現(xiàn)場總線技術與DCS系統(tǒng)技術

工業(yè)控制網(wǎng)絡技術與計算機技術、網(wǎng)絡技術和控制技術的發(fā)展息息相關，并且它是在現(xiàn)代化對工業(yè)生產(chǎn)的要求下提出與發(fā)展起來的。在20世紀60年代，模擬儀表被人們用微處理器和一些外圍電路構成的數(shù)字儀表所取代，這種控制方式被稱為直接數(shù)字控制（Direct Digital Control--DDC），提高了系統(tǒng)的控制精度和控制的靈活性。20世紀80年代中后期，控制回路進一步增多，簡單的DDC系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足當時的管理要求。于是，分層控制系統(tǒng)應運而生。之后由于計算機網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，同時生產(chǎn)過程和控制系統(tǒng)也進一步復雜化，計算機網(wǎng)絡技術被應用到了控制系統(tǒng)的前置機之間和上位機的數(shù)據(jù)傳輸中。其中，前置機與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸更改為采用計算機網(wǎng)絡實現(xiàn)。同時，上位機與普通站點，它們完成的邏輯功能不同。此外，上位機增加了網(wǎng)絡的配置功能。這樣的控制系統(tǒng)稱為集散控制系統(tǒng)，即Distributed Control System—DCS。20世紀80年代后期，人們對DCS進行了改進，在DCS的基礎上開始開發(fā)適用于工業(yè)環(huán)境的網(wǎng)絡協(xié)議和網(wǎng)絡結果，并且實現(xiàn)了傳感器、控制器層的通信，即為現(xiàn)場總線（Field-Bus）。

隨著時間的推移，人們對工業(yè)控制系統(tǒng)的要求越來越高，使得國際上許多著名的自動化公司開發(fā)出更為復雜的多層結構的工業(yè)控制網(wǎng)絡。其中，工業(yè)控制網(wǎng)絡是工業(yè)企業(yè)網(wǎng)的重要組成部分，也是工業(yè)企業(yè)網(wǎng)中不可或缺的一部分。

1 關于現(xiàn)場總線技術

1.1 現(xiàn)場總線的概念

根據(jù)國際電工委員會IEC61158標準的定義，現(xiàn)場總線是指應用在制造過程區(qū)域現(xiàn)場裝置和控制室內(nèi)自動控制裝置之間的包括數(shù)字式、多點、串行通信的數(shù)據(jù)總線，即工業(yè)數(shù)據(jù)總線。是開放式、數(shù)字化、多點通信的底層通信網(wǎng)絡。以現(xiàn)場總線為技術核心的工業(yè)控制系統(tǒng)，稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS（Fieldbus Control System），它是自20世紀80年代末發(fā)展起來的新型網(wǎng)絡集成式全分布控制系統(tǒng)。

其中，現(xiàn)場總線系統(tǒng)一般被稱為第五代控制系統(tǒng)。第一代控制系統(tǒng)為50年代前的氣動信號控制系統(tǒng)PCS，第二代為4~20mA等電動模擬信號控制系統(tǒng)，第三代為數(shù)字計算機集中式控制系統(tǒng)，第四代為70年代中期以來的集散式分布控制系統(tǒng)DCS。

1.2 現(xiàn)場總線技術

現(xiàn)場總線技術將專用的微處理器置入了傳統(tǒng)的測量控制儀表，使其各自都具有了多多少少的數(shù)字計算和數(shù)字通信能力，成為能獨立承擔某些控制、通信任務的網(wǎng)絡節(jié)點。它們通過普通雙絞線、光纖、同軸電纜等多種途徑進行信息傳輸，這樣就能夠形成以多個測量控制儀表、計算機等作為節(jié)點連接成的網(wǎng)絡系統(tǒng)。該網(wǎng)絡系統(tǒng)按照規(guī)范和公開的通信協(xié)議，在位于生產(chǎn)現(xiàn)場的多個微機化自控設備之間，以及現(xiàn)場儀表與用作管理、監(jiān)控的遠程計算機之間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息共享，進一步構成了各種適應實際需要的自動控制系統(tǒng)。

如圖一所示，為一簡單的現(xiàn)場總線系統(tǒng)。

1.3 現(xiàn)場總線的分類

典型的現(xiàn)場總線技術包括了基金會現(xiàn)場總線FF（Foudation Fieldbus），LonWork現(xiàn)場總線，Profibu現(xiàn)場總線，CAN現(xiàn)場總線以及HART現(xiàn)場總線。

1.4 現(xiàn)場總線技術的特點

現(xiàn)場總線技術具有系統(tǒng)的開放性，互可操作性與互用性，現(xiàn)場設備的智能化與功能自治性，系統(tǒng)結構的高度分散性以及對現(xiàn)場環(huán)境的適應性等。

