集散控制系统DCS与现场总线控制系统FCS的技术关联及发展趋势

摘 要：现场总线控制系统FCS的技术发展迅猛，是当前在自动化领域里最具发展潜力的技术。本文着重介绍FCS技术与DCS技术的关联及发展趋势，并对有关技术过渡和工业以太网研究的有关技术作了介绍，相信未来工业以太网技术和FCS技术将最终取代DCS技术。

关键词：FCS现场总线；DCS集散控制系统；工业以太网；国际标准

中图分类号：TP273.5 文献标识码：A

1 引言

FCS是在DCS的基础上发展起来的，FCS顺应了自动控制系统的发展潮流，它必将替代DCS。这已是业内人士的基本共识。然而，任何新事物的发生，发展都是在对旧事物的扬弃中进行的，FCS与DCS的关系必然也不例外。FCS代表控制技术潮流与发展方向，但在现阶段FCS尚没有统一的国际标准而呈群雄逐鹿之势，而DCS则以其成熟的技术及广泛的应用而占居着一个尚不可完全替代的地位。

以工程成本与效益看，现场总线的根本优势是良好的互操作性；结构简单，布线费用低；控制功能分散，灵活可靠。然而这些优势是建立在新装 FCS系统的前提下，如果企业建立有完善的DCS，现在要向FCS过渡，则必须仔细考虑现有投资对已有投资的回报率。充分利用已有的DCS设施以及成熟的DCS控制管理方式来实现FCS是我们应选的策略。

虽然现场总线有优势可言，但向其过渡的代价与风险是必须分析清楚的。再者，从技术的继承及控制手段上，也要求FCS与DCS应相兼容。FCS实现控制功能下移至底层，各个现场设备节点的独立功能得以加强并完善现场底层设备间的数据通讯功能。

DCS适用于较慢的数据传输速率，而FCS则更适用于较快的数据传输速率，以及更灵活的处理数据。然而，当数据量超过一定值过于偏大时，则很容易导致数据网络的堵塞。要解决这个问题，拟设立一个适当的监控层用以协调相互通讯的设备，必然是有益的。可见，为使FCS的控制方式和手段完善化，是有必要借鉴DCS的一些控制思想的。

要把握新世纪工业过程控制的发展趋势，无论在学术研究或是工程应用方面都有必要使FCS综合与继承DCS的成熟控制策略；与此同时，DCS的发展也应追寻FCS控制策略的新思想，使其具有新的生命力。DCS应将底层控制权交付给FCS系统，将较高层的系统协调管理功能发扬光大，完成对新时代，新形势的工业控制系统的集成。

2 现场总线传输特点

现场总线控制系统（FCS）是顺应智能现场仪表而发展起来的。它的初衷是用数字通讯代替4-20mA模拟传输技术，但随着现场总线技术与智能仪表管控一体化（仪表调校、控制组态、诊断、报警、记录）的发展，在控制领域内引起了一场前所未有的革命。控制专家们纷纷预言：FCS将成为21世纪控制系统的主流。

然而就在人们对FCS寄托极大希望的时候，却没有注意到它的发展在某些方面的不协调，其主要表现在迄今为止现场总线的通讯标准尚未统一，这使得各厂商的仪表设备难以在不同的FCS中兼容。此外，FCS的传输速率也不尽人意，以基金会现场总线（FF）正在制定的国际标准为例，它采用了ISO的参考模型中的3层（物理层、数据链路层和应用层）和极具特色的用户层，其低速总线H1的传输速度为31.25kbps，高速总线H2的传输速度为1Mbps或2.5Mbps。而对西门子推出的PROFIBUS总线而言，虽然市场占有率相对较大，但由于受通讯线路长度的影响，在100M线路长度下最高通讯速率为12Mbps，这在有些场合下仍无法满足实时控制的要求。由于上述原因，使FCS在工业控制中的推广应用受到了一定的限制。当人们冷静下来对这些问题进行思考时，不禁想起了在商业网络中广泛应用的以太网。

以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势。由于它支持几乎所有流行的网络协议，所以在商业系统中被广泛采用。但是传统以太网采用总线式拓朴结构和多路存取载波侦听碰撞检测（CSMA/CD）通讯方式，在实时性要求较高的场合下，重要数据的传输过程会产生传输延迟，这被称为以太网的“不确定性”。研究表明，商业以太网在工业应用中的传输延迟在2～30ms之间，这是影响以太网长期无法进入过程控制领域的重要原因之一。

