現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)與DCS系統技術(shù)

工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )技術(shù)與計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)，并且它是在現代化對工業(yè)生產(chǎn)的要求下提出與發(fā)展起來(lái)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字儀表所取代，這種控制方式被稱(chēng)為直接數字控制（Direct Digital Control--DDC），提高了系統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(jìn)一步增多，簡(jiǎn)單的DDC系統已經(jīng)不能滿(mǎn)足當時(shí)的管理要求。于是，分層控制系統應運而生。之后由于計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的飛速發(fā)展，同時(shí)生產(chǎn)過(guò)程和控制系統也進(jìn)一步復雜化，計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)被應用到了控制系統的前置機之間和上位機的數據傳輸中。其中，前置機與上位機之間的數據傳輸更改為采用計算機網(wǎng)絡(luò )實(shí)現。同時(shí)，上位機與普通站點(diǎn)，它們完成的邏輯功能不同。此外，上位機增加了網(wǎng)絡(luò )的配置功能。這樣的控制系統稱(chēng)為集散控制系統，即Distributed Control System—DCS。20世紀80年代后期，人們對DCS進(jìn)行了改進(jìn)，在DCS的基礎上開(kāi)始開(kāi)發(fā)適用于工業(yè)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議和網(wǎng)絡(luò )結果，并且實(shí)現了傳感器、控制器層的通信，即為現場(chǎng)總線(xiàn)（Field-Bus）。

隨著(zhù)時(shí)間的推移，人們對工業(yè)控制系統的要求越來(lái)越高，使得國際上許多著(zhù)名的自動(dòng)化公司開(kāi)發(fā)出更為復雜的多層結構的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )。其中，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )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(guān)于現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)

1.1 現場(chǎng)總線(xiàn)的概念

根據國際電工委員會(huì )IEC61158標準的定義，現場(chǎng)總線(xiàn)是指應用在制造過(guò)程區域現場(chǎng)裝置和控制室內自動(dòng)控制裝置之間的包括數字式、多點(diǎn)、串行通信的數據總線(xiàn)，即工業(yè)數據總線(xiàn)。是開(kāi)放式、數字化、多點(diǎn)通信的底層通信網(wǎng)絡(luò )。以現場(chǎng)總線(xiàn)為技術(shù)核心的工業(yè)控制系統，稱(chēng)為現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統FCS（Fieldbus Control System），它是自20世紀80年代末發(fā)展起來(lái)的新型網(wǎng)絡(luò )集成式全分布控制系統。

其中，現場(chǎng)總線(xiàn)系統一般被稱(chēng)為第五代控制系統。第一代控制系統為50年代前的氣動(dòng)信號控制系統PCS，第二代為4~20mA等電動(dòng)模擬信號控制系統，第三代為數字計算機集中式控制系統，第四代為70年代中期以來(lái)的集散式分布控制系統DCS。

1.2 現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)

現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)將專(zhuān)用的微處理器置入了傳統的測量控制儀表，使其各自都具有了多多少少的數字計算和數字通信能力，成為能獨立承擔某些控制、通信任務(wù)的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。它們通過(guò)普通雙絞線(xiàn)、光纖、同軸電纜等多種途徑進(jìn)行信息傳輸，這樣就能夠形成以多個(gè)測量控制儀表、計算機等作為節點(diǎn)連接成的網(wǎng)絡(luò )系統。該網(wǎng)絡(luò )系統按照規范和公開(kāi)的通信協(xié)議，在位于生產(chǎn)現場(chǎng)的多個(gè)微機化自控設備之間，以及現場(chǎng)儀表與用作管理、監控的遠程計算機之間，實(shí)現數據傳輸與信息共享，進(jìn)一步構成了各種適應實(shí)際需要的自動(dòng)控制系統。

如圖一所示，為一簡(jiǎn)單的現場(chǎng)總線(xiàn)系統。

1.3 現場(chǎng)總線(xiàn)的分類(lèi)

典型的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)包括了基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)FF（Foudation Fieldbus），LonWork現場(chǎng)總線(xiàn)，Profibu現場(chǎng)總線(xiàn)，CAN現場(chǎng)總線(xiàn)以及HART現場(chǎng)總線(xiàn)。

1.4 現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的特點(diǎn)

現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)具有系統的開(kāi)放性，互可操作性與互用性，現場(chǎng)設備的智能化與功能自治性，系統結構的高度分散性以及對現場(chǎng)環(huán)境的適應性等。

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

除此之外，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)還具備以下優(yōu)點(diǎn)：節省硬件數量與投資，節省安裝費用，節省維護開(kāi)銷(xiāo)，用戶(hù)具有高度的系統集成主動(dòng)權以及提高了系統的準確性與可靠性。

2 關(guān)于DCS系統

2.1 DCS系統的概念

集散控制系統，英文為T(mén)otal Distributed Control System，即為DCS系統。它是20世紀70年代中期發(fā)展起來(lái)的分散型計算機控制系統，并且以微處理器為基礎，同時(shí)結合了控制技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和陰極射線(xiàn)管圖形顯示技術(shù)。該裝置是利用計算機技術(shù)對生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行集中監視、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。

如圖二所示，為DCS系統。

2.2 DCS系統的組成

迄今為止，全世界已經(jīng)開(kāi)發(fā)各種類(lèi)型的DCS系統千余種。雖然各具特色，但是它們在系統組成和控制功能等方面，都有共同的特點(diǎn)。集散控制系統基本上都由分散過(guò)程監控裝置、集中操作管理裝置和通信系統三大部分組成。其結構如圖三所示。

集散控制系統的基本結構圖

2.3 DCS系統的基本功能

DCS系統雖然形式多樣，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(shù)、

2.4 DCS系統的優(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(diǎn)為：控制功能完善、完善的人-機聯(lián)系和集中監控功能、系統擴展靈活、安全可靠性高、安裝調試簡(jiǎn)單以及具有良好的性能價(jià)格比。

3 現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)與DCS系統的聯(lián)系

3.1 現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展

現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展體現在兩個(gè)方面，一個(gè)是高速現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，另外一個(gè)是低速現場(chǎng)總線(xiàn)領(lǐng)域的繼續完善和發(fā)展。

就現在而言，現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品主要針對的是低速總線(xiàn)產(chǎn)品，用于運行速率較低的領(lǐng)域，對網(wǎng)絡(luò )的性能要求不高。而高速現場(chǎng)總線(xiàn)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(shí)現低速現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)間的連接，是充分實(shí)現系統的全分散控制結構所必須的。但是目前高速現場(chǎng)總線(xiàn)這一環(huán)節還相對薄弱。

總體來(lái)說(shuō)，自動(dòng)化系統與設備將向現場(chǎng)總線(xiàn)體系的結構改變，并且向著(zhù)趨于開(kāi)放統一的方向發(fā)展。同時(shí)，在單獨的現場(chǎng)總線(xiàn)體系下不可能只容納單一的標準，加上商業(yè)利益的驅使，各種現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)都在十分激烈的市場(chǎng)競爭環(huán)境中求得發(fā)展。所以有理由認為，在將來(lái)的不久，集中總線(xiàn)標準的設備通過(guò)路由網(wǎng)關(guān)互聯(lián)并且會(huì )實(shí)現信息共享的局面。

3.2 DCS系統的發(fā)展

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