其中開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議的公開，不同廠家的設備之間也可以互聯(lián)并互相交換信息。一個開放系統(tǒng)可以與任何遵守相同標準的其他設備、系統(tǒng)相連接。這樣用戶才可以按照自己的需要把來自不同供應廠商的產(chǎn)品自由組合。

除此之外，現(xiàn)場總線技術還具備以下優(yōu)點：節(jié)省硬件數(shù)量與投資，節(jié)省安裝費用，節(jié)省維護開銷，用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權以及提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性。

2 關于DCS系統(tǒng)

2.1 DCS系統(tǒng)的概念

集散控制系統(tǒng)，英文為Total Distributed Control System，即為DCS系統(tǒng)。它是20世紀70年代中期發(fā)展起來的分散型計算機控制系統(tǒng)，并且以微處理器為基礎，同時結合了控制技術、通信技術、計算機技術、網(wǎng)絡技術和陰極射線管圖形顯示技術。該裝置是利用計算機技術對生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制的一種全新的分布式計算機控制系統(tǒng)。

如圖二所示，為DCS系統(tǒng)。

2.2 DCS系統(tǒng)的組成

迄今為止，全世界已經(jīng)開發(fā)各種類型的DCS系統(tǒng)千余種。雖然各具特色，但是它們在系統(tǒng)組成和控制功能等方面，都有共同的特點。集散控制系統(tǒng)基本上都由分散過程監(jiān)控裝置、集中操作管理裝置和通信系統(tǒng)三大部分組成。其結構如圖三所示。

集散控制系統(tǒng)的基本結構圖

2.3 DCS系統(tǒng)的基本功能

DCS系統(tǒng)雖然形式多樣，但是其具備的功能基本上是一樣的，包括：輸入處理功能、輸出處理功能、控制功能、通信功能、人-機接口功能、自診斷功能以及冗余技術、

2.4 DCS系統(tǒng)的優(yōu)越性

運用分散控制和集中顯示、集中操作、集中管理這一基本思想構成的DCS，具有的特點為：控制功能完善、完善的人-機聯(lián)系和集中監(jiān)控功能、系統(tǒng)擴展靈活、安全可靠性高、安裝調(diào)試簡單以及具有良好的性能價格比。

3 現(xiàn)場總線技術與DCS系統(tǒng)的聯(lián)系

3.1 現(xiàn)場總線技術的發(fā)展

現(xiàn)場總線技術的發(fā)展體現(xiàn)在兩個方面，一個是高速現(xiàn)場總線技術的發(fā)展，另外一個是低速現(xiàn)場總線領域的繼續(xù)完善和發(fā)展。

就現(xiàn)在而言，現(xiàn)場總線產(chǎn)品主要針對的是低速總線產(chǎn)品，用于運行速率較低的領域，對網(wǎng)絡的性能要求不高。而高速現(xiàn)場總線主要應用于互聯(lián)控制網(wǎng)、連接控制計算機、處理速度快的設備以及實現(xiàn)低速現(xiàn)場總線網(wǎng)間的連接，是充分實現(xiàn)系統(tǒng)的全分散控制結構所必須的。但是目前高速現(xiàn)場總線這一環(huán)節(jié)還相對薄弱。

總體來說，自動化系統(tǒng)與設備將向現(xiàn)場總線體系的結構改變，并且向著趨于開放統(tǒng)一的方向發(fā)展。同時，在單獨的現(xiàn)場總線體系下不可能只容納單一的標準，加上商業(yè)利益的驅使，各種現(xiàn)場總線技術都在十分激烈的市場競爭環(huán)境中求得發(fā)展。所以有理由認為，在將來的不久，集中總線標準的設備通過路由網(wǎng)關互聯(lián)并且會實現(xiàn)信息共享的局面。

3.2 DCS系統(tǒng)的發(fā)展

成熟期集散控制系統(tǒng)的研制工作，一方面是硬件和軟件技術的不斷更新，另一方面是開發(fā)高一層次的信息管理系統(tǒng)，以適應企業(yè)發(fā)展的需要。從硬件結構上看，這一時期的DCS都在網(wǎng)絡節(jié)點上連接了系統(tǒng)管理模件，此外還增加了網(wǎng)間連接器。再之后，DCS把過程控制，監(jiān)督控制，管理調(diào)度更有機地結合了起來。其特點是綜合化、開放化和現(xiàn)場級的智能化。20世紀90年代以后，隨著通信技術、半導體集成技術等的快速發(fā)展，以及人們對控制和管理要求的不斷提高，出現(xiàn)了新一代的DCS系統(tǒng)。