淺談DCS集散控制系統產(chǎn)品開(kāi)發(fā)

　　1．集散控制系統DCS與現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統FCS的比較

　　1．1 概述FCS、DCS

　　FCS是在DCS的基礎上發(fā)展起來(lái)的，FCS順應了自動(dòng)控制系統的發(fā)展潮流，它必將替代DCS。這已是業(yè)內人士的基本共識。然而，任何新事物的發(fā)生，發(fā)展都是在對舊事物的揚棄中進(jìn)行的，FCS與DCS的關(guān)系必然也不例外。FCS代表潮流與發(fā)展方向，而DCS則代表傳統與成熟，也是獨具優(yōu)勢的事物。特別是現階段，FCS尚沒(méi)有統一的國際標準而呈群雄逐鹿之勢，DCS則以其成熟的發(fā)展，完備的功能及廣泛的應用而占居著(zhù)一個(gè)尚不可完全替代的地位。本人認為：現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統FCS應該與集散式控制系統DCS相互兼容。

　　無(wú)論是FCS或者是DCS，它們最終是為了滿(mǎn)足整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程而進(jìn)行的系統控制（PCS）。

　　首先以工程成本與效益看，現場(chǎng)總線(xiàn)的根本優(yōu)勢是良好的互操作性；結構簡(jiǎn)單，從而布線(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，倘諾企業(yè)建立有完善的DCS，現在要向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是我們應選之途。

　　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)險是必須分析清楚的。再者，從技術(shù)的繼承及控制手段上，也要求FCS與DCS應相兼容。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。

　　由于歷史的原因，DCS通常擁有大型控制柜用以協(xié)調各個(gè)設備，同時(shí)更強調層與層的數據傳輸?？梢?jiàn)，兩種控制在策略上各具優(yōu)勢。DCS適用于較慢的數據傳輸速率；FCS則更適用于較快的數據傳輸速率，以及更靈活的處理數據。然而，當數據量超過(guò)一定值過(guò)于偏大時(shí)，如果同層的設備過(guò)于獨立，則很容易導致數據網(wǎng)絡(luò )的堵塞。要解決這個(gè)問(wèn)題，擬設立一個(gè)適當的監控層用以協(xié)調相互通訊的設備，必然是有益的，DCS就能輕松地勝任這一工作?？梢?jiàn)，為使FCS的控制方式和手段完善化，是有必要借鑒DCS的一些控制思想的。

　　要把握新世紀工業(yè)過(guò)程控制的發(fā)展趨勢，無(wú)論在學(xué)術(shù)研究或是工程應用方面都有必要使FCS綜合與繼承DCS的成熟控制策略；與此同時(shí)，DCS的發(fā)展也應追尋FCS控制策略的新思想，使其具有新的生命力。DCS應能動(dòng)地將底層控制權交付給FCS系統，將較高層的系統協(xié)調管理功能發(fā)揚光大，完成對新時(shí)代，新形勢的工業(yè)控制系統的智能設備集成。

　　1．2現場(chǎng)總線(xiàn)傳輸特點(diǎn)

　　現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（FCS）是順應智能現場(chǎng)儀表而發(fā)展起來(lái)的。它的初衷是用數字通訊代替4－20mA模擬傳輸技術(shù)，但隨著(zhù)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)與智能儀表管控一體化（儀表調校、控制組態(tài)、診斷、報警、記錄）的發(fā)展，在控制領(lǐng)域內引起了一場(chǎng)前所未有的革命?？刂茖?zhuān)家們紛紛預言：FCS將成為21世紀控制系統的主流。

　　然而就在人們沸沸揚揚的對FCS進(jìn)行概念炒作的時(shí)候，卻沒(méi)有注意到它的發(fā)展在某些方面的不協(xié)調，其主要表現在迄今為止現場(chǎng)總線(xiàn)的通訊標準尚未統一，這使得各廠(chǎng)商的儀表設備難以在不同的FCS中兼容。此外，FCS的傳輸速率也不盡人意，以基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)（FF）正在制定的國際標準為例，它采用了ISO的參考模型中的3層（物理層、數據鏈路層和應用層）和極具特色的用戶(hù)層，其低速總線(xiàn)H1的傳輸速度為31.25kbps，高速總線(xiàn)H2的傳輸速度為1Mbps或2.5Mbps，就針對西門(mén)子推出的PROFIBUS總線(xiàn)而言：其市場(chǎng)站有率相對較大，但由于受通訊線(xiàn)路長(cháng)度的影響，在100M線(xiàn)路長(cháng)度下最高通訊速率為12Mbps，這在有些場(chǎng)合下仍無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制的要求。由于上述原因，使FCS在工業(yè)控制中的推廣應用受到了一定的限制。當人們冷靜下來(lái)對這些問(wèn)題進(jìn)行思考時(shí)，不禁想起了在商業(yè)網(wǎng)絡(luò )中廣泛應用的以太網(wǎng)。

　　以太網(wǎng)具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢，由于它支持幾乎所有流行的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，所以在商業(yè)系統中被廣泛采用。但是傳統以太網(wǎng)采用總線(xiàn)式拓樸結構和多路存取載波偵聽(tīng)碰撞檢測（CSMA/CD）通訊方式,在實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合下，重要數據的傳輸過(guò)程會(huì )產(chǎn)生傳輸延滯，這被稱(chēng)為以太網(wǎng)的“不確定性”。研究表明：商業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)應用中的傳輸延滯在2～30ms之間，這是影響以太網(wǎng)長(cháng)期無(wú)法進(jìn)入過(guò)程控制領(lǐng)域的重要原因之一。因此對以太網(wǎng)的研究具有工程實(shí)用價(jià)值，從而產(chǎn)生了一種新型以太網(wǎng)。

　　1．3工業(yè)以太網(wǎng)的研究現狀

　　近年來(lái)控制與通訊工程師們致力于新型工業(yè)以太網(wǎng)的研究工作，其中有代表性的是FF制定的快速以太網(wǎng)標準，其傳輸速度為100Mbps。綜觀(guān)工業(yè)以太網(wǎng)的研究現狀，出現了兩個(gè)值得注意的發(fā)展方向：以太網(wǎng)集線(xiàn)器和具有實(shí)時(shí)功能的以太網(wǎng)的協(xié)議。

　　a、以太網(wǎng)集線(xiàn)器

　　FF將以太網(wǎng)技術(shù)加入到H2協(xié)議中，并以它作為H2的底層協(xié)議，其網(wǎng)絡(luò )采用星型拓樸結構。

　　集線(xiàn)器（HUB）置于網(wǎng)絡(luò )中心并通過(guò)以太網(wǎng)I/O接口掛接現場(chǎng)設備，其中實(shí)時(shí)現場(chǎng)儀表和普通現場(chǎng)儀表（通過(guò)通道組）分別掛接在不同的以太網(wǎng)I/O接口上。以太網(wǎng)I/O接口高速(約100 kHz)掃描所有實(shí)時(shí)現場(chǎng)儀表和通道組，然后傳送數據包到上層控制器。

　　通常普通控制算法在現場(chǎng)控制器中進(jìn)行（可由上層控制器下載），而高級控制算法則在上層控制器中進(jìn)行，其控制輸出經(jīng)以太網(wǎng)集線(xiàn)器和以太網(wǎng)I/O接口傳輸到現場(chǎng)執行儀表。由于實(shí)時(shí)現場(chǎng)儀表掛接在專(zhuān)用的以太網(wǎng)入口地址，并用完全分離的線(xiàn)路傳輸數據，所以保證了實(shí)時(shí)數據不會(huì )產(chǎn)生傳輸延滯和線(xiàn)路阻塞。

　　集線(xiàn)器作為網(wǎng)絡(luò )的仲裁器，除了控制通信雙方的傳輸時(shí)間外，還對傳輸的數據包進(jìn)行優(yōu)先級設置，使每條信息都包含傳輸優(yōu)先級等實(shí)時(shí)參數。此外智能化的集線(xiàn)器還可以動(dòng)態(tài)檢測需要通訊的現場(chǎng)設備所在以太網(wǎng)I/O口，并為之提供數據緩沖區，這樣可大大縮短現場(chǎng)設備的響應時(shí)間和減少數據的重發(fā)次數。集線(xiàn)器與其它集線(xiàn)器相連可實(shí)現不同網(wǎng)絡(luò )之間的數據共享。

