现场总线与DCS系统.docx

题 目：现场总线技术与DCS系统Fieldbus technology and Total Distributed Control System摘要： 本文先从现场总线技术与DCS系统的概念入手，分析了现场总线技术和DCS系统的特点，再详细研究了两者的起源与发展，从中了解到了两者之间的内在联系，发现两者在将来的发展是一个统一的整体，DCS系统中必然用到现场总线技术，现场总线技术也将依附与DCS系统中。最后得出DCS系统向着现场总线控制系统方向发展的结论。关键字：现场总线，集散控制系统，通信系统，发展，网络结构Summary:This article start with the concept of fieldbus technology and Total Distributed Control System, analysis characteristics of them, and then, further detailed study of the origin and development of both of them, learned the intrinsic link between the two system,and find that in the future development,they are an overall. DCS is bound to use fieldbus technology, and fieldbus technology will be also attached with the DCS. Finally we can have a conclusion that the DCS toward the direction of the fieldbus control system.Keyword: Fieldbus Control System, Total Distributed Control System, Communication system, development, Network structure 0 引言工业控制网络技术与计算机技术、网络技术和控制技术的发展息息相关，并且它是在现代化对工业生产的要求下提出与发展起来的。在20世纪60年代，模拟仪表被人们用微处理器和一些外围电路构成的数字仪表所取代，这种控制方式被称为直接数字控制（Direct Digital Control-DDC），提高了系统的控制精度和控制的灵活性。20世纪80年代中后期，控制回路进一步增多，简单的DDC系统已经不能满足当时的管理要求。于是，分层控制系统应运而生。之后由于计算机网络技术的飞速发展，同时生产过程和控制系统也进一步复杂化，计算机网络技术被应用到了控制系统的前置机之间和上位机的数据传输中。其中，前置机与上位机之间的数据传输更改为采用计算机网络实现。同时，上位机与普通站点，它们完成的逻辑功能不同。此外，上位机增加了网络的配置功能。这样的控制系统称为集散控制系统，即Distributed Control SystemDCS。20世纪80年代后期，人们对DCS进行了改进，在DCS的基础上开始开发适用于工业环境的网络协议和网络结果，并且实现了传感器、控制器层的通信，即为现场总线（Field-Bus）。随着时间的推移，人们对工业控制系统的要求越来越高，使得国际上许多著名的自动化公司开发出更为复杂的多层结构的工业控制网络。其中，工业控制网络是工业企业网的重要组成部分，也是工业企业网中不可或缺的一部分。1 关于现场总线技术1.1 现场总线的概念根据国际电工委员会IEC61158标准的定义，现场总线是指应用在制造过程区域现场装置和控制室内自动控制装置之间的包括数字式、多点、串行通信的数据总线，即工业数据总线。是开放式、数字化、多点通信的底层通信网络。以现场总线为技术核心的工业控制系统，称为现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System），它是自20世纪80年代末发展起来的新型网络集成式全分布控制系统。其中，现场总线系统一般被称为第五代控制系统。