集散控制系统的最新技术特点与展望

集散控制系统的最新技术特点与展望

张瑞波

唐山三友化工股份有限公司，河北唐山 063000

摘要：现场总线控制系统FCS的技术发展迅猛，是当前在自动化领域里最具发展潜力的技术。本文着重介绍FCS技术与DCS技术的关联及发展趋势，并对有关技术过渡和工业以太网研究的有关技术作了介绍，相信未来工业以太网技术和FCS技术将最终取代DCS技术。

关键词：FCS现场总线；DCS集散控制系统；工业以太网；国际标准

1引言

FCS是在DCS的基础上发展起来的，FCS顺应了自动控制系统的发展潮流，它必将替代DCS。这已是业内人士的基本共识。然而，任何新事物的发生，发展都是在对旧事物的扬弃中进行的，FCS与DCS的关系必然也不例外。FCS代表控制技术潮流与发展方向，但在现阶段FCS尚没有统一的国际标准而呈群雄逐鹿之势，而DCS则以其成熟的技术及广泛的应用而占居着一个尚不可完全替代的地位。

以工程成本与效益看，现场总线的根本优势是良好的互操作性；结构简单，布线费用低；控制功能分散，灵活可靠。然而这些优势是建立在新装FCS系统的前提下，如果企业建立有完善的DCS,现在要向FCS过渡，则必须仔细考虑现有投资对已有投资的回报率。充分利用已有的DCS设施以及成熟的DCS控制管理方式来实现FCS是我们应选的策略。

虽然现场总线有优势可言，但向其过渡的代价与风险是必须分析清楚的。再者，从技术的继承及控制手段上，也要求FCS与DCS应相兼容。FCS实现控制功能下移至底层，各个现场设备节点的独立功能得以加强并完善现场底层设备间的数据通讯功能。

DCS适用于较慢的数据传输速率，而FCS则更适用于较快的数据传输速率，以及更灵活的处理数据。然而，当数据量超过一定值过于偏大时，则很容易导致数据网络的堵塞。要解决这个问题，拟设立一个适当的监控层用以协调相互通讯的设备，必然是有益的。可见，为使FCS的控制方式和手段完善化，是有必要借鉴DCS的一些控制思想的。

2现场总线传输特点

现场总线控制系统（FCS）是顺应智能现场仪表而发展起来的。它的初衷是用数字通讯代替4-20mA模拟传输技术，但随着现场总线技术与智能仪表管控一体化（仪表调校、控制组态、诊断、报警、记录）的发展，在控制领域内引起了一场前所未有的革命。控制专家们纷纷预言：FCS将成为21世纪控制系统的主流。

然而就在人们对FCS寄托极大希望的时候，却没有注意到它的发展在某些方面的不协调，其主要表现在迄今为止现场总线的通讯标准尚未统一，这使得各厂商的仪表设备难以在不同的FCS中兼容。此外，FCS的传输速率也不尽人意，以基金会现场总线（FF）正在制定的国际标准为例，它采用了ISO的参考模型中的3层（物理层、数据链路层和应用层）和极具特色的用户层，其低速总线H1的传输速度为31.25kbps,高速总线H2的传输速度为1Mbps或2.5Mbps。而对西门子推出的PROFIBUS总线而言,虽然市场占有率相对较大，但由于受通讯线路长度的影响，在100M线路长度下最高通讯速率为12Mbps,这在有些场合下仍无法满足实时控制的要求。由于上述原因，使FCS在工业控制中的推广应用受到了一定的限制。当人们冷静下来对这些问题进行思考时，不禁想起了在商业网络中广泛应用的以太网。

以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势。由于它支持几乎所有流行的网络协议，所以在商业系统中被广泛采用。但是传统以太网采用总线式拓朴结构和多路存取载波侦听碰撞检测（CSMA/CD）通讯方式，在实时性要求较高的场合下，重要数据的传输过程会产生传输延迟，这被称为以太网的“不确定性”。研究表明，商业以太网在工业应用中的传输延迟在2~30ms之间，这是影响以太网长期无法进入过程控制领域的重要原因之一。

