FCS與DCS混合式集成控制系統研究
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控制系統由五十多年前的PCS( PneumatiCControl System)的第一代控制系統，經(jīng)歷了ACS(AnalogouSControl System)、CCS(ComputerControl System)和DCS(Distributed Control System)，而發(fā)展成今天的第五代控制系統―――現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統FCS(FieldbuSControl System)。
集散控制系統DCS由操作站、控制站(監視站)、應用模件與歷史模件、通訊網(wǎng)絡(luò )和工程師站等組成。DCS除采用高可靠性的軟硬件以及通信網(wǎng)絡(luò )、控制站等冗余措施外，還使用故障檢測與診斷工程軟件，可對生產(chǎn)工況進(jìn)行監測，從而及早發(fā)現故障，及時(shí)采取措施，提高了生產(chǎn)的安全性。
上世紀80年代后期，在DCS的基礎上開(kāi)始開(kāi)發(fā)一種適用于工業(yè)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò )結構和網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，并實(shí)現傳感器、控制器層的通信，這就是現場(chǎng)總線(xiàn)。但研究工作進(jìn)展緩慢，而且無(wú)國際標準可遵守。國際電工委員會(huì )( IEC)于2000年1月正式公布了IEC61158現場(chǎng)總線(xiàn)全部技術(shù)標準。但此標準中容納了8種互不兼容的通信協(xié)議。由于是妥協(xié)于各方面的既有利益，并沒(méi)有實(shí)現完全統一國際標準的初衷。
CAN(ControllerArea Network)總線(xiàn)是現場(chǎng)總線(xiàn)的一種，它一般采用典型的串行總線(xiàn)拓撲結構進(jìn)行通訊，這種方式的位速率低于環(huán)形結構，但是結構簡(jiǎn)單、成本低、而且通信可靠。CAN總線(xiàn)因傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低，保證了通信的實(shí)時(shí)性。CAN能對錯誤的來(lái)源進(jìn)行正確定位，將永久的硬件錯誤從軟件錯誤中獨立出來(lái)，其協(xié)議采用CRC檢驗，并提供相應的錯誤處理功能，同時(shí)保證了數據通信的可靠性。
混合式控制系統的提出
現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統FCS應該與集散控制系統DCS相互兼容。首先從工程成本與效益看，現場(chǎng)總線(xiàn)的優(yōu)勢是良好的互操作性，結構簡(jiǎn)單，布線(xiàn)費用低；控制功能分散，靈活可靠，以及現場(chǎng)信息豐富。然而這些優(yōu)勢是建立在FCS系統初裝的前提下，倘若企業(yè)建立有完善的DCS，要向FCS過(guò)渡，則必須仔細考慮現有投資對已有投資的回報率。充分利用已有的DCS設施，現有DCS的布線(xiàn)以及成熟的DCS控制管理方式來(lái)實(shí)現FCS是首選之途。雖然現場(chǎng)總線(xiàn)對已有的數字現場(chǎng)協(xié)議有優(yōu)勢可言，但向其過(guò)渡的代價(jià)與風(fēng)險比較大。再者，從技術(shù)的繼承及控制手段上，也要求FCS與DCS應相互兼容。FCS實(shí)現控制功能下移至現場(chǎng)層，使DCS的多層網(wǎng)絡(luò )被扁平化，各個(gè)現場(chǎng)設備節點(diǎn)的獨立功能得以加強，因此，在FCS中有必要增加和完善現場(chǎng)子層設備間的數據通訊功能。
FCS和DCS的集成主要包括三個(gè)方面：
(1)FCS和DCS輸入輸出總線(xiàn)的集成
DCS的控制站主要由控制單元(Control Unit，CU)和輸入輸出單元( Input Output Unit，IOU)組成，這兩個(gè)單元之間通過(guò)I/O總線(xiàn)連接。在I/O總線(xiàn)上掛接現場(chǎng)總線(xiàn)接口板或現場(chǎng)總線(xiàn)接口單元(Field bus Interface Unit，FIU)，如圖1所示?，F場(chǎng)儀表或現場(chǎng)設備通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)與HU 通信，FIU 再通過(guò)I/O總線(xiàn)與DCS的控制單元通信。這樣便實(shí)現了現場(chǎng)總線(xiàn)和DCS輸入輸出總線(xiàn)的集成，即現場(chǎng)總線(xiàn)和DCS控制站的集成。
現場(chǎng)總線(xiàn)和DCS輸入輸出總線(xiàn)的集成具有以下3個(gè)特點(diǎn)：
①除了安裝現場(chǎng)總線(xiàn)接口板或現場(chǎng)總線(xiàn)接口單元外，不用對DCS再做其它變更；
②充分利用DCS控制站的運算和控制功能塊，因為初期開(kāi)發(fā)的現場(chǎng)總線(xiàn)儀表中的功能塊數量和種類(lèi)有限；
③利用已有DCS的技術(shù)和資源，投資少，見(jiàn)效快，便于推廣現場(chǎng)總線(xiàn)的應用。
(2)FCS和DCS網(wǎng)絡(luò )的集成
在DCS控制站的I/O總線(xiàn)上集成現場(chǎng)總線(xiàn)是一種最基本的初級集成技術(shù)，還可以在DCS的更高一層集成，即在DCS網(wǎng)絡(luò )(DCSnet)上集成現場(chǎng)總線(xiàn)，如圖2所示?，F場(chǎng)總線(xiàn)服務(wù)器(FieldbuSServer，FS)掛接在DCS網(wǎng)絡(luò )上，FS是一臺完整的計算機，并安裝了現場(chǎng)總線(xiàn)接口卡和DCS網(wǎng)絡(luò )接口卡。
現場(chǎng)設備或現場(chǎng)儀表通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)與其接口卡通信，現場(chǎng)儀表中的輸入、輸出、控制和運算等功能塊可以在現場(chǎng)總線(xiàn)上獨立構成控制回路，而不必借用DCS控制站的功能?，F場(chǎng)總線(xiàn)服務(wù)器通過(guò)其DCS網(wǎng)絡(luò )接口卡與DCS網(wǎng)絡(luò )(DCSnet)通信，也可以把FCS看作DCS網(wǎng)絡(luò )上的一個(gè)節點(diǎn)或DCS的一臺設備。這樣FCS和DCS之間可以互相共享資源。FCS直接借用DCS的操作員站或工程師站。
FCS和DCS網(wǎng)絡(luò )的集成具有以下4個(gè)特點(diǎn)：①除了安裝現場(chǎng)總線(xiàn)服務(wù)器外，不用對DCS再做其它變更；② 在現場(chǎng)總線(xiàn)上可以獨立構成控制回路，實(shí)現徹底的分散控制；③現場(chǎng)總線(xiàn)服務(wù)器中一些高級功能塊，可以與現場(chǎng)儀表中的基本功能塊統一組態(tài)，構成復雜控制回路；④利用已有DCS的部分資源，投資少、見(jiàn)效快，便于推廣現場(chǎng)總線(xiàn)的應用。
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