯片构成。主要有AD、DA、DI、DO芯片作为与外部设备交换的模拟量信号和开关量信号。并增加与外部的通讯接口电路、完成所谓的RS485物理接口并配合通讯协议在控制总线或现场总线上与主计算机或其他设备交换数据。DSP数字处理器是近来发展起来的新技术，它采用哈佛结构，程序区和存储器区完全分开，取指、运算可以完全分开，可以高速处理大量数据甚至轻而易举地完成模糊控制或自适应控制等，是未来嵌入式系统的发展方向。二、现场总线控制系统（FCS）FCS是一个分散控制系统，其采用现场通讯总线的方式进行数据交换，各控制单元直接安装在现场，通过一条通讯总线，将各个分散的控制单元连接为一体。它真正实现了集中监视、集中管理、分散采集、分散控制的功能。1、结构在一般的FCS系统中，遵循一定现场总线协议的现场仪表可以组成控制回路，使控制站的部分控制功能下移分散到各个现场仪表中。从而减轻了控制站负担，使得控制站可以专职于执行复杂的高层次的控制算法。对于简单的控制应用，可以把控制站取消，在控制站的位置代之以起连接现场总线作用的网桥和集线器，操作站直接与现场仪表相连，构成分布式控制系统。2、特点FCS系统具有高度的分散性。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。另外，有的FCS系统省略了DCS中控制站层，操作站直接与现场仪表相连，使FCS的可靠性得到提高。现场总线系统具有开放性。系统对相关标准具有一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。各不同厂家的设备之间可实现信息交换，通过现场总线可构筑自动化领域的开放互连系统.现场总线作为工厂网络底层的设备，对现场环境有较强地适应性。它支持双绞线、同轴电缆、光缆、无线和电力线等，具有较强的抗干扰能力。从结构上看，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。同时，FCS与DCS相比在性能上有所提高，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。现场总线控制系统使用统一的组态方式，安装、运行、维修简便；利用智能化现场仪表，使维修预报（Predictedmaintenance）成为可能；由于系统具有互操作性和互用性，用户可以自由选择不同品牌的设备达到最佳的系统集成，在设备出现故障时，可以自由选择替换的设备，保障用户的高度系统集成主动权。3、发展趋向传统的集散控制系统（DCS系统）具有集中监控、分散控制、操作方便的特点。但是，在实际应用中也存在一些不足之处，如控制不能做到彻底分散，危险仍然相对集中；由于系统的不开放性，不同厂家的产品不能互换、互联，限制了用户的选择范围。利用现场总线技术，开发FCS系统的目标是针对现存的DCS的某些不足，改进控制系统的结构，提高了其性能和通用性。FCS采用了现场总线技术，在开放性、控制分散等方面优于传统DCS。但是由于它是一种新技术，目前连标准本身都还没有制定统一，因此FCS与成熟的DCS相比，还存在一些欠缺。FCS取代DCS将是一个逐渐的过程。在这一过程中，会出现一些过渡型的系统结构，如在DCS中以FCS取代DCS中的某些子系统。三、当前流行的几类现场总线在楼宇自控领域，Lonworks和CAN网络具有一定的优势；在过程自动化领域，主要有过渡型的HART协议、FF现场总线协议以及PROFIBUS协议。考虑到统一的开放式现场总线协议标准制定的长期性和艰巨性，传统DCS的退出将是一个渐进过程。在一段时期内，会出现几种现场总线共存、同一生产现场有几种异构网络互连通讯的局面。但是，发展共同遵从的统一的标准规范，真正形成开放式互连系统，是大势所趋。1、基金会现场总线FF基金会现场总线分为H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为31.25Kbps，通信距离可达1.9km，可支持总线供电和本质安全防暴环境。H2的传输速率可为1Mbps和2.5Mbps两种，通信距离为750m和500m。物理传输介质可为双绞线、光缆和无线，其传输信号采用曼切斯特编码。基金会现场总线以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，在应用层上增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则。FF总线包括FF通信协议、ISO模型中的2～7层通信协议的通栈、用于描述设备特性及操作接口的DDL设备描述语言、设备描述字典，用于实现测量、控制、工程量转换的应用功能块，实现系统组态管理功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。2、CAN总线CAN总线最早是由德国Bosch公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准，并且广泛应用于离散控制领域。它采用物理层、数据链路层、应用层，提高了实时性。传输介质为双绞线，通信速率与总线长度有关。CAN总线采用短消息报文，每一帧有效字节数为8个；当节点出错时，可自动关闭，抗干扰能力强，可靠性高。3、LonWorks总线LonWorks技术是美国ECHELON公司开发，并与Motorola和东芝公司共同倡导的现场总线技术。它采用了OSI参考模型全部的七层协议结构。LonWorks技术的核心是具备通信和控制功能的Neuron芯片。Neuron芯片实现完整的LonWorks的LonTalk通信协议。其上集成有三个8位CPU。一个CPU完成OSI模型第一和第二层的功能，另一个CPU运行操作系统与用户代码，第三个CPU进行网络变量寻址、更新、路径选择、网络通信管理等。LonWorks应用范围主要包括楼宇自动化、工业控制等，在组建分布式监控网络方面有较优越的性能。另外还有PROFIBUS总线和HART总线等模式。四、DCS向FCS系统的过渡及其发展随着现场总线技术与智能仪表管控一体化（仪表调校、控制组态、诊断、报警、记录）的发展，在控制领域内引起了一场前所未有的革命。控制专家们预言：FCS将成为21世纪控制系统的主流。结合目前现有品牌DCS并有所扩展带FCS的模块以逐步向FCS系统过渡是控制系统发展的一个有效途径。作者简介：秦国防（1968），男，河南沁阳人，河南济源职业技术学院计算机系主任；李井竹（1972），女，河南济源人，济源职业技术学院教师。参考文献：1、张大波等.现场总线体系结构研究及通信栈的设计［J］.东北大学学报,1998,(2)2、成继勋.现场总线标准与展望［J］.计算机技术与自动化,1999,11（增刊）.3、王常力.现场总线与DCS的讨论与实践［J］.自动化博览,1999,(5).