淺淡現場總線技術與DCS控制系統的結合

王慶良

摘要：現場總線技術的迅猛發展正在給工業控制領域帶來深刻變革，但它并非完美無缺，在將其實際應用于生產過程時還有許多問題有待于研究和解決。本文討論在現場總線的應用過程中，現場總線對DCS的改造。從而實現現場總線與DCS控制系統的有效結合。

關鍵詞：現現總線 集散控制系統 DCS

1 現場總線技術和DCS技術

現場總線（Fieldbus）是從20世紀80年代以來逐步發展形成的，用于過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領域的現場智能設備互連通信網絡。它作為工廠數字通信網絡的基礎，溝通了生產過程現場和控制設備之間及其與更高控制管理層之間的聯系。它不僅是一個基層網絡，而且還是一種開放式、新型全布控制系統。這項以智能傳感、控制、計算機、數字通訊等技術為主要內容的綜合技術，已經受到世界范圍的關注，正成為自動化技術發展的熱點，并將推動自動化系統結構與設備的深刻變革。國際電工委員會（IEC）將現場總線定義為：現場總線是連接工業現場的儀表與設置在控制室內控制設備的數字化、串行、雙向、多變量、多節點的通信網絡。把現場總線控制系統（FCS，Fieldbus Contrl System）定義為：由各種現場儀表通過互聯與控制室內人機界面所組成的系統：一個全分散、全數字化、全開放和可互操作的生產過程自動控制系統。也正是由于這些特點，以現場總線人微言輕技術支撐的FCS在工業自動化領域有明顯的優勢，諸如很高的精確性，組態簡單，設計安裝方便，易于維護和擴展，可以節約軟硬件投資等等，被稱為第五代控制系統，成為工業自動化發展的趨勢。

集散控制系統（DCS——Total Distributed Control System）是20世紀70年代中期發展起來的以微處理器為基礎的分散型計算機控制系統。它是控制技術（Control）、計算機技術（Computer）、通信技術（Communication）、陰極射線管（CRT）圖形顯示技術和網絡技術相結合的產物。該裝置是利用計算機技術對生產過程進行集中監視、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。DCS自20世紀70年代問世以來，發展異常迅速。目前，它作為新一代工業自動化過程控制設備，在世界范圍內被廣泛應用于石油、化工、冶金、紡織、電力、食品等工業，在我國石油、冶金、化工和電力等行業已被普遍推廣應用。隨著現代化工業的飛躍發展、生產裝置的規模不斷擴大、生產技術及工藝過程的愈趨復雜，常規模擬儀表存在難以克服的弊病：首先是控制功能過于單一，難以實現某些復雜控制功能；其次是難于集中操作和監視，面對長達幾十米的高度密集排列的儀表屏，操作和調整都十分困難。

2 現場總線與DCS技術的結合

現場總線出現后，從理論上講DCS遲早要為FCS取代。但是FCS作為新一代的過程控制系統，與DCS上百種功能塊相比顯然要略遜一籌。DCS靈活方便和豐富的組態功能、復雜可靠的控制功能，也不是FCS能夠立即趕上的，因為，DCS絕不是一個數據、采集和簡單控制系統，DCS的現場控制站也絕不是單一完成簡單的PID功能，在很多工程中，它要實現非常復雜、快速的聯鎖調節控制。目前的FCS在開關量與模擬量的混合處理方面還不如DCS靈活，對于那些開關量控制與模擬量控制并存，相互關系十分密切的控制系統來說，采用DCS要比FCS更方便。這些問題將隨著現場總線技術的進一步發展而逐漸得到解決。所以由DCS向FCS的過渡必是一個長期漸進的過程，在開發新系統的過程要考慮現有設備的基礎又兼顧系統的開放性和兼容性，視具體情況來決定系統構成方式。總的來說，可以分為以下三種方式：

（1）當原有DCS規模較小時，可以在DCS的工程師站加裝一塊支持現場總線的網卡，并進行軟件配置。使DCS系統成為現場總線的一個站點，利用DCS系統的開發工具，在其工程師站的操作系統上編制數據讀取程序和數據傳輸程序，把DCS中的數據讀出并通過現場總線網絡發送出去。

（2）如果DCS系統已較為完善且不希望對DCS的結構做太大改變，當系統規模擴大時就可以在DCS系統基礎上進行改造。如圖1所示，在DCS網絡上安裝基金會現場總線服務器（Foundation Fieldbus FF）,DCS與低速現場總線H1接口卡、高速現場總線H2接口卡之間的信息交換通過網絡接口卡進行。現場總線儀表中輸入、輸出、控制和運算等功能塊相對獨立，可以自行構成控制回路，而不必借用DCS的功能塊，但要借用DCS操作員站。H2上加裝的工作站的功能是對H1上現場總線儀表組態、診斷和維護。

（3）用DCS和FCS共同組成系統。在原有DCS的情況下，對新的節點用FCS，原來的DCS保持不變，這樣做可以在將來產品更新換代時比較方便的替換DCS，而不必對原有的FCS進行改動，有利于逐漸過渡過到全FCS的系統。系統的構成如圖2所示，DCS和FCS各自獨立，分別具有各自的工程師站，通過網關進行通信，構成一個完整的系統。

3 結束語

現場總線控制系統是未來發展的趨勢，這一點已不容置疑，但現場總線控制系統從根本上取代DCS控制系統尚需時日。由于現場總線與DCS在一段時間內將共存并競爭，DCS必然會采用現場總線方面的一些技術對自身進行改造。隨著現場總線有關技術進入DCS控制系統，引入了大量總線儀表和網橋的DCS系統的配置機柜體積將大大縮小，低層控制將逐漸向現場總線網絡靠攏，而DCS的上層網絡總線過渡的速度相對來說可能會慢一些，但其向開放式網絡過渡是必然趨勢。

參考文獻：

[1]陽憲惠.現場總線技術及其應用。清華大學出版社，2006.6

[2]陳令.工業控制計算機的發展與前景。機械與電子，2001.1

[3]李厚勛，盧潔玉.現場總線技術在變電站自動化系統中的應用。湖南大學學報，2004.4