現場總線控制系統的應用優勢

姜濤 （天津渤海職業技術學院 天津300402）

現場總線控制系統的應用優勢

姜濤 （天津渤海職業技術學院 天津300402）

從分析現場總線系統產生的原因入手，總結其發展歷程，闡述了現場總線系統的應用優勢；結合實用總線設備和現場總線系統的集成，論述了現場總線控制系統的結構和組成。指出現場總線系統在工業控制中的應用，保證了控制計算和作用的網絡化實現，并使得控制系統的系統結構趨于扁平化，為系統組織重構和工作協調的實施提供了可能。

現場總線 現場總線控制系統FCS 組織重構化 工作協調化

1 現場總線控制系統的發展

1.1 現場總線的產生

現場總線是用于現場儀表與控制系統、控制室之間的一種全分散、全數字化、智能、雙向、互聯、多變量、多點和多站的通訊系統。它嵌入在各種儀表和設備中，可靠性高，穩定性好，抗干擾能力強，通訊速率快，系統安全，符合環境保護要求，造價低廉，維護成本低。

現場總線的出現和產生，是在與傳統計算機控制系統相比較的過程中由其獨特的優勢所決定的。現行的DCS系統結構和數據格式封閉，不同廠商產品間的互聯性和互換性較差，在控制系統網絡化的發展過程中不能很好地滿足系統的開放和互聯要求。加之用戶對現場總線技術的需求和實際市場競爭的需要，促進了現場總線技術在實際中的應用。

1.2 現場總線控制系統特征

顯然，現場總線系統是現場通訊網絡與控制系統的集成，其節點是現場設備或現場儀表，如傳感器、變送器、執行器和控制器等，將這些進行網絡化處理的現場設備和現場儀表通過現場總線連接起來，實現一定控制作用的系統就是現場總線控制系統。

現場總線控制系統FCS是在集散控制系統DCS的基礎上發展而成的，它繼承了DCS的分布式特點，但在各功能子系統之間，尤其是在現場設備和儀表之間的連接上，采用了開放式的現場網絡，從而使得系統現場級設備的連接形式發生了根本性的變化，具有許多自己所特有的性能和特征。

全網絡化、全分散式、可互操作、開放式和全開放是現場總線控制系統FCS相對于DCS的基本特征。具體內容包括：①系統的徹底網絡化，從最底層的傳感器和執行器均通過現場總線網絡實現連接，逐步向上直至最高層均與通訊網絡互聯；②全分散式的系統結構，FCS廢棄了DCS的輸入輸出單元和控制站，由現場設備或現場儀表取而代之，即把DCS控制站的功能化整為零，分散到了各種現場儀表中，從而構成了虛擬控制站，實現了系統的徹底分散控制；③現場設備的互操作性，不同廠商的設備既可互聯也可互換，現場設備間可實現互操作，通過進行結構的重組即統一組態，可實現系統任務的靈活調整，從而徹底改變了DCS控制層的專用性；④開放式互聯網絡，既可以與同層網絡互聯，也可與不同層的網絡互聯，還可極方便地共享網絡資源；⑤技術和標準的全開放，從總線標準、產品檢驗到信息發布均是公開的，無專利許可要求，面向世界任意制造商和用戶，可供任何用戶使用。

由于現場總線控制系統FCS的核心是現場網絡系統，而現場總線系統又是計算機技術、網絡通訊技術和控制技術的綜合集成，因而它的出現從根本上改變了傳統的控制系統，包括系統結構、信號標準、通訊標準和系統標準，使得現代自動控制系統在體系結構、設計方法、安裝調試和產品結構上，都發生了革命性的變化。這點在現場總線控制系統應用的短短幾年中，已是不爭的事實。

顯然，與現場總線相比，傳統儀表單元存在一些難以解決的問題：①一對一結構，即一臺儀表、一對傳輸線、單向傳輸一個信號，是傳統儀表單元的特征，它造成系統接線龐雜、工程周期長、安裝費用高和維護困難的問題；②模擬信號傳輸精度低、易受干擾是傳統儀表單元的另一特點，它要求提供抗干擾的措施和提高精度的辦法，卻無形中增加了成本；③同時操作員不能方便地了解現場儀表單元的運行情況，不利于控制調節作用的實施。