　　經(jīng)驗證這種采用以太網(wǎng)集線(xiàn)器技術(shù)的FCS可使實(shí)時(shí)數據的延遲時(shí)間控制在200納秒的范圍之內，這已足以滿(mǎn)足多數場(chǎng)合的實(shí)時(shí)控制要求。

　　b、在以太網(wǎng)的協(xié)議中加入實(shí)時(shí)功能

　　一些FCS的生產(chǎn)商（如ControlNet、Profibus、Modbus和Java等）在開(kāi)發(fā)自己的工業(yè)以太網(wǎng)FCS時(shí)，在工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議中加入實(shí)時(shí)功能，此項技術(shù)被稱(chēng)為“地道”，它其實(shí)僅僅是在設備中加入特殊的協(xié)議芯片，這里不做具體介紹。

　　c、工業(yè)以太網(wǎng)的研究課題

　　上述研究工作的進(jìn)展為以太網(wǎng)進(jìn)入FCS提供了可行性，但要使以太網(wǎng)能在FCS中發(fā)揮其強大的網(wǎng)絡(luò )優(yōu)勢，以滿(mǎn)足現代工業(yè)控制中日益增長(cháng)的數據傳輸和信息傳輸種類(lèi)（如語(yǔ)音、圖象和視頻等）的需要，還有待于研究工作取得更大的突破性進(jìn)展。目前的研究工作應集中解決以下兩個(gè)方面的問(wèn)題：

　　1．4盡快推出FCS國際標準

　　當今的FCS領(lǐng)域出現了世界各大廠(chǎng)商各自為戰的混亂局面。其中有影響的為Intel公司的Bitbus、德國的HART和Profibus、丹麥的P-NET、Honeyvell及AB的WorldFIP、Foxboro,ABB和橫河的ISP、FF的H1和H2和Echelon的Lonworks、菲利普的CAN等。這種混亂局面是由于各大廠(chǎng)商為了搶占市場(chǎng)急于推出自己的產(chǎn)品，而FCS的國際標準又遲遲不能出臺所造成的。標準的不統一使各廠(chǎng)家推出的FCS成為一個(gè)個(gè)“自動(dòng)化孤島”，不同系統和現場(chǎng)設備的兼容性都很差。FCS的用戶(hù)強烈呼吁盡快出臺FCS的國際標準，以期望實(shí)現FCS的“世界大同”。

　　1994年6月WorldFIP和ISP聯(lián)合成立了FF，它包括了世界上幾乎所有的著(zhù)名控制儀表廠(chǎng)商在內的100多個(gè)成員單位，致力于IEC的FCS國際標準化工作。但由于部分成員為了自身利益，力圖阻止FCS的國際標準出臺，形成了FF的FCS國際標準難以“一統天下”的令人擔憂(yōu)的局面。解決這一問(wèn)題的途徑是：一是要求FF在其國際標準中推出完善的用戶(hù)層和嚴格的互操作性的產(chǎn)品認證；二是提高用戶(hù)抵制非國際標準的FCS的自覺(jué)性。

　　工業(yè)以太網(wǎng)向FCS現場(chǎng)級的延伸。必須指出，工業(yè)以太網(wǎng)FCS中，其現場(chǎng)級總線(xiàn)的傳輸速度并不理想，這是因為工業(yè)以太網(wǎng)還只是在上層控制網(wǎng)絡(luò )中應用，而許多廠(chǎng)商出于安全考慮，在許多技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有解決之前，現場(chǎng)級尚未使用工業(yè)以太網(wǎng)，所以FCS總體的傳輸速度沒(méi)有什么質(zhì)的飛躍。為了實(shí)現以太網(wǎng)向現場(chǎng)級的延伸，除了改進(jìn)以太網(wǎng)的通訊協(xié)議之外，還需要解決網(wǎng)絡(luò )的本安、現場(chǎng)設備的冗余和通過(guò)以太網(wǎng)向現場(chǎng)儀表供電等技術(shù)問(wèn)題。

　　本人認為，在保留FCS特色的基礎上解決上述問(wèn)題才能使工業(yè)以太網(wǎng)具有生命力。工業(yè)以太網(wǎng)的介入為FCS的發(fā)展注入了新的活力，隨著(zhù)FCS國際標準的推出以及有關(guān)技術(shù)問(wèn)題的突破性進(jìn)展，一個(gè)代表21世紀潮流的工業(yè)以太網(wǎng)的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統時(shí)代就會(huì )到來(lái)。

　　2． PLC與DCS、 FCS比較

　　PLC是由早期繼電器邏輯控制系統與微機計算機技術(shù)相結合而發(fā)展起來(lái)的，它是以微處理器為主的一種工業(yè)控制儀表，它融計算機技術(shù)、控制技術(shù)和通信技術(shù)于一體，集順序控制、過(guò)程控制和數據處理于一身，可靠性高、功能強大、控制靈活、操作維護簡(jiǎn)單。近幾年來(lái)，可編程序控制器及組成系統在我國冶金、電廠(chǎng)、輕工石化、礦業(yè)、水處理等行業(yè)更是到了廣泛的應用，并取得了一定的經(jīng)濟效益。

　　由于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程是一個(gè)分散系統。用戶(hù)往往關(guān)心的不只是一個(gè)控制系統（例如DEH），因為它只是整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的一部分。他需要了解、控制整個(gè)控制系統。例如，電廠(chǎng)生產(chǎn)原料是煤、水，而制成品是電。因此生產(chǎn)過(guò)程控制（PCS）的方式最好是分散進(jìn)行，而監視、操作和最佳化管理應以集中為好。隨著(zhù)工業(yè)生產(chǎn)規模不斷擴大，控制管理的要求不斷提高，過(guò)程參數日益增多，控制回路越加復雜，在70年代中期產(chǎn)生了集散控制系統DCS，他一經(jīng)出現就受到工業(yè)控制界的青睞。DCS是集計算機技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)和圖形顯示技術(shù)于一體的系統。與常規的集中式控制系統相比有如下特點(diǎn)：

　　1． 實(shí)現了分散控制。它使得系統控制危險性分散、可靠性高、投資減小、維護方便。

　　2． 實(shí)現集中監視、操作和管理。使得管理與現場(chǎng)分離，管理更能綜合化和系統化，

　　3． 采用網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)，這是DCS的關(guān)鍵技術(shù)，它使得控制與管理都具實(shí)時(shí)性，并解決系統的擴充與升級問(wèn)題。

　　目前，由于PLC把專(zhuān)用的數據高速公路（HIG HWAY）改成通用的網(wǎng)絡(luò )，并逐步將PLC之間的通信規約靠攏使得PLC 有條件和其它各種計算機系統和設備實(shí)現集成，以組成大型的控制系統，這使得PLC 系統具備了DCS的形態(tài)，這樣，基于PLC的DCS系統目前在國內外都得到了廣泛的應用。應該說(shuō)，PLC就其現狀和發(fā)展趨勢，更接近PCS系統所要求的FCS控制系統。

　　不過(guò)，由于受傳統設計理驗的影響，完全由PLC系統來(lái)構成傳統的DCS系統還較難于讓國內保守的設計院大量采用，雖然國外已經(jīng)有大量的基于PLC構成的DCS系統正在正常的運行。

　　3．我們采用什么樣的系統？

　　我們如果有志于在工業(yè)自動(dòng)化控制系統中施展才能就必須發(fā)展DCS或FCS系統。因為它是未來(lái)工控領(lǐng)域的主流發(fā)展方向。至于采用別人的DCS、FCS系統還是自己開(kāi)發(fā)DCS、FCS系統就要看看究竟我們具備什么樣的能力，在下面的看法中我將要詳細分析我們的主要特點(diǎn)和究竟在技術(shù)上需求什么！

　　如果說(shuō)今后選擇控制系統，我認為應該選擇代表成熟的集散式控制系統DCS并具備先進(jìn)的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統FCS，它們之間應該相互兼容。

　　3．1采用現有的DCS系統

　　這就是我在摘要中所提及的“維持現狀坐觀(guān)工控產(chǎn)業(yè)的日新月異的發(fā)展”。這種方式相對來(lái)講無(wú)需投入較大的人力、物力開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，只須完全選用別人的產(chǎn)品，被動(dòng)學(xué)習新的知識，而自動(dòng)控制開(kāi)發(fā)處則充當工程調試隊。這種方式就目前情況而言可以維持生存，但縱觀(guān)實(shí)例是不可能有大的發(fā)展。

　　3．2采用別人的硬件和軟件系統（OEM）自己構成DCS系統

　　這種方式我們也曾經(jīng)嘗試過(guò)，不過(guò)，我們僅僅是降低了部分生產(chǎn)成本。降低產(chǎn)品總成本的主動(dòng)權不屬于我們，而業(yè)績(jì)則屬于軟硬件開(kāi)發(fā)商。

