现场总线技术与DCS系统技术

引言 

　　 工业控制网络技术与计算机技术、网络技术和控制技术的发展息息相关，并且它是在现代化对工业生产的要求下提出与发展起来的。在20世纪60年代，模拟仪表被人们用微处理器和一些外围电路构成的数字仪表所取代，这种控制方式被称为直接数字控制（Direct Digital Control--DDC），提高了系统的控制精度和控制的灵活性。20世纪80年代中后期，控制回路进一步增多，简单的DDC系统已经不能满足当时的管理要求。于是，分层控制系统应运而生。之后由于计算机网络技术的飞速发展，同时生产过程和控制系统也进一步复杂化，计算机网络技术被应用到了控制系统的前置机之间和上位机的数据传输中。其中，前置机与上位机之间的数据传输更改为采用计算机网络实现。同时，上位机与普通站点，它们完成的逻辑功能不同。此外，上位机增加了网络的配置功能。这样的控制系统称为集散控制系统，即Distributed Control System—DCS。20世纪80年代后期，人们对DCS进行了改进，在DCS的基础上开始开发适用于工业环境的网络协议和网络结果，并且实现了传感器、控制器层的通信，即为现场总线（Field-Bus）。

1 关于现场总线技术 

1.1 现场总线的概念 

　　根据国际电工委员会IEC61158标准的定义，现场总线是指应用在制造过程区域现场装置和控制室内自动控制装置之间的包括数字式、多点、串行通信的数据总线，即工业数据总线。是开放式、数字化、多点通信的底层通信网络。以现场总线为技术核心的工业控制系统，称为现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System），它是自20世纪80年代末发展起来的新型网络集成式全分布控制系统。

1.2 现场总线技术 

　　现场总线技术将专用的微处理器置入了传统的测量控制仪表，使其各自都具有了多多少少的数字计算和数字通信能力，成为能独立承担某些控制、通信任务的网络节点。它们通过普通双绞线、光纤、同轴电缆等多种途径进行信息传输，这样就能够形成以多个测量控制仪表、计算机等作为节点连接成的网络系统。该网络系统按照规范和公开的通信协议，在位于生产现场的多个微机化自控设备之间，以及现场仪表与用作管理、监控的远程计算机之间，实现数据传输与信息共享，进一步构成了各种适应实际需要的自动控制系统。 如图一所示，为一简单的现场总线系统。

1.3 现场总线的分类 

　　典型的现场总线技术包括了基金会现场总线FF（Foudation Fieldbus），LonWork现场总线，Profibu现场总线，CAN现场总线以及HART现场总线。 

1.4 现场总线技术的特点 

　　现场总线技术具有系统的开放性，互可操作性与互用性，现场设备的智能化与功能自治性，系统结构的高度分散性以及对现场环境的适应性等。 其中开放系统是指通信协议的公开，不同厂家的设备之间也可以互联并互相交换信息。一个开放系统可以与任何遵守相同标准的其他设备、系统相连接。这样用户才可以按照自己的需要把来自不同供应厂商的产品自由组合。 除此之外，现场总线技术还具备以下优点：节省硬件数量与投资，节省安装费用，节省维护开销，用户具有高度的系统集成主动权以及提高了系统的准确性与可靠性。

2.1 DCS系统的概念 

　　集散控制系统，英文为Total Distributed Control System，即为DCS系统。它是20世纪70年代中期发展起来的分散型计算机控制系统，并且以微处理器为基础，同时结合了控制技术、通信技术、计算机技术、网络技术和阴极射线管图形显示技术。该装置是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种全新的分布式计算机控制系统。 如图二所示，为DCS系统。

2.2 DCS系统的组成 

　　迄今为止，全世界已经开发各种类型的DCS系统千余种。虽然各具特色，但是它们在系统组成和控制功能等方面，都有共同的特点。集散控制系统基本上都由分散过程监控装置、集中操作管理装置和通信系统三大部分组成。其结构如图三所示。

2.3 DCS系统的基本功能 

　　DCS系统虽然形式多样，但是其具备的功能基本上是一样的，包括：输入处理功能、输出处理功能、控制功能、通信功能、人-机接口功能、自诊断功能以及冗余技术、

2.4 DCS系统的优越性 

　　运用分散控制和集中显示、集中操作、集中管理这一基本思想构成的DCS，具有的特点为：控制功能完善、完善的人-机联系和集中监控功能、系统扩展灵活、安全可靠性高、安装调试简单以及具有良好的性能价格比。

3 现场总线技术与DCS系统的联系 

3.1 现场总线技术的发展 

　　现场总线技术的发展体现在两个方面，一个是高速现场总线技术的发展，另外一个是低速现场总线领域的继续完善和发展。 就现在而言，现场总线产品主要针对的是低速总线产品，用于运行速率较低的领域，对网络的性能要求不高。而高速现场总线主要应用于互联控制网、连接控制计算机、处理速度快的设备以及实现低速现场总线网间的连接，是充分实现系统的全分散控制结构所必须的。但是目前高速现场总线这一环节还相对薄弱。 总体来说，自动化系统与设备将向现场总线体系的结构改变，并且向着趋于开放统一的方向发展。同时，在单独的现场总线体系下不可能只容纳单一的标准，加上商业利益的驱使，各种现场总线技术都在十分激烈的市场竞争环境中求得发展。所以有理由认为，在将来的不久，集中总线标准的设备通过路由网关互联并且会实现信息共享的局面。

3.2 DCS系统的发展 

　　成熟期集散控制系统的研制工作，一方面是硬件和软件技术的不断更新，另一方面是开发高一层次的信息管理系统，以适应企业发展的需要。从硬件结构上看，这一时期的DCS都在网络节点上连接了系统管理模件，此外还增加了网间连接器。再之后，DCS把过程控制，监督控制，管理调度更有机地结合了起来。其特点是综合化、开放化和现场级的智能化。20世纪90年代以后，随着通信技术、半导体集成技术等的快速发展，以及人们对控制和管理要求的不断提高，出现了新一代的DCS系统。