3 工业以太网的研究现状

近年来控制与通讯工程师们致力于新型工业以太网的研究工作，其中有代表性的是FF制定的快速以太网标准，其传输速度为100Mbps。综观工业以太网的研究现状，出现了两个值得注意的发展方向：以太网集线器和具有实时功能的以太网的协议。

3.1 以太网集线器

FF将以太网技术加入到H2协议中，并以它作为H2的底层协议，其网络采用星型拓朴结构。

集线器通过以太网I/O接口挂接现场设备，其中实时现场仪表和普通现场仪表分别挂接在不同的以太网I/O接口上。以太网I/O接口高速（约100 kHz）扫描所有实时现场仪表和通道组，然后传送数据包到上层控制器。

通常普通控制算法在现场控制器中进行，而高级控制算法则在上层控制器中进行，其控制输出经以太网集线器和以太网I/O接口传输到现场执行仪表。由于实时现场仪表挂接在专用的以太网入口地址，并用完全分离的线路传输数据，所以保证了实时数据不会产生传输延迟和线路阻塞。

集线器作为网络的仲裁器，除了控制通信双方的传输时间外，还对传输的数据包进行优先级设置，使每条信息都包含传输优先级等实时参数。此外智能化的集线器还可以动态检测需要通讯的现场设备所在以太网I/O口，并为之提供数据缓冲区，这样可大大缩短现场设备的响应时间和减少数据的重发次数。集线器与其它集线器相连可实现不同网络之间的数据共享。

经验证这种采用以太网集线器技术的FCS可使实时数据的延迟时间控制在200纳秒的范围之内，足以满足多数场合的实时控制要求。

3.2 在以太网的协议中加入实时功能

一些FCS的生产商（如ControlNet、Profibus和Modbus等）在开发自己的工业以太网FCS时，在工业以太网协议中加入实时功能，此项技术被称为“地道”，它其实就是在设备中加入特殊的协议芯片。

上述研究工作的进展为以太网进入FCS提供了可行性，但要使以太网能在FCS中发挥其强大的网络优势，以满足现代工业控制中日益增长的数据传输和信息传输种类（如语音、图象和视频等）的需要，还有待于研究工作取得更大的突破性进展。

3.3 尽快推出FCS国际标准的重要性

当今的FCS领域出现了世界各大厂商各自为战的混乱局面。由于各大厂商为了抢占市场急于推出自己的产品，而FCS的国际标准又迟迟不能出台所造成的。标准的不统一使各厂家推出的FCS成为一个个“自动化孤岛”，不同系统和现场设备的兼容性都很差。FCS的用户强烈呼吁尽快出台FCS的国际标准，以期望实现FCS的“互联网时代”。

1994年6月WorldFIP和ISP联合成立了FF，它包括了世界上几乎所有的著名控制仪表厂商在内的100多个成员单位，致力于IEC的FCS国际标准化工作。但由于部分成员为了自身利益，力图阻止FCS的国际标准出台，形成了FF的FCS国际标准难以“一统天下”的令人担忧的局面。解决这一问题的途径是：一是要求FF在其国际标准中推出完善的用户层和严格的互操作性的产品认证；二是提高用户抵制非国际标准的FCS的自觉性。

必须说明的是工业以太网FCS中，其现场级总线的传输速度并不理想。这是因为工业以太网还只是在上层控制网络中应用，而许多厂商出于安全考虑，在许多技术问题没有解决之前，现场级尚未使用工业以太网，所以FCS总体的传输速度没有什么质的飞跃。为了实现以太网向现场级的延伸，除了改进以太网的通讯协议之外，还需要解决网络的本安、现场设备的冗余和通过以太网向现场仪表供电等技术问题。

3.4 PLC与DCS

PLC是由早期继电器逻辑控制系统与微型计算机技术相结合而发展起来的。它是以微处理器为主的一种工业控制仪表。它融计算机技术、控制技术和通信技术于一体，集顺序控制、过程控制和数据处理于一身，具有可靠性高、功能强大、控制灵活、操作维护简单等优势。近几年来，可编程序控制器及组成系统在我国冶金、电力、石化、矿业、水处理等行业更是到了广泛的应用，并取得了一定的经济效益。