第一代控制系统为50年代前的气动信号控制系统PCS，第二代为420mA等电动模拟信号控制系统，第三代为数字计算机集中式控制系统，第四代为70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS。1.2 现场总线技术现场总线技术将专用的微处理器置入了传统的测量控制仪表，使其各自都具有了多多少少的数字计算和数字通信能力，成为能独立承担某些控制、通信任务的网络节点。它们通过普通双绞线、光纤、同轴电缆等多种途径进行信息传输，这样就能够形成以多个测量控制仪表、计算机等作为节点连接成的网络系统。该网络系统按照规范和公开的通信协议，在位于生产现场的多个微机化自控设备之间，以及现场仪表与用作管理、监控的远程计算机之间，实现数据传输与信息共享，进一步构成了各种适应实际需要的自动控制系统。图一.现场总线系统如图一所示，为一简单的现场总线系统。1.3 现场总线的分类典型的现场总线技术包括了基金会现场总线FF（Foudation Fieldbus），LonWork现场总线，Profibu现场总线，CAN现场总线以及HART现场总线。1.4 现场总线技术的特点现场总线技术具有系统的开放性，互可操作性与互用性，现场设备的智能化与功能自治性，系统结构的高度分散性以及对现场环境的适应性等。其中开放系统是指通信协议的公开，不同厂家的设备之间也可以互联并互相交换信息。一个开放系统可以与任何遵守相同标准的其他设备、系统相连接。这样用户才可以按照自己的需要把来自不同供应厂商的产品自由组合。除此之外，现场总线技术还具备以下优点：节省硬件数量与投资，节省安装费用，节省维护开销，用户具有高度的系统集成主动权以及提高了系统的准确性与可靠性。2 关于DCS系统2.1 DCS系统的概念集散控制系统，英文为Total Distributed Control System，即为DCS系统。它是20世纪70年代中期发展起来的分散型计算机控制系统，并且以微处理器为基础，同时结合了控制技术、通信技术、计算机技术、网络技术和阴极射线管图形显示技术。该装置是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种全新的分布式计算机控制系统。如图二所示，为DCS系统。2.2 DCS系统的组成图三.集散控制系统的基本结构图二.DCS系统迄今为止，全世界已经开发各种类型的DCS系统千余种。虽然各具特色，但是它们在系统组成和控制功能等方面，都有共同的特点。集散控制系统基本上都由分散过程监控装置、集中操作管理装置和通信系统三大部分组成。其结构如图三所示。2.3 DCS系统的基本功能DCS系统虽然形式多样，但是其具备的功能基本上是一样的，包括：输入处理功能、输出处理功能、控制功能、通信功能、人-机接口功能、自诊断功能以及冗余技术、2.4 DCS系统的优越性运用分散控制和集中显示、集中操作、集中管理这一基本思想构成的DCS，具有的特点为：控制功能完善、完善的人-机联系和集中监控功能、系统扩展灵活、安全可靠性高、安装调试简单以及具有良好的性能价格比。3 现场总线技术与DCS系统的联系3.1 现场总线技术的发展现场总线技术的发展体现在两个方面，一个是高速现场总线技术的发展，另外一个是低速现场总线领域的继续完善和发展。就现在而言，现场总线产品主要针对的是低速总线产品，用于运行速率较低的领域，对网络的性能要求不高。而高速现场总线主要应用于互联控制网、连接控制计算机、处理速度快的设备以及实现低速现场总线网间的连接，是充分实现系统的全分散控制结构所必须的。但是目前高速现场总线这一环节还相对薄弱。总体来说，自动化系统与设备将向现场总线体系的结构改变，并且向着趋于开放统一的方向发展。同时，在单独的现场总线体系下不可能只容纳单一的标准，加上商业利益的驱使，各种现场总线技术都在十分激烈的市场竞争环境中求得发展。所以有理由认为，在将来的不久，集中总线标准的设备通过路由网关互联并且会实现信息共享的局面。3.2 DCS系统的发展成熟期集散控制系统的研制工作，一方面是硬件和软件技术的不断更新，另一方面是开发高一层次的信息管理系统，以适应企业发展的需要。从硬件结构上看，这一时期的DCS都在网络节点上连接了系统管理模件，此外还增加了网间连接器。再之后，DCS把过程控制，监督控制，管理调度更有机地结合了起来。