DCS與FCS控制系統集成分析

摘 要： 考慮到集散控制系統（DCS）技術成熟、應用廣泛以及生產過程的實際情況， 在現有的DCS控制系統中如何集成現場總線控制系統（FCS）的新技術是一個很重要的問題。本文在詳細論述DCS與FCS的工作原理和不同特點的基礎上比較了二者的優缺點，探討了選擇FCS時應注意的問題， 并就FCS與DCS 集成的問題， 簡單介紹了一些思路和方法。

關鍵詞： DCS；FCS；系統集成；系統設計

1 引言

隨著生產由簡單過程向大型化、集成化和復雜化方向發展， 與之相應的控制理論和技術、控制系統和工具都發生了很大的變化。集散控制系統（DCS）問世到現在， 已經廣泛地應用于工業的各個領域。DCS在傳統控制系統中引入計算機技術， 利用軟件組成各個功能塊替代過去傳統的電動單元組合儀表，使得控制策略更容易實現。使用DCS 集散控制系統后， 非常方便靈活，這給控制領域帶來了質的飛躍。但是從發展的眼光來看， 現在DCS已經暴露出來了它自身的弱點。隨著現場總線控制系統（FCS） 的興起， 擁有DCS產品的各大公司競相開發新一代產品， 已確保在新的市場中不被淘汰。相比較于完全取代DCS系統，充分利用已有的DCS設施， 用現有DCS的布線以及成熟的DCS控制管理方式來實現FCS系統是首選之途。

2 系統集成的必要性

在現階段，現場總線控制系統FCS與集散控制系統DCS 相互兼容有如下的必要性：

（1）從工程角度看， 現場總線具有良好的互操作性，同時結構簡單， 布線費用低，控制功能分散，并且靈活可靠。然而如果企業建立有完善的DCS， 要集成FCS， 則必須仔細考慮現有投資對產業升級的回報率。

（2）從技術的繼承及控制手段上，也要求FCS與DCS應相互兼容。FCS實現控制功能下移至現場層，使得DCS多層網絡扁平化，各個現場設備節點的獨立功能得以加強。因此，在FCS中有必要增加和完善子層設備間的數據通訊功能。

3 系統集成分析

FCS與DCS集成主要體現在現場通信協議的相容和組態、監控、操作軟件的統一，即FCS實現基本的測控回路，DCS作為高一層的管理協調者實現復雜的先進控制和優化功能。FCS實現基本的測控回路，是控制系統獲得原始數據的基礎，在控制系統中至關重要。而對于不同的DCS系統必然要求不同的FCS型態，FCS的型態關系到集成性能的優劣，所以集成之前FCS的選型問題顯得尤其突出。選擇FCS時要綜合各種影響因素，應著重從以下方面給予考察：

（1）布線安裝

現場總線能節約大量布線和安裝費用， 但必須結合具體情況區別對待。對于一個新建的控制系統，現場總線的確能節省大量的電纜、接線端子和I/ O接口卡，但是對于一個改建工程， 更新已有的電纜和設備就不太經濟了，這時應考慮如何最大限度地利用現有的裝置設施。此外，還應根據系統的實際情況采用合理的網絡拓撲結構。FCS的初期投資中，布線安裝費用占了相當一部分，因此對于實際系統應充分合理地利用已有的結構和配置，以降低成本，優化系統性能。

（2）系統結構

FCS系統具有兩層結構，即控制層和執行層，而DCS系統是三層結構，即過程控制層、控制管理層和生產管理層。FCS中大量數據在執行層之間傳遞，同時現場設備的很多狀態和診斷信息要向上位監控機傳送，因此對網絡的實時性要求很高，在數據量很大的情況下可能會出現阻塞； DCS更多的信息是在層與層之間傳輸，容易實現遞階控制以及子系統之間的協調，但數據傳輸速度較慢。用戶在選擇時應就上述FCS與DCS的結構差異認真考慮，不能盲目放棄已有的DCS系統。

（3）可用性與兼容性

可用性指系統是否包括完整的系列產品以滿足用戶特定的需求以及具體產品的使用特性。具體到FCS， 就要考慮廠家是否提供從現場智能變送器、執行器到網絡管理設備、網絡轉換接口、人機接口界面的全系列產品。如果系統構成不完整，會給用戶的系統集成和實際應用帶來很大不便。此外， 還要考慮所選系統的向上和向下的兼容性，向下兼容性是對原有DCS系統的兼容性， 這對改建項目的用戶尤其重要； 向上兼容性則是對后續FCS系統的兼容性， 即提供相應的接口設備支持先進的網絡技術。

（4）開放性與互操作性

FCS最大的特點是采用統一的協議標準，因此具有很強的開放性和互操作性。雖然統一的協議是現場總線技術的發展方向，但是目前各廠家支持不同的現場總線協議標準，即已有的FCS 產品只能實現有限的開放性，因此用戶在實施FCS時，需要在其中做出選擇，詳細考查廠家所提供的現場總線網絡產品和現場智能設備是否通過權威機構的一致性和互操作性認證，是否能真正實現與其他廠家同協議產品的互連和互操作。在當前多種現場總線協議標準林立的情況下，用戶應選擇能最大限度地提供一致性和互操作性保證的現場總線產品。

（5）控制策略

FCS 更多地從網絡硬件上考慮對DCS的改進，對于控制策略的加強，FCS效果不明顯。DCS在先進控制方面已有多年應用，技術成熟。現場總線的功能模塊一般只能解決基本的控制問題，如果用戶希望通過FCS解決一些先進控制的難題，可以將FCS 集成到原有的DCS中，FCS實現基本的測控回路，DCS作為高一層的管理協調者實現復雜的先進控制和優化功能。

4 結論

現場總線控制系統FCS與集散控制系統DCS相比，具有價格低、性能好以及更加靈活等優勢。但從工業控制領域現狀來看，更多地考慮FCS與DCS的集成， 這樣一方面保留了DCS豐富的監控、協調管理功能，另一方面也發揮了FCS網絡化、分散化控制的優勢，從而以較低的成本應用現場總線新技術，提高生產過程的綜合自動化水平。■

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作者簡介：張新亮，（1981.1--）男，漢族，重慶渝北人，碩士，講師，研究方向：智能制造技術、數控技術與數控系統、PLC應用、金屬熱處理、材料成型技術。