　　3．3與別人合作，共同開(kāi)發(fā)新型DCS系統

　　這種方式我們也曾經(jīng)嘗試過(guò)，產(chǎn)品自主權不完全屬于我們。技術(shù)水平我們先不用評說(shuō)。但市場(chǎng)接納程度還不理想。一但合作方短時(shí)間沒(méi)有足夠的回報率他是不可能再投入人力、物力以完善系統、提高技術(shù)水平。因為他不可能在一棵樹(shù)上吊死，他還必須生存！這也是人之常情。

　　如果利用別人的成熟產(chǎn)品之品牌組成全方位合作模式，應該說(shuō)在世界范圍是有成功的例子。關(guān)鍵是應該認真分析、了解為什么市場(chǎng)接納不夠？怎樣才能滿(mǎn)足市場(chǎng)生存要求？

　　3．4完全自己開(kāi)發(fā)DCS系統

　　這種想法由來(lái)已久！如果DCS開(kāi)發(fā)成功，那不言而喻是一件好事！無(wú)論在電站自動(dòng)化或者是其他行業(yè)中，工程應用的種種努力都是在為自己而作。其產(chǎn)品成本完全掌握在自己手里。獲得更大的利潤不再是一句空話(huà)。不過(guò)，我們應該在動(dòng)手之前，充分了解自己究竟有沒(méi)有能力開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，又有沒(méi)有能力將其推向市場(chǎng)。這往往是我們考慮得較多的問(wèn)題，從而導致我們無(wú)法下定決心的關(guān)鍵所在。那就先讓我們分析一下究竟需要什么技術(shù)和人才吧！

　　前面講了DCS系統是集計算機技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)和圖形顯示技術(shù)于一體的系統。那就需要計算機、圖形顯示技術(shù)（軟硬件件開(kāi)發(fā)、系統維護），控制技術(shù)（系統工程師、硬件接口），網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)（網(wǎng)絡(luò )通訊技術(shù)及協(xié)議標準制定）。

　　a. 計算機、圖形顯示技術(shù)（軟硬件件開(kāi)發(fā)、系統維護）:

　　DCS系統的軟件技術(shù)包括如下方面：

　　用于控制組態(tài)的軟件和圖形監視軟件、各DI、DO、AI、AO及專(zhuān)用功能模件的嵌入式操作系統軟件及控制、管理軟件。

　　用于完成系統要求的硬件平臺，如工程師站計算機系統、操作員站計算機系統、DCS機柜內的通用、專(zhuān)用模件。所有軟件的運算、控制指令必須經(jīng)過(guò)與此相配的硬件系統執行。

　　b. 控制技術(shù)（系統工程師、硬件接口）

　　完成整個(gè)控制系統要求的專(zhuān)業(yè)化技術(shù)知識。應該熟悉控制對象的工藝過(guò)程、特性及要求。

　　c. 網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)（網(wǎng)絡(luò )通訊技術(shù)及協(xié)議標準制定）。

　　DCS具有一定的通訊手段，為了兼容今后的FCS系統，應具備多種現場(chǎng)通訊手段或通訊轉換卡件。需要熟悉多種通訊協(xié)議和接口（集線(xiàn)器、交換器、服務(wù)器及光纖通訊、光電轉換接口等）。

　　4．DCS軟件系統及其發(fā)展方向

　　隨著(zhù)計算機的普及發(fā)展，企業(yè)網(wǎng)（Intranet）和國際互聯(lián)網(wǎng)（Internet）的商業(yè)化，Microsoft Windows受歡迎的程度與日俱增，這大大增加了工業(yè)控制領(lǐng)域對Windows開(kāi)發(fā)的普遍要求。

　　當今的集散控制系統（DCS）環(huán)境下的控制系統軟件（或應用程序）與一般環(huán)境下的應用程序相比：一方面其功能已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化。比如，DCS網(wǎng)絡(luò )下的控制系統軟件能夠調用、執行DCS網(wǎng)絡(luò )中其它計算機上的一個(gè)程序，并與之交互，這是其它環(huán)境下的應用程序無(wú)法實(shí)現的；另一方面，DCS網(wǎng)絡(luò )系統將整個(gè)系統的任務(wù)分散進(jìn)行，然后集中監視、操作、管理，這些應用程序由于工作于網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下，因而分布極廣，已被配置在網(wǎng)絡(luò )中10臺、100臺、1000臺甚至更多臺的機器上運行，如果這些應用程序不夠健壯、沒(méi)有靈活的可伸縮性，將給日后的維護、升級、重新配置帶來(lái)極大的困難，至少要消耗大量人力、財力和物力。而這種維護、升級、重新配置隨著(zhù)市場(chǎng)的發(fā)展，用戶(hù)需求的擴大是不可避免的。

　　為了解決這一問(wèn)題，微軟在對Windows系統本身進(jìn)行改進(jìn)、升級的同時(shí)，對Windows應用程序的標準、結構等也進(jìn)行了重新定義，這就是：遵循組件對象模型（COM）/分布式組件對象模型（DCOM）標準、通過(guò)ActiveX實(shí)現的客戶(hù)機/服務(wù)器結構。

　　客戶(hù)機/服務(wù)器結構的主要思想是：根據COM/DCOM標準，將應用程序分割成若干個(gè)相互獨立的邏輯單元，每個(gè)邏輯單元為應用程序提供一定的服務(wù)（以后就會(huì )明白這些邏輯單元被稱(chēng)為ActiveX組件），通過(guò)ActiveX把這些邏輯單元有機地結合起來(lái)，使它們協(xié)同工作，完成特定的任務(wù)。應用程序是ActiveX組件對象的集合，這些ActiveX組件對象知道怎樣相互通信、相互調用，以實(shí)現應用程序要求的功能。

　　針對Intranet下控制系統的特殊情況，微軟給出了一個(gè)三層的服務(wù)系統模型：用戶(hù)邏輯（或用戶(hù)服務(wù)）、商業(yè)邏輯（或商業(yè)服務(wù)）和數據邏輯（或數據服務(wù)）。用戶(hù)服務(wù)提供用戶(hù)可交互的或顯示對數據進(jìn)行查詢(xún)、處理結果的屏幕界面等，由于Windows應用程序的屏幕界面已經(jīng)標準化，所以用戶(hù)服務(wù)相對來(lái)說(shuō)變化不會(huì )太大，將它作為一個(gè)獨立的邏輯單元，可被多個(gè)應用程序使用，從而實(shí)現了代碼的重用；商業(yè)服務(wù)提供用戶(hù)處理數據的各種規則，這些規則根據不同的用戶(hù)有所不同，即使同一用戶(hù)不同時(shí)期也可能不同。將它作為一個(gè)獨立的邏輯單元并統一放在網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器中，有利于應用程序的日后維護。如果以后這些規則需要改變，只須重新配置網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器中的商業(yè)服務(wù)，而不需要重新編譯客戶(hù)機的應用程序；數據服務(wù)為用戶(hù)提供各種數據，它是用戶(hù)的數據源。實(shí)際中，這些數據源可能是Oracle、SQL Server、FoxPro、Access以及其它集散控制系統中的數據庫（如：Fix系統）等等。

　　4.1 組件對象模型（COM）與分布式組件對象模型（DCOM）

　　多年來(lái)，軟件工程師們一直在嘗試編寫(xiě)可迅速嵌入各程序開(kāi)發(fā)項目的可重用代碼－－軟件組件（或簡(jiǎn)稱(chēng)為組件）。就像硬件工程師們先設計和制造出可用于各種電子設備的元件，然后利用它們組裝成設備一樣，控制系統軟件開(kāi)發(fā)者可以利用軟件組件去組裝自己的程序塊，且很放心地知道這些組件是無(wú)故障的。這些組件不使用全局變量，并且獨立于任何應用程序。組件對象模型（Component Object Model---COM）就是軟件組件采用的一種常規結構。它根據面向對象編程（Object Oriented Programming---OOP）的思想，將組件對象化，給出了面向對象軟件組件（或簡(jiǎn)稱(chēng)為對象組件）的標準。

　　COM首次是在對象鏈接與嵌入（Object Linking and Embedding---OLE）2.0版中引入的，它是一種標準，而非一種實(shí)現。COM解釋了組件之間該如何通信，但為了具體實(shí)現它，還需要用到另一個(gè)東西，即ActiveX。

　　在設計COM的過(guò)程中，微軟解決了下列問(wèn)題：

　?。?）交互操作能力。開(kāi)發(fā)者怎樣才能創(chuàng )建出獨立的組件，使其能與其它組件充分地協(xié)作，而不用考慮它們是由誰(shuí)創(chuàng )建的？

　?。?）版本控制。一旦某個(gè)組件正由其他組件或應用程序使用，怎樣才能改變或升級這個(gè)組件，而不影響正在使用它的組件或應用程序?