3工业以太网的研究现状

近年来控制与通讯工程师们致力于新型工业以太网的研究工作，其中有代表性的是FF制定的快速以太网标准，其传输速度为100Mbps。综观工业以太网的研究现状，出现了两个值得注意的发展方向：以太网集线器和具有实时功能的以太网的协议。

3.1以太网集线器

FF将以太网技术加入到H2协议中，并以它作为H2的底层协议，其网络采用星型拓朴结构。

集线器通过以太网I/O接口挂接现场设备，其中实时现场仪表和普通现场仪表分别挂接在不同的以太网I/O接口上。以太网I/O接口高速（约100kHz）扫描所有实时现场仪表和通道组，然后传送数据包到上层控制器。

3.2在以太网的协议中加入实时功能

—些FCS的生产商

开发自己的工业以太网FCS时,在工业以太网协议中加入实时功能，此项技术被称为“地道”，它其实就是在设备中加入特殊的协议芯片。

上述研究工作的进展为以太网进入FCS提供了可行性，但要使以太网能在FCS中发挥其强大的网络优势，以满足现代工业控制中日益增长的数据传输和信息传输种类（如语音、图象和视频等）的需要，还有待于研究工作取得更大的突破性进展。

3.3尽快推出FCS国际标准的重要性

当今的FCS领域出现了世界各大厂商各自为战的混乱局面。由于各大厂商为了抢占市场急于推出自己的产品，而FCS的国际标准又迟迟不能出台所造成的。标准的不统一使各厂家推出的FCS成为一个个“自动化孤岛”，不同系统和现场设备的兼容性都很差。FCS的用户强烈呼吁尽快出台FCS的国际标准，以期望实现FCS的“互联网时代”。

必须说明的是工业以太网FCS中，其现场级总线的传输速度并不理想。这是因为工业以太网还只是在上层控制网络中应用，而许多厂商出于安全考虑，在许多技术问题没有解决之前，现场级尚未使用工业以太网，所以FCS总体的传输速度没有什么质的飞跃。为了实现以太网向现场级的延伸，除了改进以太网的通讯协议之外，还需要解决网络的本安、现场设备的冗余和通过以太网向现场仪表供电等技术问题。

3.4PLC与DCS

PLC是由早期继电器逻辑控制系统与微型计算机技术相结合而发展起来的。它是以微处理器为主的一种工业控制仪表。它融计算机技术、控制技术和通信技术于一体，集顺序控制、过程控制和数据处理于一身，具有可靠性高、功能强大、控制灵活、操作维护简单等优势。近几年来，可编程序控制器及组成系统在我国冶金、电力、石化、矿业、水处理等行业更是到了广泛的应用，并取得了一定的经济效益。

4 DCS向FCS系统的过渡及其发展方向

DCS系统的发展必将是在DCS的基础上发展FCS,因为FCS顺应了自动控制系统的发展潮流。

FCS是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信网络。它也被称为现场底层设备控制网络。但是不论如何，制定单一的开放国际现场总线标准是发展的必然。FCS想要在实际中取代DCS,既要具备DCS所具有的功能，又要能克服DCS的缺点。FCS由于采用了现场总线技术，在开放性、控制分散等方面优于传统DCS。但是由于它是一种新技术，目前连标准本身都还没有制定统一，因此FCS与成熟的DCS相比，还存在下列的一些欠缺。

5结束语

总之，各种形式的现场总线协议并存于控制领域。在楼宇自控领域，Lonworks和CAN网络具有一定的优势；在过程自动化领域，主要有过渡型的HART协议、得到广泛支持的FF现场总线协议以及具有竞争力的PROFIBUS协议。国内出现了利用它开发控制系统的许多开发商。考虑到统一的开放式现场总线协议标准制定的长期性和艰巨性，传统DCS的退出将是一个渐进过程。在相当长的一段时期内，会出现几种现场总线共存、同一生产现场有几种异构网络互连通讯的局面。但是，共同遵从统一的标准规范，真正形成开放式互连系统,是大势所趋。

参考文献：