现场总线技术与DCS控制系统结构的结合与优化

现场总线技术与 DCS控制系统结构的结合与优化

倪玉伟

国电浙能宁东发电有限公司 宁夏银川 750408

摘要：现场总线技术的迅猛发展正在给工业控制领域带来深刻变革，但它并非完美无缺，在将其实际应用于生产过程时还有许多问题有待于研究和解决。本文根据我厂国电宁夏方家庄电厂2X1000MW机组工程的应用过程中，现场总线及DCS设备的设计及选型。从而力争实现现场总线与DCS控制系统的有效结合。

关键词：现现总线 集散控制系统DCS

1 现场总线技术和DCS技术

现场总线是从20世纪80年代以来逐步发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通信网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场和控制设备之间及其与更高控制管理层之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范围的关注，正成为自动化技术发展的热点，并将推动自动化系统结构与设备的深刻变革。国际电工委员会（iec）将现场总线定义为：现场总线是连接工业现场的仪表与设置在控制室内控制设备的数字化、串行、双向、多变量、多节点的通信网络。把现场总线控制系统（FCS，fieldbus contrl system）定义为：由各种现场仪表通过互联与控制室内人机界面所组成的系统：一个全分散、全数字化、全开放和可互操作的生产过程自动控制系统。也正是由于这些特点，以现场总线人微言轻技术支撑的FCS在工业自动化领域有明显的优势，诸如很高的精确性，组态简单，设计安装方便，易于维护和扩展，可以节约软硬件投资等等，被称为第五代控制系统，成为工业自动化发展的趋势。

集散控制系统（DCS——total distributed control system）是20世纪70年代中期发展起来的以微处理器为基础的分散型计算机控制系统。它是控制技术（control）、计算机技术（computer）、通信技术（communication）、阴极射线管（crt）图形显示技术和网络技术相结合的产物。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。DCS自20世纪70年代问世以来，发展异常迅速。目前，它作为新一代工业自动化过程控制设备，在世界范围内被广泛应用于石油、化工、冶金、纺织、电力、食品等工业，在我国石油、冶金、化工和电力等行业已被普遍推广应用。随着现代化工业的飞跃发展、生产装置的规模不断扩大、生产技术及工艺过程的愈趋复杂，常规模拟仪表存在难以克服的弊病：首先是控制功能过于单一，难以实现某些复杂控制功能；其次是难于集中操作和监视，面对长达几十米的高度密集排列的仪表屏，操作和调整都十分困难。

2 现场总线与DCS技术的结合

现场总线出现后，从理论上讲DCS迟早要为FCS取代。但是FCS作为新一代的过程控制系统，与DCS上百种功能块相比显然要略逊一筹。DCS灵活方便和丰富的组态功能、复杂可靠的控制功能，也不是FCS能够立即赶上的，因为，DCS绝不是一个数据、采集和简单控制系统，DCS的现场控制站也绝不是单一完成简单的PID功能，在很多工程中，它要实现非常复杂、快速的联锁调节控制。目前的FCS在开关量与模拟量的混合处理方面还不如DCS灵活，对于那些开关量控制与模拟量控制并存，相互关系十分密切的控制系统来说，采用DCS要比FCS更方便。这些问题将随着现场总线技术的进一步发展而逐渐得到解决。所以由DCS向FCS的过渡必是一个长期渐进的过程，在开发新系统的过程要考虑现有设备的基础又兼顾系统的开放性和兼容性，视具体情况来决定系统构成方式。总的来说，可以分为以下三种方式：

（1）当原有DCS规模较小时，可以在DCS的工程师站加装一块支持现场总线的网卡，并进行软件配置。使DCS系统成为现场总线的一个站点，利用DCS系统的开发工具，在其工程师站的操作系统上编制数据读取程序和数据传输程序，把DCS中的数据读出并通过现场总线网络发送出去。

（2）如果DCS系统已较为完善且不希望对DCS的结构做太大改变，当系统规模扩大时就可以在DCS系统基础上进行改造。在DCS网络上安装基金会现场总线服务器（foundation fieldbus ff）,DCS与低速现场总线H1接口卡、高速现场总线H2接口卡之间的信息交换通过网络接口卡进行。现场总线仪表中输入、输出、控制和运算等功能块相对独立，可以自行构成控制回路，而不必借用DCS的功能块，但要借用DCS操作员站。H2上加装的工作站的功能是对H1上现场总线仪表组态、诊断和维护。

（3）用DCS和FCS共同组成系统。在原有DCS的情况下，对新的节点用FCS，原来的DCS保持不变，这样做可以在将来产品更新换代时比较方便的替换DCS，而不必对原有的FCS进行改动，有利于逐渐过渡过到全FCS的系统。DCS和FCS各自独立，分别具有各自的工程师站，通过网关进行通信，构成一个完整的系统。

3 优化DCS与PROFIBUS DP系统结构

我单位是由监控层工程师站及操作员站计算机、中间层级的冗余控制器（DPU）及PB控制模块、现场级的各个厂家的现场总线控制设备（电动执行机构、变送器、马达保护器等）组成。

监控层与中间层的冗余控制器（DPU）通过冗余工业以太网A连接，中间层的冗余控制器与PB控制模块采用冗余工业以太网B连接，PB控制模块与现场的设备之间通过标准的PROFIBUS DP现场总线连接或者通过光电转换器使用光纤连接，既可以扩展连接距离，又提高抗干扰能力，增强稳定性；此方案中可以使用DP分支器及PA分支器，扩展现场连接设备的拓扑方式，灵活应对现场的使用情况。如下图所示：

4 结束语

现场总线控制系统是未来发展的趋势，这一点已不容置疑，但现场总线控制系统从根本上取代DCS控制系统尚需时日。由于现场总线与DCS在一段时间内将共存并竞争，DCS必然会采用现场总线方面的一些技术对自身进行改造。随着现场总线有关技术进入DCS控制系统，引入了大量总线仪表和网桥的DCS系统的配置机柜体积将大大缩小，低层控制将逐渐向现场总线网络靠拢，而DCS的上层网络总线过渡的速度相对来说可能会慢一些，但其向开放式网络过渡是必然趋势。

参考文献：

[1]阳宪惠.现场总线技术及其应用。清华大学出版社，2006.6

[2]陈令.工业控制计算机的发展与前景。机械与电子，2001.1

[3]李厚勋，卢洁玉.现场总线技术在变电站自动化系统中的应用。湖南大学学报，2004.4