　?。?）與語(yǔ)言無(wú)關(guān)。怎樣才能確保用不同語(yǔ)言編寫(xiě)的組件能協(xié)同工作？

　?。?）透明的跨進(jìn)程交互操作。開(kāi)發(fā)者怎樣才能編寫(xiě)組件，使其能在進(jìn)程內或進(jìn)程外工作?

　　然而，OLE2中的COM只解決了同一網(wǎng)絡(luò )中對象之間的交互問(wèn)題，而沒(méi)有解決對象在不同網(wǎng)絡(luò )中的其它機器上生存或執行的問(wèn)題，對這一問(wèn)題的解決將打開(kāi)通向在Windows環(huán)境下的分布對象結構之路。為了適應這一需要，微軟開(kāi)發(fā)出了分布式組件對象模型。

　　分布式組件對象模型（Distributed Component Object Model---DCOM），即通常所說(shuō)的"網(wǎng)絡(luò )OLE"。DCOM是一種特殊的協(xié)議，允許應用程序在分布式計算環(huán)境（Distributed Calculating Environment---DCE）里進(jìn)行面向對象的遠程過(guò)程調用（Remote Procedure Call---RPC）。DCOM擴展了COM的性能，使得COM對象能夠通過(guò)相關(guān)網(wǎng)絡(luò )與遠程機中的另一個(gè)對象交互并使用此對象，這些網(wǎng)絡(luò )可以是局部網(wǎng)、企業(yè)的Intranet或現今的Internet。用戶(hù)可以在Windows NT4.0版中得到DCOM，它特別適用于開(kāi)發(fā)企業(yè)的信息管理系統、專(zhuān)用的Web等?；诰W(wǎng)絡(luò )方面的不安全性考慮，DCOM自身包含有較高的安全處理功能。

　　所有軟件組件都遵循COM或DCOM標準。

　　4.2 ActiveX

　　根據微軟的定義：支持組件對象模型（COM）的對象總稱(chēng)為"組件對象"。而現在流行的術(shù)語(yǔ)OLE－－即OLE2，支持COM，所以OLE對象也稱(chēng)為"組件對象"。一個(gè)組件對象不僅支持"對象鏈接與嵌入"，而且還可以遠程調用或運行其它機器或網(wǎng)絡(luò )中的組件對象等等，它的功能已遠遠超過(guò)了OLE字面所能表達的功能。為了適合未來(lái)更加復雜的應用，微軟決定重新命名它，將所有這些組件對象統稱(chēng)為ActiveX。

　　隨著(zhù)OOP逐漸成為公認的編程主流，面向對象軟件組件已成為事實(shí)上的標準。面向對象軟件組件統稱(chēng)為ActiveX組件。經(jīng)過(guò)一番擴展以后，ActiveX組件現在可提供對DCOM的支持。ActiveX是組件對象模型的一種物理實(shí)現方式，它為ActiveX組件的創(chuàng )建提供了基礎。

　　ActiveX組件將程序邏輯封裝起來(lái)，并可以進(jìn)程內、本地進(jìn)程外、遠程進(jìn)程外三種形式之一在網(wǎng)絡(luò )中運行，為其它應用程序（客戶(hù)機應用程序）提供服務(wù)。因此可以將ActiveX組件理解成"服務(wù)器"。它要么在"進(jìn)程內"工作，即代碼在與客戶(hù)機應用程序相同的進(jìn)程空間內執行（亦即一個(gè)DLL－－ActiveX DLL）；要么在"進(jìn)程外"工作，即代碼在同一機器的另一個(gè)進(jìn)程內運行，或在遠程電腦的另一個(gè)進(jìn)程內執行（亦即一個(gè)EXE文件－－ActiveX EXE）。利用Visual Basic 5.0，Visual C++5.0或Visual J++等OOP語(yǔ)言，可以很方便地創(chuàng )建ActiveX DLL（進(jìn)程內服務(wù)器）和ActiveX EXE（本地或遠程進(jìn)程外服務(wù)器）。

　　控制系統軟件開(kāi)發(fā)者可以將自己的應用程序邏輯編寫(xiě)成進(jìn)程內ActiveX DLL或本地進(jìn)程外ActiveX EXE或遠程進(jìn)程外ActiveX EXE，以向其他ActiveX組件或外部應用程序開(kāi)放它們的部分或全部對象。

　　建立和使用ActiveX EXE實(shí)例的客戶(hù)應用程序，可開(kāi)放它們的對象，并在進(jìn)程外使用它們。這意味著(zhù)，ActiveX EXE中的代碼運行在它自己的進(jìn)程中，并且是在它自己的空間中，這可把它與客戶(hù)應用程序的代碼空間分離開(kāi)來(lái)。

　　ActiveX DLL不能作為一個(gè)應用程序單獨運行，但可以為應用程序提供對象的動(dòng)態(tài)鏈接庫。由于DLL中的代碼與調用它的應用程序運行于同一進(jìn)程中，所以能使程序執行得更快、更高效。

　　控制系統軟件開(kāi)發(fā)者可以利用ActiveX組件組裝自己的應用程序。使用ActiveX組件的方法與在OOP中使用其它對象類(lèi)似：

　?。?）創(chuàng )建一個(gè)你欲使用的ActiveX組件對象的實(shí)例；

　?。?）利用該對象的方法、屬性和事件編寫(xiě)代碼；

　?。?）使用完畢釋放該對象；

　?。?）必要時(shí)進(jìn)行錯誤處理。

　　下面是Visual Basic 5.0中一個(gè)說(shuō)明怎樣在程序中利用ActiveX組件的VB程序片段。假設已建立了一個(gè)窗體，該窗體包含三個(gè)文本框（Text1、Text2和Text3）和一個(gè)命令按鈕（Command1），并且在進(jìn)程中增加了對微軟Excel 8.0對象庫的引用。當單擊命令按鈕（Command1）時(shí)，在Command1_Click事件過(guò)程中按照Microsoft Excel公式計算Text1與Text2的和，并將相加的結果顯示在Text3中。程序如下：

　　Private Sub Command1_Click()

　　'說(shuō)明對象變量

　　Dim xlApp As Excel. Application

　　Dim xlBook As Excel. Workbook

　　Dim xlSheet As Excel. Worksheet

　　'用Add方法創(chuàng )建對象的實(shí)例

　　Set xlApp = New Excel. Application

　　Set xlBook = xlApp. Workbooks.Add

　　Set xlSheet = xlBook. Worksheets.Add

　　'將文本框中的數據賦給Excel單元

　　xlSheet. Cells(1,1).Value = Text1. Text

　　xlSheet. Cells(2,1).Value = Text2. Text

　　'在Excel中，用Excel公式計算其和

　　xlSheet. Cells(3,1). Formula = " = R1C1 + R2C1"

　　'在Text3文本框中顯示結果

　　Text3. Text = xlSheet. Cells(3,1)

　　'保存工作表單

　　xlSheet. SaveAs" c:Test.xls"

　　'關(guān)閉Excel

　　xlApp. Quit

　　'釋放對象

　　Set xlApp = Nothing

　　Set xlBook = Nothing

　　Set xlSheet = Nothing

　　End Sub

　　為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，程序中沒(méi)有進(jìn)行錯誤檢查。用戶(hù)在編程時(shí)應養成檢查錯誤、處理錯誤的習慣。

　　由以上程序可以看出，其編程方法完全是OOP的方法。這并不奇怪，因為ActiveX組件本身就意味著(zhù)對象之間的共享，ActiveX組件是一種客戶(hù)機/服務(wù)器關(guān)系，在這種關(guān)系中客戶(hù)機請求對象，服務(wù)器提供對象。然而，具體一個(gè)ActiveX組件是客戶(hù)機還是服務(wù)器并沒(méi)有一個(gè)明顯的界限。前面我們說(shuō)可以把ActiveX組件理解成是一個(gè)服務(wù)器，因為它為用戶(hù)程序（客戶(hù)應用程序）提供服務(wù)；然而在其它場(chǎng)合，ActiveX組件本身往往還要向其它ActiveX組件請求服務(wù)，這時(shí)它又擔當客戶(hù)機的角色。