因而與傳統的儀表單元相比，現場總線除具有上述特征外，還具有如下優點：①一對N結構，即一對傳輸線，N臺儀表單元，雙向傳輸多個信號，接線簡單，工程周期短，安裝費用低，維護容易；②可靠性高，數字信號傳輸抗干擾強，精度高，無需采用抗干擾措施，可有效減少系統成本；③操作性好，操作員在控制室即可了解儀表單元的運行情況，從而可以實現對儀表單元的參數調整、故障診斷和控制過程監控；④綜合功能強，現場儀表單元可同時提供檢測、變換和補償功能，實現一表多用，擴展了現場總線儀表單元的應用范圍；⑤統一組態，由于現場儀表單元在軟件實現上采用了功能模塊結構，各種儀表單元在相互連接后即可實現統一組態。

2 現場總線控制系統

2.1 現場總線單元設備

現場總線系統的節點設備稱為現場設備或現場儀表。節點設備的名稱及功能由廠商所確定，但一般地用于過程自動化并構成現場總線控制系統FCS的基本設備分如下幾類：

2.1.1 變送器 常用的現場總線變送單元有溫度、壓力、流量、物位和分析5大類，每類又有多個品種。與電動單元組合儀表的變送器不同，現場總線變送單元既有檢測、變換和非線性補償功能，同時還常嵌有PID控制和運算功能。

2.1.2 執行器 常用的現場總線執行單元有電動和氣動兩大類，每類又有多個品種。現場總線執行單元除具有驅動和執行的基本功能，以及內含調節閥輸出特性補償外，還嵌有PID控制和運算功能；另外，某些執行器還具有閥門特性自檢驗和自診斷功能。

2.1.3 服務器和網橋 指例如用于FF現場總線系統的服務器和網橋。在FF的服務器下可連接H1和H2總線系統，而網橋用于H1和H2之間的連通。

2.1.4 輔助設備 指現場總線系統中的各種轉換器、安全柵、總線電源和便攜式編程器等。

2.1.5 監控設備 指供工程師對各種現場總線系統進行組態的設備，供操作員對工藝操作與監視的設備，以及用于系統建模、控制和優化調度的計算機工作站等。

這里所說的各種現場總線設備和儀表，除專門用于各種現場總線系統的網絡設備、輔助設備和監控設備外，其他設備或儀表單元均是在原有的電動單元組合儀表的基礎上發展而成的。該升級過程主要包括原有儀表單元的數字化或微機化，增加支持各種現場總線系統的接口卡以及編制支持該種現場總線系統通訊協議的運行程序。

基于任何一種現場總線系統的、由現場總線變送單元和執行單元組成的網絡系統可表示為如圖1所示的結構。

圖1 由現場總線儀表單元組成的網絡系統

由于微計算機（單片機）在儀表單元的應用，傳統的檢測單元和變送單元常常合二為一，即將傳感器和變送單元集成在一起，共同完成相應的工作。所以，現場總線變送單元首先依靠傳感器檢測被測變量的信息，送信號處理單元進行必要的轉換或補償，然后再由微計算機按內嵌的程序，根據現場總線網絡所要求的通訊協議實現信息的上傳。現場總線執行單元則與變送單元的工作順序正好相反，它由微計算機根據現場總線系統的網絡通訊協議從總線上獲得所需的信息，經信號驅動單元的驅動后，交執行機構實施控制作用，以達到對被控變量的調節作用。

這里需要指出的是，這種分散到變送器和執行器中的PID控制，同樣可以方便地組成諸如串級、比值和前饋等多回路控制系統。當然如控制系統中所采用的PID控制規律復雜，或采用的是非PID控制規律時，嵌入式PID運算單元將難以勝任，一般可由位于現場總線網絡上的監控計算機完成。

與現場總線變送單元和執行單元相對應，除以上所列的現場設備和現場儀表外，其他的傳統儀表單元如顯示單元、記錄單元和打印單元等均可由相應的軟件由網絡上的監控計算機來完成。只有在有特殊要求的情況下，現場總線顯示單元、記錄單元和打印單元才被使用。

2.2 現場總線控制系統結構（見圖2）

圖2 幾種典型的控制系統結構比較

現場總線控制系統FCS是在集散控制系統DCS的思想上，集成了新一代的網絡技術而產生的。它將傳統的儀表單元微計算機化，并用現場總線網絡的方式代替了點對點的傳統連接方式，從根本上改變了控制系統的結構和關聯方式。