其特点是综合化、开放化和现场级的智能化。20世纪90年代以后，随着通信技术、半导体集成技术等的快速发展，以及人们对控制和管理要求的不断提高，出现了新一代的DCS系统。3.3 现场总线技术的发展对DCS系统造成的影响3.3.1 现场总线系统与DCS系统的关系通过现场总线系统的网络结构可以发现，它可以由现场智能设备和人机接口构成两层的网络结构，同时把常规的PID在智能变送器中实现。但这种总线控制系统的局限性限制了现场总线控制系统的功能，使之不能实现复杂的协调控制功能，为了实现这个功能，其结构中需要包含控制站，即需要三层的网络结构。这样，三层网络结构的现场总线系统网络就与DCS相似了，但是其中控制站所承担的功能却与DCS有很大差别。在传统的DCS系统中，控制站可以用来实现包括控制回路的PID运算和控制回路之间的协调控制等功能。但在FCS中，底层的PID等基本控制功能却完全由现场设备来完成，控制站只完成控制回路之间信息的交流和控制协调功能。这样的话，就大大减轻了控制器的负荷率，分散了系统的风险性，加快了数据处理速度。总线系统不是一个独立的系统，在传统的DCS中，各个厂家都广泛地使用了总线控制技术，并且各家DCS厂商都有自己独立的I/O卡件及控制器等。这样导致系统的兼容性比较差。根据DCS系统网络结构的特点，现场总线与DCS系统的集成方式主要有三种，分别是：（1）现场总线于DCS系统中I/O总线的集成其中，DCS系统中的I/O总线也是一种现场总线，现场总线与I/O总线的集成是不同总线协议之间的相互连通。在DCS系统I/O总线上集成现场总线的关键是通过一个现场总线接口卡挂到DCS的I/O总线上，原有的DCS的I/O总线上相对应的数据信息室现场总线当中的数据信息的映射。这种集成方式主要用于DCS系统稳定运行，规模较小的场合。优点是结构简单，缺点是现场总线接口卡限制了集成的规模。（2）现场总线于DCS系统网络层的集成这种方式是通过接口卡，把现场总线挂到DCS系统的网络层中，可以通过DCS的操作站对现场总线中得控制信息和测量信息进行浏览和修改。这种方式的优点是原来在DCS控制器里的一些控制算法和计算功能可以下放到现场仪表中实现，并且在操作界面上得到相关参数和信息，不需要对控制站进行改动，对原系统影响比较小。（3）现场总线与DCS系统并行集成这种方式是一套通过网管与DCS系统实现信息互联的FCS系统，并且FCS系统和DCS系统是完全独立的。除此之外，如果要把FCS系统与DCS系统完美的结合起来，有两个问题需要解决，其分别是DCS厂家充分开放DCS系统各层的通信协议和统一现场总线的通信协议标准。3.3.2 现场总线技术的发展与DCS系统的发展传统DCS的分散控制是建立在分散的过程控制装置上的，过程控制装置与现场变送器以及执行器之间是通过模拟信号进行单向传输的，由于模拟量与数字量的转换与各种控制规模的运算都需要在过程控制装置内部完成，使得传输的信息量少，效率低，安装工作量大。随着现场仪表的智能化和数字化，现场总线设备的不断开发，使得DCS的控制功能下移到现场的变送器中成为可能，这样，就缩短了采样周期，提高了控制质量。相比DCS系统，现场总线传输的信号是双向的，而且传输信息量大，而且操作人员可直接在控制室对现场仪表进行标定、校验和故障诊断等。这样的话，就减少了DCS的安装空间，I/O接口以及附属设备。由于现场总线控制系统的众多优点，必将推动集散控制系统的深刻变革。新一代的DCS都包含了各种形式的现场总线接口，用来支持多种标准的现场总线仪表等；此外，新一代的DCS还改变了相对集中的控制站结构，换成了分散的导轨式或现场安装的I/O模块。由此，DCS将吸收FCS的长处，不断发展和壮大，实现真正的分散控制，向着现场总线控制系统的方向发展。4 总结FCS是由DCS发展而来，具有DCS的特点。目前，新型的FCS和DCS，都在吸收对方的优点以完善自己。新型的DCS有很强的顺序控制功能，并且通信是DCS系统的关键，由于DCS的任务是为系统所有部件之间提供通信网络，因此，数据公路的设计就决定了总体的灵活性和安全性。为了保证通信的完整，大部分DCS厂家都能提供冗余数据公路。为了保证安全性，使用了复杂的检错技术和通信规则。目前在DCS系统中一般使用同步和一部的通信手段。而FCS是自动化领域技术发展