　　不管怎樣，利用ActiveX組件組裝成的應用程序，其結構必然是客戶(hù)機/服務(wù)器結構，客戶(hù)機/服務(wù)結構是網(wǎng)絡(luò )發(fā)展的必然結果。

　　4.3 客戶(hù)機/服務(wù)器結構

　　綜觀(guān)計算機網(wǎng)絡(luò )系統結構的發(fā)展，大致可分為三個(gè)階段：集中式結構、文件服務(wù)器結構以及客戶(hù)機/服務(wù)器結構。這三個(gè)階段代表了計算機網(wǎng)絡(luò )系統結構發(fā)展的里程和趨勢。

　　在六、七十年代，如果一家公司需要真正的計算能務(wù)（比如，天氣預報、地震預報數據處理等等）便會(huì )考慮使用大型機，大型機代表一種集中式系統結構。

　　在集中式結構中，只有兩種關(guān)鍵組件：服務(wù)器和客戶(hù)機終端?？蛻?hù)機與服務(wù)器之間傳輸的唯一數據是用戶(hù)的按鍵調度信息以及由服務(wù)器返回的終端字符。集中式結構伯優(yōu)點(diǎn)包括出色的安全性以及可實(shí)現集中管理，這是因為無(wú)論應用程序邏輯還是數據都駐留于同一臺機器－－服務(wù)器上；同時(shí)也意昧著(zhù)服務(wù)器的費用太高，因為它要完成網(wǎng)絡(luò )中所有的計算。由于應用程序邏輯和數據都駐留于服務(wù)器上，集中式結構沒(méi)有辦法真正劃分應用程序邏輯。

　　在本世紀80年代，PC機進(jìn)入了商業(yè)舞臺并逐漸走入千家萬(wàn)戶(hù)。不久，局域網(wǎng)問(wèn)世，同時(shí)引入了文件服務(wù)器的嶄新概念。

　　文件服務(wù)器結構以DOS局域網(wǎng)和Windows3.X為代表。它使得廉價(jià)的PC機聯(lián)成網(wǎng)絡(luò )，共享資源。這對于那些根本沒(méi)有實(shí)力實(shí)現大型機方案的公司來(lái)說(shuō)，PC機無(wú)疑是他們的救星。但是，在這種結構中，應用程序邏輯總是在客戶(hù)工作站上執行，使用的是客戶(hù)機的CPU，而不是像集中式結構那樣在服務(wù)器上執行。這意味著(zhù)，客戶(hù)機要有足夠的計算能力，以便執行需要的任何應用程序，或能完成任何必要的任務(wù)。這無(wú)形中增加了客戶(hù)機的負擔，從而抵消了PC機價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)。

　　為了折中考慮費用與性能問(wèn)題，引入了客戶(hù)機/服務(wù)器結構。在這種結構中，允許應用程序邏輯在用戶(hù)工作站、服務(wù)器(不再稱(chēng)為"文件服務(wù)器")或者兩者上運行。SQL Server、Oracle等是客戶(hù)機/服務(wù)器結構的代表。

　　在客戶(hù)機/服務(wù)器結構中，同時(shí)至少有兩個(gè)獨立的應用程序在運行：一個(gè)是客戶(hù)應用程序（簡(jiǎn)稱(chēng)為客戶(hù)）；另一個(gè)是服務(wù)器應用程序（簡(jiǎn)稱(chēng)為服務(wù)器）?？蛻?hù)提出請求，服務(wù)器響應請求并為其服務(wù)。為了完成一項特定的任務(wù)，客戶(hù)和服務(wù)器協(xié)同工作，以提高運行速度和效率。例如，在網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中，用戶(hù)在客戶(hù)端發(fā)出SQL命令查詢(xún)服務(wù)器上某數據庫中的數據，在文件服務(wù)器和客戶(hù)機/服務(wù)器這兩種結構中，該命令的執行情況是不一樣的。如果讀者不能區分它們之間的差別，就不可能充分利用客戶(hù)機/服務(wù)器結構為我們提供的強大功能。

　　事實(shí)上，在基于文件服務(wù)器的結構中，查詢(xún)是在客戶(hù)端賦值并執行的。這就意味著(zhù)，如果查詢(xún)涉及的表中有10000條記錄，那么查詢(xún)邏輯會(huì )請求服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò )將包含這10000條記錄的表全部傳送到自己這兒（客戶(hù)端），在客戶(hù)端進(jìn)行查詢(xún)處理。而在基于客戶(hù)機/服務(wù)器原結構里，SQL語(yǔ)句本身將通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳送并在服務(wù)器內執行，服務(wù)器使用自己的CPU處理完SQL語(yǔ)句后，只把處理結果（成功或失?。┩ㄟ^(guò)網(wǎng)絡(luò )反饋回客戶(hù)端。顯然，這大大減輕了網(wǎng)絡(luò )的負載，同時(shí)也縮短了執行時(shí)間。這是對基于文件服務(wù)器結構性能的一個(gè)重要改進(jìn)。

　　綜上所述，大型機和基于文件服務(wù)器的系統由于應用程序邏輯必須在大型機內運行（針對集中式結構）或必須在客戶(hù)機內執行（針對文件服務(wù)器結構），所以不能提供一個(gè)真正可伸縮的系統框架。而客戶(hù)機/服務(wù)器系統至少由兩部分組成：一臺發(fā)出請求的客戶(hù)機，一臺為請求服務(wù)的服務(wù)器。這兩個(gè)部分協(xié)同工作，應用程序邏輯則分布于客戶(hù)和服務(wù)器之間。這樣一來(lái)，就為開(kāi)發(fā)運行更快、更高效的應用程序提供了基礎。

　　Intranet和Internet為客戶(hù)機/服務(wù)器結構提供了極好的機遇。當今的Web技術(shù)就是一個(gè)典型的客戶(hù)機/服務(wù)器結構：瀏覽器是客戶(hù)機，Web站點(diǎn)是服務(wù)器。

　　4.4 軟件開(kāi)發(fā)建議

　　在DCS網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下運行的應用程序，應該是遵循COM/DCOM標準、通過(guò)ActiveX實(shí)現的客戶(hù)機/服務(wù)器結構的應用程序。因為這樣的應用程序是由ActiveX組件組裝而成的，與其它應用程序結構相比更加健壯、可伸縮性強且容易維護。

　　另外，應注意：由于微軟的重新命名，OLE文檔已成為ActiveX文檔；OLE控件已成為ActiveX控件；等等。從而OLE這一術(shù)語(yǔ)才真正像它早期縮寫(xiě)的含義那樣，代表"對象鏈接與嵌入"，而OLE中一些關(guān)鍵技術(shù)和組件則成為重新命名后的ActiveX技術(shù)和組件。

　　需要指出的是，究竟采用何種軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)并不十分重要。采用Visual Basic 5.0以上版本的軟件可以開(kāi)發(fā)出人機界面十分友好的組態(tài)軟件和監視軟件，這也被大量的專(zhuān)業(yè)化組態(tài)軟件公司優(yōu)先采用，畢竟它是幾乎所有軟件編制人員最易上手的工具。它本身具備良好的可視化界面（所見(jiàn)即所得）和良好的結構化風(fēng)格，允許多人協(xié)同工作。由于最大的軟件開(kāi)發(fā)工作量之一是編制界面，我們沒(méi)有必要選擇太專(zhuān)業(yè)化的開(kāi)發(fā)工具，因為熟悉和掌握是需要較長(cháng)時(shí)間。也有公司采用Visual Basic Visual C++5.0或Visual J++等語(yǔ)言，可以相互彌補各自的不足。近段時(shí)間，國內外有不少公司試著(zhù)采用Java甚至HTML語(yǔ)言編制動(dòng)態(tài)的組態(tài)軟件，將枯燥乏味的組態(tài)軟件工作當作是動(dòng)畫(huà)編輯，逐步得到人們的首肯。這對今后工業(yè)以太網(wǎng)控制系統的大量應用無(wú)疑將占盡先機，也逐步展現出迷人的前景。

　　5．DCS向FCS系統的過(guò)渡及其發(fā)展方向

　　前面我們介紹了，今后DCS系統的發(fā)展必將是以在DCS的基礎上發(fā)展起來(lái)的FCS替代現在的DCS，因為FCS順應了自動(dòng)控制系統的發(fā)展潮流。

　　為了今后的開(kāi)發(fā)工作不迷失方向，我們有必要了解FCS的主要構成、現狀和未來(lái)的發(fā)展方向，應該說(shuō)，今天我們討論的DCS應該是今后的FCS：