圖2給出了DDC、DCS和FCS 3種控制系統的典型結構圖。由此可以看出，DCS的出現解決了DDC控制過于集中，系統危險性也過于集中的問題；同時伴隨控制分散的過程，也使得控制算法得到了簡化。但控制系統的接線仍然復雜和繁瑣，危險性在一定程度上還是相對集中，尤其是現場控制單元的固有結構限制了DCS的靈活性，無法實現根據控制任務的需要對控制單元進行組態的功能。現場總線控制系統FCS的出現，則從根本上解決了控制系統接線的問題，采用雙絞線即可將所有的現場總線儀表單元連接在一起。它一方面大大地簡化了接線，減少了不少系統成本；另一方面還使控制系統的靈活組態得以實現。此外，在FCS中系統的危險性也降到了最低，在現場總線儀表單元出現故障時，可方便地啟動備用單元；同時此種結構的實現方式還可大大減少作為保證系統可靠性而配置的熱備份設備的數量。

圖3 基于FF現場總線的典型FCS結構圖

以FF現場總線系統為例，圖3給出了實現典型控制的現場總線控制系統FCS的結構。從網絡結構圖中可以看到，基于FF現場總線系統的FCS將現場總線儀表單元分成兩類。通訊數據較多，通訊速率要求較高的現場總線儀表單元直接連接在H2總線系統上；而其他要求數據通訊較慢，或實時性要求不高的現場總線儀表單元則全部連接在H1總線系統上。由于每個H1總線系統所能夠驅動的現場總線儀表單元有限，最多只能到32臺，因而多個H1總線系統還可通過網橋連接到H2總線系統上，以提高整體的通訊速率，保證整個系統的實時性要求和控制需要。

2.3 現場總線系統集成與擴展

現場總線控制系統FCS是現場通訊網絡與控制的集成，其節點是現場儀表單元或現場設備。現場儀表單元如基于現場總線的傳感器、變送器、執行器和控制器等；而可用于現場總線的現場設備則較廣，只要帶有現場總線接口的控制設備均可使用，傳統的設備包括DCS、PLC、通用模擬單元和通用數字單元等。將這些進行了網絡化處理的現場設備和現場儀表通過現場總線連接起來，實現一定控制作用的系統就是現場總線系統集成的過程和目的。

在現場總線控制系統FCS的構成中，除需將現有的DCS和PLC等控制裝置以及完成檢測、變送、控制計算、執行和顯示等常規的現場總線儀表單元集成到系統中外，為保證系統的正常運行、運行狀態的實時監視和分析以及故障時的緊急操作途徑，還需將用于控制系統的分析監測、組態維護、手動操作等硬件設備集成到系統中。較為全面的集成系統如圖4所示，其中I／O接口、檢測儀表單元、執行機構和監控顯示器是常規儀表單元，而分析監測、組態維護、手動操作和數控裝置則是專用或特殊設備。

圖4 現場總線單元設備集成系統結構圖

此外，現場總線控制系統FCS是一般工業控制系統的基礎，隨著控制系統規模的增大，控制任務的擴展，實際生產常要求在完成常規控制任務的同時，進行企業生產管理的自動化和協調化。因而，為完成較大控制任務和實現對控制過程的全面管理，還必須將其與上層控制系統有機地結合在一起。這是工業控制系統發展的需要，也是企業綜合自動化的必然。

于是，將現場總線控制系統FCS與上層網絡和控制系統相集成，就形成了控制管理一體化的新的控制系統體系機構，即如前面所描述的具有兩層網絡結構的新一代計算機控制系統。從而使得控制系統的底層與上層之間的聯系變得緊密，有利于上下兩個網絡層控制任務的協調。

圖5所示的就是基于現場總線系統和LAN網絡實現的現代控制管理系統信息關系示意圖。其中底層是單元組合式的數字化檢測裝置和執行機構，中層是開放式的標準化生產管理系統，而上層則是開放式的面向用戶服務的一體化管理信息系統。底層與中層之間通過現場總線網絡將底層信息集成和管理起來，中層與上層之間則通過LAN網絡實現高層次信息的共享，同時還可根據需要連接到Internet和廣域網上。