在工业生产过程中，用户关心的不只是一个控制系统，因为它只是整个生产过程的一部分。他需要了解整个控制系统。例如，电厂通过生产原料煤和水而发电。因此生产过程控制（PCS）的方式最好是分散进行。而监视、操作和最佳化管理应以集中为好。随着工业生产规模不断扩大，控制管理的要求不断提高，过程参数日益增多，控制回路越加复杂，在70年代中期产生了集散控制系统DCS。DCS是集计算机技术、控制技术、网络通信技术和图形显示技术于一体的系统。与常规的集中式控制系统相比有如下特点：

3.4.1 实现了分散控制。它使得系统控制危险性分散、可靠性高、维护方便。

3.4.2 实现了集中监视、操作和管理。使得管理与现场分离，管理更能综合化和系统化。

3.4.3 采用网络通信技术。这是DCS的关键技术，它使得控制与管理都具实时性，并解决系统的扩充与升级问题。

目前，由于PLC把专用的数据高速公路改成通用的网络，使得PLC 有条件和其它各种计算机系统和设备实现集成，以组成大型的控制系统，这使得PLC 系统具备了DCS的形态，基于PLC的DCS系统目前在国内外都得到了广泛的应用。

4 DCS向FCS系统的过渡及其发展方向

DCS系统的发展必将是在DCS的基础上发展FCS，因为FCS顺应了自动控制系统的发展潮流。

FCS是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信网络。它也被称为现场底层设备控制网络。80年代以来，各种现场总线技术开始出现，人们要求对传统的模拟仪表和控制系统变革的呼声也越来越高，从而使现场总线成为一次世界性的技术变革浪潮。美国仪表协会（ISA）于1984年开始制订现场总线标准，在欧洲有德国的PROFIBUS和法国的FIP等，各种现场总线标准陆续形成。其中主要的有：基金会现场总线FF（Foundation Fieldbus）、控制局域网络CAN（Controller Area Network）、局部操作网络LonWorks（Local Operating Network）、过程现场总线PROFIBUS（Process Field Bus）和HART协议（Highway Addressable Remote Transducer）等。但是，总线标准的制定工作并非一帆风顺，由于行业与地域发展等历史原因，加上各公司和企业集团受自身利益的驱使，致使现场总线的国际化标准工作进展缓慢。但是不论如何，制定单一的开放国际现场总线标准是发展的必然。

FCS想要在实际中取代DCS，既要具备DCS所具有的功能，又要能克服DCS的缺点。FCS由于采用了现场总线技术，在开放性、控制分散等方面优于传统DCS。但是由于它是一种新技术，目前连标准本身都还没有制定统一，因此FCS与成熟的DCS相比，还存在下列的一些欠缺。

4.1 由于现场总线标准本身尚在发展中，从而给产品的开发和测试带来难度。这在一定程度上造成产品开发商、生产商少，产品品种单一而且价格昂贵。

4.2 在某些场合中，FCS还无法提供DCS已有的控制功能。由于软硬件水平的限制，其功能块的功能还不是很强，品种也不够齐全；用现场仪表还只能组成一般的控制回路如单回路、串级、比例控制等，对于复杂的、先进的控制算法还无法在仪表中实现，对于单回路内有多输入、多输出的情况缺乏好的解决方案。

由于以上这些原因，FCS取代DCS将是一个逐渐的过程。在这一过程中，会出现一些过渡型的系统结构，如在DCS中以FCS取代DCS中的某些子系统。用户将现场总线设备连接到独立的现场总线网络服务器，服务器配有DCS中连接操作站的上层网络接口，与操作站直接通信。在DCS的软件系统中可增添相应的通信与管理软件。这样不需要对原有控制系统作结构上的重大变动。

5 结束语

总之，各种形式的现场总线协议并存于控制领域。在楼宇自控领域，Lonworks和CAN网络具有一定的优势；在过程自动化领域，主要有过渡型的HART协议、得到广泛支持的FF现场总线协议以及具有竞争力的PROFIBUS协议。HART协议是智能化仪表的主要通信协议；基金会现场总线是过程自动化领域中较有前途的一种现场总线，得到许多自动化仪表设备厂商的支持；由于Lonworks技术的开放性，国内出现了利用它开发控制系统的许多开发商。考虑到统一的开放式现场总线协议标准制定的长期性和艰巨性，传统DCS的退出将是一个渐进过程。在相当长的一段时期内，会出现几种现场总线共存、同一生产现场有几种异构网络互连通讯的局面。但是，共同遵从统一的标准规范，真正形成开放式互连系统，是大势所趋。

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（本文审稿 唐穗欣）