　　5．1七十年代以前，控制系統中采用模擬量對傳輸及控制信號進(jìn)行轉換、傳遞，其精度差、受干擾信號影響大，因而整個(gè)控制系統的控制效果及系統穩定性都很差。七十年代末，隨著(zhù)大規模集成電路的出現，微處理器技術(shù)得到很大發(fā)展。微處理器功能強、體積小、可靠性高、通過(guò)適當的接口電路用于控制系統，控制效果得到提高；但是盡管如此，還是屬于集中式控制系統。隨著(zhù)過(guò)程控制技術(shù)、自動(dòng)化儀表技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的成熟和發(fā)展，控制領(lǐng)域又發(fā)生了一次技術(shù)變革。這次變革使傳統的控制系統（如集散控制系統）無(wú)論在結構上還是在性能上都發(fā)生了巨大的飛躍，這次變革的基礎就是現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的產(chǎn)生。

　　5．2現場(chǎng)總線(xiàn)是連接現場(chǎng)智能設備和自動(dòng)化控制設備的雙向串行、數字式、多節點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò )，它也被稱(chēng)為現場(chǎng)底層設備控制網(wǎng)絡(luò )（INFRANET）。80年代以來(lái)，各種現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)開(kāi)始出現，人們要求對傳統的模擬儀表和控制系統變革的呼聲也越來(lái)越高，從而使現場(chǎng)總線(xiàn)成為一次世界性的技術(shù)變革浪潮。美國儀表協(xié)會(huì )(ISA)于1984年開(kāi)始制訂現場(chǎng)總線(xiàn)標準，在歐洲有德國的PROFIBUS和法國的FIP等，各種現場(chǎng)總線(xiàn)標準陸續形成。其中主要的有：基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)FF（Foundation Fieldbus）、控制局域網(wǎng)絡(luò )CAN（Controller Area Network）、局部操作網(wǎng)絡(luò )LonWorks（Local Operating Network）、過(guò)程現場(chǎng)總線(xiàn)PROFIBUS（Process Field Bus）和HART協(xié)議(Highway Addressable Remote Transducer)等。但是，總線(xiàn)標準的制定工作并非一帆風(fēng)順，由于行業(yè)與地域發(fā)展等歷史原因，加上各公司和企業(yè)集團受自身利益的驅使，致使現場(chǎng)總線(xiàn)的國際化標準工作進(jìn)展緩慢。但是不論如何，制定單一的開(kāi)放國際現場(chǎng)總線(xiàn)標準是發(fā)展的必然。

　　5．3　當前流行的幾類(lèi)現場(chǎng)總線(xiàn)

　　5．3．1　基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)FF

　　基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)FF是在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的一種技術(shù)。其前身是以美國Fisher－Rosemount公司為首，聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、西門(mén)子等80家公司制定的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首，聯(lián)合歐洲等地150家公司制定的World FIP協(xié)議。這兩大集團于1994年9月合并，成立了現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )，致力于開(kāi)發(fā)出國際上統一的現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議。

　　基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)分為H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為31.25Kbps，通信距離可達1.9km，可支持總線(xiàn)供電和本質(zhì)安全防暴環(huán)境。H2的傳輸速率可為1Mbps和2.5Mbps兩種，通信距離為750m和500m。物理傳輸介質(zhì)可為雙絞線(xiàn)、光纜和無(wú)線(xiàn)，其傳輸信號采用曼切斯特編碼?；饡?huì )現場(chǎng)總線(xiàn)以ISO/OSI開(kāi)放系統互連模型為基礎，取其物理層、數據鏈路層、應用層為FF通信模型的相應層次，并在應用層上增加了用戶(hù)層。用戶(hù)層主要針對自動(dòng)化測控應用的需要，定義了信息存取的統一規則，采用設備描述語(yǔ)言規定了通用的功能塊集。FF總線(xiàn)包括FF通信協(xié)議、ISO模型中的2～7層通信協(xié)議的通棧、用于描述設備特性及操作接口的DDL設備描述語(yǔ)言、設備描述字典，用于實(shí)現測量、控制、工程量轉換的應用功能塊，實(shí)現系統組態(tài)管理功能的系統軟件技術(shù)以及構筑集成自動(dòng)化系統、網(wǎng)絡(luò )系統的系統集成技術(shù)。

　　5．3．2　CAN總線(xiàn)

　　CAN總線(xiàn)最早是由德國B(niǎo)osch公司推出，用于汽車(chē)內部測量與執行部件之間的數據通信協(xié)議。其總線(xiàn)規范已被ISO國際標準組織制定為國際標準，并且廣泛應用于離散控制領(lǐng)域。它也是基于OSI模型，但進(jìn)行了優(yōu)化，采用了其中的物理層、數據鏈路層、應用層，提高了實(shí)時(shí)性。其節點(diǎn)有優(yōu)先級設定，支持點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)、廣播模式通信。各節點(diǎn)可隨時(shí)發(fā)送消息。傳輸介質(zhì)為雙絞線(xiàn)，通信速率與總線(xiàn)長(cháng)度有關(guān)。CAN總線(xiàn)采用短消息報文，每一幀有效字節數為8個(gè)；當節點(diǎn)出錯時(shí)，可自動(dòng)關(guān)閉，抗干擾能力強，可靠性高。

　　5．3．3　LonWorks總線(xiàn)

　　LonWorks技術(shù)是美國ECHELON公司開(kāi)發(fā)，并與Motorola和東芝公司共同倡導的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)。它采用了OSI參考模型全部的七層協(xié)議結構。LonWorks技術(shù)的核心是具備通信和控制功能的Neuron芯片。Neuron芯片實(shí)現完整的

　　LonWorks的LonTalk通信協(xié)議。其上集成有三個(gè)8位CPU。一個(gè)CPU完成OSI模型第一和第二層的功能，稱(chēng)為介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)處理器。一個(gè)CPU是應用處理器，運行操作系統與用戶(hù)代碼。還有一個(gè)CPU為網(wǎng)絡(luò )處理器，作為前兩者的中介，它進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )變量尋址、更新、路徑選擇、網(wǎng)絡(luò )通信管理等。由神經(jīng)芯片構成的節點(diǎn)之間可以進(jìn)行對等通信。LonWorks支持多種物理介質(zhì)并支持多種拓撲結構，組網(wǎng)方式靈活，其IS－78本安物理通道使得它可以應用于危險區域。LonWorks應用范圍主要包括樓宇自動(dòng)化、工業(yè)控制等，在組建分布式監控網(wǎng)絡(luò )方面有較優(yōu)越的性能。

　　5．3．4　PROFIBUS總線(xiàn)

　　PROFIBUS是符合德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50179的現場(chǎng)總線(xiàn)，包括 PROFIBUS－DP、PROFIBUS－FMS、PROFIBUS－PA三部分。它也只采用了OSI模型的物理層、數據鏈路層、應用層。PROFIBUS支持主從方式、純主方式、多主多從通信方式。主站對總線(xiàn)具有控制權，主站間通過(guò)傳遞令牌來(lái)傳遞對總線(xiàn)的控制權。取得控制權的主站，可向從站發(fā)送、獲取信息。PROFIBUS－DP用于分散外設間的高速數據傳輸，適合于加工自動(dòng)化領(lǐng)域。FMS型適用于紡織、樓宇自動(dòng)化、可編程控制器、低壓開(kāi)關(guān)等。而PA型則是用于過(guò)程自動(dòng)化的總線(xiàn)類(lèi)型。

　　5. HART總線(xiàn) 　　

　　HART協(xié)議是由Rosemount公司于1986年提出的通信協(xié)議。它是用于現場(chǎng)智能儀表和控制室設備間通信的一種協(xié)議。它包括ISO/OSI模型的物理層、數據鏈路層和應用層。HART通信可以有點(diǎn)對點(diǎn)或多點(diǎn)連接模式。這種協(xié)議是可尋址遠程傳感器高速通道的開(kāi)放通信協(xié)議，其特點(diǎn)是在現有模擬信號傳輸線(xiàn)上實(shí)現數字信號通信，屬于模擬系統向數字系統轉變過(guò)程中的過(guò)渡產(chǎn)品，因而在當前的過(guò)渡時(shí)期具有較強市場(chǎng)競爭力，在智能儀表市場(chǎng)上占有很大的份額。

　　5．4　現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（FCS）的結構與特點(diǎn)