圖5 控制管理系統信息關系示意圖

在現場總線控制系統FCS自身集成的基礎上，再將上層的管理和協調集成在一起的控制系統如圖6所示。

現場總線控制系統FCS是20世紀90年代中期，隨著現場總線技術的完善而產生的。盡管FCS的發展時間不長，但由于現場總線技術所具有的特性，以及給傳統控制系統所帶來的革命性的變化，使得FCS的應用和推廣如日中天，必將在自動控制領域開辟出一個新的紀元。

圖6 基于FCS的現代控制管理系統結構圖

從系統網絡結構圖可以看出，用于生產管理的計算機同時連接在上層和現場總線網絡上，一方面負責實施下層的生產管理，同時也與上層的商務計算機相連接，進行生產信息的交換和實現系統范圍內的信息共享。

3 現場總線控制系統發展趨勢

我們知道計算機控制系統的兩大發展趨勢，即控制系統的控制網絡化和系統扁平化。而在現場總線控制系統得到發展的今天，這兩大發展趨勢將進一步促進現場總線控制系統的完善，從而為實現控制系統的組織重構和工作協調奠定基礎。尤其是控制系統扁平化的實現，保證了各種控制系統的開發性和互聯性，使得控制系統的組織重構和工作協調成為了可能。

3.1 控制系統的組織重構化

所謂控制系統的組織重構，就是指用于實現各種控制作用的子系統或單元能夠根據不同工作的需要，進行重新組織和調整，以適應實際生產的需要和變化。

在傳統的計算機控制系統中，由于系統結構上的限制，各種控制用儀表單元的安裝和連接都是相對固定的，各種系統的功能實現也是相對固化的，很難根據工作任務的變化進行重新組織和調整。以回路控制系統為例，由于每個儀表單元須與固定的接口連接，一旦形成完成某種控制功能的回路系統后，就不能簡單地變更其連接方式以構成新的回路系統。但在新一代計算機控制系統中，由于系統得到了扁平化處理，各個子系統和儀表單元均只分屬上下兩層網絡系統，而且其連接相對靈活，因而只要對其相應配置進行適當的調整，即可實現功能系統和儀表單元的重組。體現在回路控制系統的構成上，就是只要改變回路控制系統的配置文件，根據控制任務的需要重新定義構成回路控制系統的有關儀表單元，即可方便地實現功能子系統和儀表單元的重組。

如果計算機控制系統實現了組織重構的目的，即可方便地實現如下功能：①提高控制系統的靈活性，可根據工作需要靈活改變系統中各功能子系統和儀表單元的連接形式；②增強控制系統的適應性，可適應控制任務的變化，提高系統完成控制任務的柔性程度；③改善控制系統的可靠性，可通過系統重構進行結構調整，及時和方便地更替故障單元，保證系統的正常運行；④為系統從事控制任務的協同提供了支持平臺和條件。

3.2 控制系統的工作協調化

計算機支持的協同工作（Computer Supported Collaborative Works，CSCW）是近年來發展極為迅速和倍受關注的技術。它主要用于基于計算機環境下的較大規模任務的協同完成，具體應用包括異地設計、并行工程、協調控制和企業管理等，新近發展起來的電子商務也受CSCW的支持，其中控制系統的協調工作是其在企業中的重要應用之一。

控制系統的協調工作包括多種任務目標的群決策、多個部門間的工作協作、信息的共享和管理以及復雜系統多目標的協調控制等等。它們是基于控制系統的實時信息，由任務需求來確定的。必要的實時信息是進行企業控制系統協調工作的基礎，而系統內部組織機構的重組則是協調工作得以實現的必備條件。

如前所述，現場總線控制系統的應用優勢說明，現場總線控制系統實現了從底層儀表控制單元到上層功能子系統的整體網絡化，形成了由企業網和現場總線網絡組成的兩層系統結構，從而使整體系統出現了扁平化的結構形式，并在此基礎上可實現內部底層儀表控制單元和上層功能子系統的重組。系統結構的扁平化實現保證了實時信息的快速溝通和共享，為工作的協調提供了必須的信息來源和保證；控制系統組織的可重構又為協調工作的具體實施提供了可能。■

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2010-11-04