傳統(tǒng)控制系統(tǒng)與基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的先進(jìn)控制系統(tǒng)

【摘 要】文章介紹了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及總線的概念和發(fā)展?fàn)顩r，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)向現(xiàn)場(chǎng)總線的演變，簡(jiǎn)要介紹了各自的技術(shù)特點(diǎn)，并就現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用前景進(jìn)行了論述。

【關(guān)鍵詞】現(xiàn)場(chǎng)總線；FCS；PLC；DCS；分散控制系統(tǒng)

1. 概述

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，引起了工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的深刻變革。信息交換的范圍正迅速格覆蓋從工廠的管理、控制到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的各個(gè)層次，并逐步形成了全分布式網(wǎng)絡(luò)集成自動(dòng)化系統(tǒng)和以此為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）就是順應(yīng)信息技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和適應(yīng)工業(yè)控制系統(tǒng)的分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展方向而發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，因此它的出現(xiàn)和發(fā)展便成為全球工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的熱點(diǎn)之一，受到全世界技術(shù)界和工業(yè)界的普遍重視。

簡(jiǎn)而言之，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（Fieldbus control system - FCS）是將各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與上一級(jí)的監(jiān)控裝置相互聯(lián)接在一起的全數(shù)字化的、串行、雙向、多站的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。它的技術(shù)特點(diǎn)是控制系統(tǒng)的更加開(kāi)放性和控制功能的更加分散性（一直分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備）。而支持這一高新技術(shù)成為現(xiàn)實(shí)的是二十世紀(jì)迅速發(fā)展起來(lái)的數(shù)字通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和微電子技術(shù)。

嚴(yán)格地講，現(xiàn)場(chǎng)總線不是產(chǎn)品，而是一門(mén)高新技術(shù)。但是任何一種高新技術(shù)都要以某種實(shí)物形態(tài)去展現(xiàn)其功能與價(jià)值。因此，隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的誕生與發(fā)展，一個(gè)與之相適應(yīng)的產(chǎn)品群體應(yīng)運(yùn)而生。它既由來(lái)于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，又反過(guò)來(lái)促進(jìn)這一技術(shù)的迅猛發(fā)展。總線化的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備就是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)中最基礎(chǔ)的，也是最重要的相關(guān)產(chǎn)品。

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)以其先進(jìn)性、實(shí)用性、可靠性、開(kāi)放性的優(yōu)點(diǎn)，必然成為未來(lái)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的主流。基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)與人們預(yù)想的一樣，對(duì)傳統(tǒng)的PLC、DCS系統(tǒng)形成了巨大的沖擊。FCS已不再是一種預(yù)測(cè)、一種設(shè)想，而是實(shí)實(shí)在在地作為先進(jìn)控制系統(tǒng)產(chǎn)品而被人們所接受。

2. 傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)（PLC、DCS）向基于現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）的演變

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是其開(kāi)放性，允許并鼓勵(lì)不同廠家按照現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)自主開(kāi)發(fā)具有特點(diǎn)及專有的產(chǎn)品。因此，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)引入自動(dòng)化控制系統(tǒng)，促使傳統(tǒng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)演化，逐步形成基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)FCS。

2.1 從PLC到工業(yè)PC。

（1）在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，控制器（或稱CPU、或處理器）與I/O模塊及其它功能模塊、機(jī)架等為同一產(chǎn)品，有一致的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。典型的結(jié)構(gòu)是I/O模塊及其它功能模塊通過(guò)機(jī)架背板上的總線連接。機(jī)架擴(kuò)展也是自定義總線的擴(kuò)展。這些產(chǎn)品連接技術(shù)是封閉的，第三方想開(kāi)發(fā)兼容產(chǎn)品必須得到廠家的許可。

（2）基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)中，控制器與現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備（I/O模塊、功能模塊及傳感器、變送器、驅(qū)動(dòng)器等）連接是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線，因此沒(méi)有必要使用與控制器捆綁的I/O模塊產(chǎn)品（這與插在PLC機(jī)架上的I/O模塊的配置方法不同），可使用任何一家的具有現(xiàn)場(chǎng)總線接口的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制器集成。因此控制器趨向于采用標(biāo)準(zhǔn)的、通用的硬件平臺(tái)即工業(yè)計(jì)算機(jī)（Industrial compact computer）。

2.2 采用通用工業(yè)計(jì)算機(jī)做控制系統(tǒng)控制器有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）開(kāi)放性、標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)軟件與控制器硬件不再是捆綁關(guān)系，專業(yè)自動(dòng)化廠家可以獨(dú)立開(kāi)發(fā)不依賴與控制器品牌的FCS系統(tǒng)軟件。基于Windows/NT操作系統(tǒng)平臺(tái)，具有大量的標(biāo)準(zhǔn)的軟件工具和數(shù)據(jù)文件格式可以兼容。

（2）價(jià)格通用的工業(yè)計(jì)算機(jī)容易形成規(guī)模化生產(chǎn)，因此其價(jià)格比PLC便宜。

（3）性能指標(biāo)高、產(chǎn)品更新?lián)Q代快通用的工業(yè)計(jì)算機(jī)搭乘PC及技術(shù)的快車(chē)，技術(shù)指標(biāo)高，產(chǎn)品更新?lián)Q代快。

（4）向上連接計(jì)算機(jī)管理網(wǎng)絡(luò)（如IEC802.3TCP/IP等）技術(shù)成熟、方便。并可以借用ODBC、SQL等技術(shù)與管理數(shù)據(jù)庫(kù)方便連接。