　　5．4．1　結構

　　隨著(zhù)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的出現和成熟，促使了控制系統由集散控制系統（DCS）向現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（FCS）的過(guò)渡。在一般的FCS系統中，遵循一定現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議的現場(chǎng)儀表可以組成控制回路，使控制站的部分控制功能下移分散到各個(gè)現場(chǎng)儀表中。從而減輕了控制站負擔，使得控制站可以專(zhuān)職于執行復雜的高層次的控制算法。對于簡(jiǎn)單的控制應用，甚至可以把控制站取消，在控制站的位置代之以起連接現場(chǎng)總線(xiàn)作用的網(wǎng)橋和集線(xiàn)器，操作站直接與現場(chǎng)儀表相連，構成分布式控制系統。

　　5．4．2　特點(diǎn)

　　分布式的FCS系統比DCS系統更好地體現了“信息集中，控制分散"的思想。與傳統的DCS 相比，FCS有其自身的特點(diǎn)。FCS系統具有高度的分散性，它可以由現場(chǎng)設備組成自治的控制回路?，F場(chǎng)儀表或設備具有高度的智能化與功能自主性，可完成控制的基本功能，并可以隨時(shí)診斷設備的運行情況。另外，FCS的結構比DCS簡(jiǎn)化。有的FCS系統省略了DCS中控制站這一層，操作站直接與現場(chǎng)儀表相連。這些使FCS的可靠性得到提高。

　　現場(chǎng)總線(xiàn)系統具有開(kāi)放性。系統對相關(guān)標準具有一致性、公開(kāi)性，強調對標準的共識與遵從。通信協(xié)議一致公開(kāi)，各不同廠(chǎng)家的設備之間可實(shí)現信息交換，通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)可構筑自動(dòng)化領(lǐng)域的開(kāi)放互連系統。系統的開(kāi)放性決定了它具有互操作性和互用性?；ゲ僮餍灾富ミB設備間、系統間信息傳送與溝通；而互用則意味著(zhù)不同生產(chǎn)廠(chǎng)家的性能類(lèi)似的設備可實(shí)現相互替換。作為工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )底層的現場(chǎng)總線(xiàn)還對現場(chǎng)環(huán)境有較強地適應性。它支持雙絞線(xiàn)、同軸電纜、光纜、無(wú)線(xiàn)和電力線(xiàn)等，具有較強的抗干擾能力。

　　由于結構上的改變，FCS比DCS更節約硬件設備。使用FCS可以減少大量的隔離器、端子柜、I/O卡及I/O端口，這樣就節省了I/O裝置及裝置室的空間；同時(shí)減少了大量電纜，可以極大地節省安裝費用。與此同時(shí)，FCS比DCS性能有所提高。由于免去了D/A與A/D變換，使儀表精度得到極大的提高；通過(guò)將PID功能植入到相應的智能傳感器中去，使控制周期大為縮短。目前FCS可以從DCS的每秒調節2～5次增加到每秒調節10～20次，改善了調節性能。FCS控制系統與DCS控制系統結構比較見(jiàn)圖1。

　　5．4．3　現場(chǎng)總線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)

　　由于現場(chǎng)總線(xiàn)的以上特點(diǎn)，特別是其系統結構的簡(jiǎn)化，使其從設計、安裝、投運到正常生產(chǎn)運行及檢修維護，都體現出優(yōu)越性。它不僅節省了硬件數量與投資，節省了安裝費用，而且系統的維護開(kāi)銷(xiāo)也大大地降低?，F場(chǎng)總線(xiàn)控制系統不僅精確度與可靠性高，在方便使用和維護性方面，FCS也比DCS有優(yōu)勢。FCS使用統一的組態(tài)方式，安裝、運行、維修簡(jiǎn)便；利用智能化現場(chǎng)儀表，使維修預報（Predicted maintenance）成為可能；由于系統具有互操作性和互用性，用戶(hù)可以自由選擇不同品牌的設備達到最佳的系統集成，在設備出現故障時(shí)，可以自由選擇替換的設備，保障用戶(hù)的高度系統集成主動(dòng)權。

　　此外，它還具有設計簡(jiǎn)單，易于重構等特點(diǎn)。

　　5．4．4　發(fā)展趨向

　　傳統的集散控制系統（DCS系統）具有集中監控、分散控制、操作方便的特點(diǎn)。但是，在實(shí)際應用中也發(fā)現DCS的結構存在一些不足之處，如控制不能做到徹底分散，危險仍然相對集中；由于系統的不開(kāi)放性，不同廠(chǎng)家的產(chǎn)品不能互換、互聯(lián)，限制了用戶(hù)的選擇范圍。利用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，開(kāi)發(fā)FCS系統的目標是針對現存的DCS的某些不足，改進(jìn)控制系統的結構，提高其性能和通用性。

　　FCS想要在實(shí)際中取代DCS，既要具備DCS所具有的功能，又要能克服DCS的缺點(diǎn)。FCS由于采用了現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，在開(kāi)放性、控制分散等方面優(yōu)于傳統DCS。但是由于它是一種新技術(shù)，目前連標準本身都還沒(méi)有制定統一，因此FCS與成熟的DCS相比，還存在下列的一些欠缺。

　?。?）由于現場(chǎng)總線(xiàn)標準本身尚在發(fā)展中，從而給產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和測試帶來(lái)難度。這在一定程度上造成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)商、生產(chǎn)商少，產(chǎn)品品種單一而且價(jià)格昂貴。

　?。?）在某些場(chǎng)合中，FCS還無(wú)法提供DCS已有的控制功能。由于軟硬件水平的限制，其功能塊的功能還不是很強，品種也不夠齊全；用現場(chǎng)儀表還只能組成一般的控制回路如單回路、串級、比例控制等，對于復雜的、先進(jìn)的控制算法還無(wú)法在儀表中實(shí)現，對于單回路內有多輸入、多輸出的情況缺乏好的解決方案。

　?。?）目前FCS成功的應用實(shí)例不多，難以評估實(shí)際應用效果。

　　由于以上這些原因，FCS取代DCS將是一個(gè)逐漸的過(guò)程。在這一過(guò)程中，會(huì )出現一些過(guò)渡型的系統結構，如在DCS中以FCS取代DCS中的某些子系統。用戶(hù)將現場(chǎng)總線(xiàn)設備連接到獨立的現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器，服務(wù)器配有DCS中連接操作站的上層網(wǎng)絡(luò )接口，與操作站直接通信。在DCS的軟件系統中可增添相應的通信與管理軟件。這樣不需要對原有控制系統作結構上的重大變動(dòng)。

　?。?）當前，各種形式的現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議并存于控制領(lǐng)域。在樓宇自控領(lǐng)域，Lonworks和CAN網(wǎng)絡(luò )具有一定的優(yōu)勢；在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域，主要有過(guò)渡型的HART協(xié)議、得到廣泛支持的FF現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議以及同樣較有競爭力的PROFIBUS協(xié)議。HART協(xié)議將是目前幾年內智能化儀表的主要通信協(xié)議；基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)是過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域中較有前途的一種現場(chǎng)總線(xiàn)，得到許多自動(dòng)化儀表設備廠(chǎng)商的支持；由于Lonworks技術(shù)的開(kāi)放性，國內出現了利用它開(kāi)發(fā)控制系統的許多開(kāi)發(fā)商?？紤]到統一的開(kāi)放式現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議標準制定的長(cháng)期性和艱巨性，傳統DCS的退出將是一個(gè)漸進(jìn)過(guò)程。在一段時(shí)期內，會(huì )出現幾種現場(chǎng)總線(xiàn)共存、同一生產(chǎn)現場(chǎng)有幾種異構網(wǎng)絡(luò )互連通訊的局面。但是，發(fā)展共同遵從的統一的標準規范，真正形成開(kāi)放式互連系統，是大勢所趨。

　　6．DCS的硬件系統及其發(fā)展方向

　　關(guān)于硬件系統，我們還沒(méi)有更深入的討論。不過(guò)，DCS或者是今后的FCS硬件肯定會(huì )大量采用單片嵌入式軟硬件系統。這是因為：

　　1. 無(wú)論是DCS的智能模件還是今后FCS的現場(chǎng)模塊，必須具備自我診

　　斷、數據交換等功能；

　　2. 由于DCS和今后的FCS都會(huì )將控制、采集任務(wù)下達給遠端絕大部分

　　的模件或模塊，以讓其分散系統任務(wù)，故該類(lèi)模件或模塊必須具備狀態(tài)或數據采集、或者進(jìn)行PID控制。因此，它不能缺少MCU；

　　3. 由于通訊功能的增強，有必要加強通訊協(xié)議的認可、總線(xiàn)設備地址的

　　辨識、誤碼的智能判斷及相應錯誤的糾正等。

　　所謂單片嵌入式軟硬件系統是指具備可安裝與PCB（印制板）還儀器、儀表、專(zhuān)業(yè)模塊設備內的計算機系統。它并不包括我們常說(shuō)的PC計算機。

　　6．1采用單片微處理器的嵌入式軟硬件系統

　　這種系統即是我們常說(shuō)的單片計算機系統。它往往采用一片單片機加外圍芯片構成。主要有AD、DA、DI、DO芯片作為與外部設備交換傳統的模擬量信號和開(kāi)關(guān)量信號。并增加與外部的通訊接口電路、完成所謂的RS485物理接口并配合通訊協(xié)議在控制總線(xiàn)或現場(chǎng)總線(xiàn)上與主計算機或其他設備交換數據。

　　由于傳統的單片機功能有限，往往還加入了大量的邏輯處理單元和大容量存儲器。例如：采用PAL 、GAL、CPLD等。也有采用FPGA以完成邏輯、譯碼、存儲、通訊控制和特殊布爾計算。

　　必須指出，單片計算機計術(shù)仍然在不斷發(fā)展。很多單片機采用RISC精簡(jiǎn)指令集和CPLD、FPGA或者是DSP技術(shù)，可以片內帶FLASH MEMORY，并有JTAG接口，可以在線(xiàn)完成程序擦除、下載、調試等工作。工業(yè)控制領(lǐng)域以16BIT單片機為主，逐步采用32BIT甚至64BIT單片機，而應用于通訊領(lǐng)域中以8BIT單片機為多。據《電子工程專(zhuān)輯》報道：由于因特網(wǎng)的接入需求為8位MCU帶來(lái)新的活力。這表現在8位單片機供應商紛紛采取措施推出增強因特網(wǎng)接入功能的新型8位MCU，這給本來(lái)由于常規8位單片機極高的市場(chǎng)需求又注入新的活力。市場(chǎng)預計從2000年的90億美元增加到2004年的160億美元。而16位、32位MCU加起來(lái)還不到8位MCU的一半。完全打破某些專(zhuān)家和公司預計的16位MCU將在短時(shí)間內替代8位MCU。他們的依據8位MCU是沒(méi)有能力實(shí)現與因特網(wǎng)連接。然而，這些預言是錯誤的?；?位MCU的低價(jià)格性和軟件嵌入式操作系統的支持，加上單片機上集成硬件的TCP/IP控制協(xié)處理器。這比采用16位甚至32位MCU要可靠、經(jīng)濟。如果說(shuō)世界各大廠(chǎng)商在采用8位MCU完成通訊功能、而你卻想用16位MCU，這除非是你的產(chǎn)品成本比別人低得多，否則無(wú)法與別人競爭。

　　單片機系統配備TCP/IP通訊協(xié)議完成以太網(wǎng)接口是目前單片機的熱點(diǎn)。國外甚至推出可以發(fā)E_mail、上Web瀏覽的單片機系統。因此，上網(wǎng)沖浪不再是PC 計算機的專(zhuān)利。只有充分享受網(wǎng)上資源的一切設備才是人們所追求的目標。這種技術(shù)的大量使用，無(wú)疑給未來(lái)的工業(yè)以太網(wǎng)探明道路。

　　6．2采用DSP數字處理器的嵌入式軟硬件系統

　　DSP數字處理器是近來(lái)發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。它實(shí)際上也是單片計算機。一般的單片機內部總線(xiàn)采用程序區和存儲器區共用的馮－諾依曼結構。程序按步進(jìn)行，必須完成取指、運算、執行才能完成一個(gè)指令。而DSP采用哈佛結構，程序區和存儲器區完全分開(kāi)，取指、運算可以完全分開(kāi)，即在運算階段時(shí)可以進(jìn)行取下一條指令操作。故可以高速、并行工作。由于集成大量的存儲器和布爾處理器、復雜邏輯陣列及特殊算法功能塊，可以高速處理大量數據甚至輕而易舉地完成模糊控制或自適應控制等，是未來(lái)嵌入式系統的發(fā)展方向。

　　TMS320系列DSP是美國德州公司的產(chǎn)品。因其內部可以并行運行多個(gè)程序故可以處理更復雜的問(wèn)題，相應程序執行速度得以大大提高。由于硬件回路功能較強，甚至AD、DA轉換器也可以直接選擇DSP某些接口來(lái)構成。

　　對于需要更快的處理速度（與純硬件執行速度相當）某些設計完全可以由FPGA組成硬件，而采用VHDL設計語(yǔ)言來(lái)滿(mǎn)足系統要求。則其執行方式完全并行工作，執行指令也完全與常規的us/步不同，因為它不是按每個(gè)功能需要多少個(gè)執行周期來(lái)完成，而是每個(gè)功能由多少個(gè)“硬件”構成，它總共延時(shí)多少ns。這個(gè)“硬件”是由軟件來(lái)描述，而完成功能確實(shí)內部的硬件進(jìn)行?？梢哉f(shuō)，它如同一個(gè)半導體廠(chǎng)定制的ASIC電路。內部功能由專(zhuān)用硬件構成（不過(guò)是看不見(jiàn)硬件），而生成的硬件卻是由軟件進(jìn)行描述而生成的。

　　未來(lái)的DSP最終會(huì )向FPGA過(guò)渡。

　　6．3 DCS模件向FCS模塊的演變

　　常規的DCS是由若干個(gè)機柜中安裝各種模件或者是板卡所構成。它們相對集中并且通過(guò)內部的通訊、控制總線(xiàn)與各個(gè)模件相連接。由于DCS已經(jīng)發(fā)展很久，但其總體結構變化不大。不過(guò)，這種結構已經(jīng)明顯顯示出不足：

　　a．由于各板卡集中于幾個(gè)機柜中，各自的通訊聯(lián)絡(luò )采用專(zhuān)用的協(xié)議，故屬于封閉式，無(wú)法直接與第三方設備交換數據，必須進(jìn)行相互接口、通訊協(xié)議轉換。開(kāi)放性較差；

　　b. 所有的模件接口采用傳統的DI、DO、AI、AO，需要大量的電纜與現場(chǎng)設備相連接。直接導致安裝復雜、成本居高不下，故障點(diǎn)增多；

　　c. 模件抗干擾能力、防靜電能力差。

　　而FCS模塊強調可以現場(chǎng)安裝，高可靠性和惡劣的環(huán)境下高防護等級可以直接安裝于現場(chǎng)。而相互連接可以通過(guò)冗余的通訊電纜連接，所有連接在通訊總線(xiàn)上的設備可以共享信息，最終實(shí)現控制功能下移至現場(chǎng)層。

　　7．結束語(yǔ)：

　　綜上所述，DCS系統最終向FCS系統發(fā)展，我們究竟是使用別人的產(chǎn)品或是自己開(kāi)發(fā)，是開(kāi)發(fā)DCS還是FCS這要根據我們自身的實(shí)力和情況定。根據技術(shù)的發(fā)展方向和市場(chǎng)的需求，我認為：如果需要開(kāi)發(fā)DCS產(chǎn)品應該順應技術(shù)的發(fā)展方向和市場(chǎng)的需求進(jìn)行。換句話(huà)說(shuō)，應該結合目前現有品牌DCS并有所擴展－帶FCS的模塊以逐步向FCS系統過(guò)渡即尋找開(kāi)發(fā)的捷徑。

　　根據世界上成功合作例子，有許多廠(chǎng)商之間相互合作，例如美國GE公司與香港Fanuc組成GE FANUC品牌的90XX系列PLC。他們不再是簡(jiǎn)單的OEM組裝，而是進(jìn)入了較高層次的再開(kāi)發(fā)，在亞州市場(chǎng)上取得了巨大成功。我們能否也借鑒此類(lèi)方式合作。而不要采用成套購入別人硬件OEM簡(jiǎn)單的生產(chǎn)方式，共同投入技術(shù)，維護、發(fā)展產(chǎn)品。這樣的合作方式當然取決與對方是否愿意。例如，征得ABB的同意，共同推出適合電站系統的INFI－DF DCS系統，并部分采用自己的硬件和軟件系統，獲得商標、硬件、軟件的使用權，可以在初期按技術(shù)合作入股、提成等方式，在東汽生產(chǎn)模件并投入物力、人力開(kāi)發(fā)與FCS相適應的現場(chǎng)總線(xiàn)模塊擴展DCS應用范圍。

　　如果此類(lèi)方式遭到斷然拒絕，那我們只有獨立開(kāi)發(fā)自己的DCS系統了。