3. 從PLC的I/O模塊到現(xiàn)場(chǎng)總線分布式I/O

在FCS系統(tǒng)中，插在控制器機(jī)架上的I/O模塊（傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）將被連接到現(xiàn)場(chǎng)總線上的分散式I/O模塊所取代。分散式I/O不再是控制器廠家的捆綁產(chǎn)品，而是第三方廠家的產(chǎn)品；廉價(jià)的、專用的、具有特殊品質(zhì)的I/O模塊（如防護(hù)等級(jí)、安全系統(tǒng)高、高壓、大電流信號(hào)等）將具有廣闊的市場(chǎng)。FCS的控制器與傳統(tǒng)PLC配置方式比較如圖1。

從圖1可以看出，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)（包括：基于PC、PLC、DCS產(chǎn)品的分布式控制系統(tǒng)），其主要特點(diǎn)之一是，現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備（包括變送器、執(zhí)行器、在線分析儀表及其它檢測(cè)儀表等）與控制器之間的連接是一對(duì)一（一個(gè)I/O點(diǎn)對(duì)設(shè)備的一個(gè)測(cè)控點(diǎn)）所謂I/O接線方式，信號(hào)傳遞4－20mA（傳送模擬量信號(hào)）或24VDC（傳送開(kāi)關(guān)量信號(hào)）信號(hào)。系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是：

（1）信息集成能力不強(qiáng)：控制與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間靠I/O連線連接，傳送4－20mA模擬量信號(hào)或24VDC等開(kāi)關(guān)量信號(hào)，并以此監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。這樣控制器獲取信息量有限，大量的數(shù)據(jù)如設(shè)備參數(shù)、故障及故障記錄等數(shù)據(jù)很難得到。

（2）系統(tǒng)不開(kāi)放、可集成性差，專業(yè)性不強(qiáng)：除現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備均靠標(biāo)準(zhǔn)4－20mA/24VDC連接，系統(tǒng)其它軟、硬件通常只能使用一家產(chǎn)品。不同廠家產(chǎn)品之間缺乏互操作性、互換性，因此，可靠性差。這種系統(tǒng)很少留出接口，允許其它廠商將自己專長(zhǎng)的控制技術(shù)，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去，因此，面向行業(yè)的控制系統(tǒng)較少。

（3）可靠性不易保證：對(duì)于在范圍的分布式系統(tǒng)，大量I/O電纜及敷設(shè)施工，不僅增加成本，也增加了系統(tǒng)的不可靠性。

（4）可維護(hù)性不高由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息不全，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的在線故障診斷、報(bào)警，記錄功能不強(qiáng)。另一方面也很難完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程設(shè)定、修改等參數(shù)化功能，影響了系統(tǒng)的可維護(hù)性。

基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的控制系統(tǒng)，使用一根通信電纜，將所有具有統(tǒng)一的通信協(xié)議通信接口的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接，這樣，在設(shè)備層傳遞的不再是I/O（4－20mA/24VDC）信號(hào)，而是基于現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)字化通信，由于數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車(chē)間級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)。由此可見(jiàn)基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)所存在的不足，使得系統(tǒng)的信息集成能力增強(qiáng)，開(kāi)放性、可操作性、互換性、可集成性能好，增強(qiáng)了系統(tǒng)的開(kāi)放性、可集成性和專業(yè)性，保證了系統(tǒng)的可靠性、可維護(hù)性，由于省去了大量的電纜、I/O模塊及電纜敷設(shè)工程費(fèi)用，因而大大降低了系統(tǒng)及工程成本。

4. 結(jié)束語(yǔ)

回顧控制系統(tǒng)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展歷程，我們發(fā)現(xiàn)，隨著微電子技術(shù)、控制理論與控制技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)的發(fā)展，DCS成了解決過(guò)程自動(dòng)化最成功的系統(tǒng)。七十年代末DCS已著手將控制功能由集中向分散轉(zhuǎn)移。但是由于受到現(xiàn)場(chǎng)儀表在數(shù)字化、智能化等方面的限制，以及DCS自身的困擾，它沒(méi)有能夠?qū)⒖刂乒δ軓氐椎姆稚⒌浆F(xiàn)場(chǎng)，如今FCS的出現(xiàn)已經(jīng)使將控制功能分散到現(xiàn)場(chǎng)儀表上成為必要和可能。由于FCS具有DCS無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，使得FCS在未來(lái)的控制領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景，畢竟FCS是一門(mén)新的正在發(fā)展的高新技術(shù)，它的出現(xiàn)對(duì)人們來(lái)說(shuō)還有一定的認(rèn)識(shí)過(guò)程，正如我們當(dāng)初認(rèn)可DCS技術(shù)一樣，只要FCS日趨成熟，標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，現(xiàn)場(chǎng)儀表的數(shù)字化、智能化問(wèn)題能很好地得到解決，其市場(chǎng)前景將不可估量。

注：本文中提到的一些名詞及縮寫(xiě)：

FCS：現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的先進(jìn)控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System-FCS）。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備：指現(xiàn)場(chǎng)級(jí)檢測(cè)及執(zhí)行設(shè)備，如傳感器、變送器、開(kāi)關(guān)設(shè)備、驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、指示及顯示設(shè)備、人機(jī)操作接口等。

控制器：現(xiàn)場(chǎng)總線中的一個(gè)主站節(jié)點(diǎn)。至少具備總線通信與管理、邏輯執(zhí)行等功能。

基于PLC的控制系統(tǒng)：指以PLC、遠(yuǎn)程I/O及PLC網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的分布式控制系統(tǒng)。