传统控制系统与基于现场总线技术的先进控制系统

【摘 要】文章介绍了现场设备及总线的概念和发展状况，传统控制系统向现场总线的演变，简要介绍了各自的技术特点，并就现场总线的应用前景进行了论述。

【关键词】现场总线；FCS；PLC；DCS；分散控制系统

1. 概述

随着信息技术的飞速发展，引起了工业自动化系统结构的深刻变革。信息交换的范围正迅速格覆盖从工厂的管理、控制到现场设备层的各个层次，并逐步形成了全分布式网络集成自动化系统和以此为基础的企业信息系统。现场总线（Fieldbus）就是顺应信息技术的发展趋势和适应工业控制系统的分散化、网络化、智能化发展方向而发展起来的新技术，因此它的出现和发展便成为全球工业自动化技术的热点之一，受到全世界技术界和工业界的普遍重视。

简而言之，现场总线控制系统（Fieldbus control system - FCS）是将各种现场设备与上一级的监控装置相互联接在一起的全数字化的、串行、双向、多站的网络通信系统。它的技术特点是控制系统的更加开放性和控制功能的更加分散性（一直分散到现场设备）。而支持这一高新技术成为现实的是二十世纪迅速发展起来的数字通信技术、网络技术和微电子技术。

严格地讲，现场总线不是产品，而是一门高新技术。但是任何一种高新技术都要以某种实物形态去展现其功能与价值。因此，随着现场总线技术的诞生与发展，一个与之相适应的产品群体应运而生。它既由来于现场总线技术，又反过来促进这一技术的迅猛发展。总线化的现场设备就是现场总线技术中最基础的，也是最重要的相关产品。

现场总线技术以其先进性、实用性、可靠性、开放性的优点，必然成为未来自动化技术发展的主流。基于现场总线的控制系统与人们预想的一样，对传统的PLC、DCS系统形成了巨大的冲击。FCS已不再是一种预测、一种设想，而是实实在在地作为先进控制系统产品而被人们所接受。

2. 传统的控制系统（PLC、DCS）向基于现场总线控制系统（FCS）的演变

现场总线技术的一个显著特点是其开放性，允许并鼓励不同厂家按照现场总线技术标准自主开发具有特点及专有的产品。因此，现场总线技术引入自动化控制系统，促使传统控制系统结构演化，逐步形成基于现场总线的控制系统FCS。

2.1 从PLC到工业PC。

（1）在传统的控制系统中，控制器（或称CPU、或处理器）与I/O模块及其它功能模块、机架等为同一产品，有一致的物理结构设计。典型的结构是I/O模块及其它功能模块通过机架背板上的总线连接。机架扩展也是自定义总线的扩展。这些产品连接技术是封闭的，第三方想开发兼容产品必须得到厂家的许可。

（2）基于现场总线的控制系统中，控制器与现场总线设备（I/O模块、功能模块及传感器、变送器、驱动器等）连接是通过标准的现场总线，因此没有必要使用与控制器捆绑的I/O模块产品（这与插在PLC机架上的I/O模块的配置方法不同），可使用任何一家的具有现场总线接口的现场设备与控制器集成。因此控制器趋向于采用标准的、通用的硬件平台即工业计算机（Industrial compact computer）。

2.2 采用通用工业计算机做控制系统控制器有以下优点：

（1）开放性、标准化系统软件与控制器硬件不再是捆绑关系，专业自动化厂家可以独立开发不依赖与控制器品牌的FCS系统软件。基于Windows/NT操作系统平台，具有大量的标准的软件工具和数据文件格式可以兼容。

（2）价格通用的工业计算机容易形成规模化生产，因此其价格比PLC便宜。

（3）性能指标高、产品更新换代快通用的工业计算机搭乘PC及技术的快车，技术指标高，产品更新换代快。

（4）向上连接计算机管理网络（如IEC802.3TCP/IP等）技术成熟、方便。并可以借用ODBC、SQL等技术与管理数据库方便连接。

3. 从PLC的I/O模块到现场总线分布式I/O

在FCS系统中，插在控制器机架上的I/O模块（传统的控制系统结构）将被连接到现场总线上的分散式I/O模块所取代。分散式I/O不再是控制器厂家的捆绑产品，而是第三方厂家的产品；廉价的、专用的、具有特殊品质的I/O模块（如防护等级、安全系统高、高压、大电流信号等）将具有广阔的市场。FCS的控制器与传统PLC配置方式比较如图1。

从图1可以看出，传统的控制系统（包括：基于PC、PLC、DCS产品的分布式控制系统），其主要特点之一是，现场层设备（包括变送器、执行器、在线分析仪表及其它检测仪表等）与控制器之间的连接是一对一（一个I/O点对设备的一个测控点）所谓I/O接线方式，信号传递4－20mA（传送模拟量信号）或24VDC（传送开关量信号）信号。系统的主要缺点是：

（1）信息集成能力不强：控制与现场设备之间靠I/O连线连接，传送4－20mA模拟量信号或24VDC等开关量信号，并以此监控现场设备。这样控制器获取信息量有限，大量的数据如设备参数、故障及故障记录等数据很难得到。

（2）系统不开放、可集成性差，专业性不强：除现场设备均靠标准4－20mA/24VDC连接，系统其它软、硬件通常只能使用一家产品。不同厂家产品之间缺乏互操作性、互换性，因此，可靠性差。这种系统很少留出接口，允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，面向行业的控制系统较少。

（3）可靠性不易保证：对于在范围的分布式系统，大量I/O电缆及敷设施工，不仅增加成本，也增加了系统的不可靠性。

（4）可维护性不高由于现场设备信息不全，现场级设备的在线故障诊断、报警，记录功能不强。另一方面也很难完成现场设备的远程设定、修改等参数化功能，影响了系统的可维护性。

基于现场总线技术的控制系统，使用一根通信电缆，将所有具有统一的通信协议通信接口的现场设备连接，这样，在设备层传递的不再是I/O（4－20mA/24VDC）信号，而是基于现场总线的数字化通信，由于数字化通信网络构成现场级与车间级自动化监控及信息集成系统。由此可见基于现场总线的控制系统克服了传统控制系统所存在的不足，使得系统的信息集成能力增强，开放性、可操作性、互换性、可集成性能好，增强了系统的开放性、可集成性和专业性，保证了系统的可靠性、可维护性，由于省去了大量的电缆、I/O模块及电缆敷设工程费用，因而大大降低了系统及工程成本。

4. 结束语

回顾控制系统半个多世纪的发展历程，我们发现，随着微电子技术、控制理论与控制技术、数字通信技术的发展，DCS成了解决过程自动化最成功的系统。七十年代末DCS已着手将控制功能由集中向分散转移。但是由于受到现场仪表在数字化、智能化等方面的限制，以及DCS自身的困扰，它没有能够将控制功能彻底的分散到现场，如今FCS的出现已经使将控制功能分散到现场仪表上成为必要和可能。由于FCS具有DCS无可比拟的优势，使得FCS在未来的控制领域中有着广泛的应用前景，毕竟FCS是一门新的正在发展的高新技术，它的出现对人们来说还有一定的认识过程，正如我们当初认可DCS技术一样，只要FCS日趋成熟，标准统一，现场仪表的数字化、智能化问题能很好地得到解决，其市场前景将不可估量。

注：本文中提到的一些名词及缩写：

FCS：现场总线技术的先进控制系统（Fieldbus Control System-FCS）。

现场设备：指现场级检测及执行设备，如传感器、变送器、开关设备、驱动器、执行机构、指示及显示设备、人机操作接口等。

控制器：现场总线中的一个主站节点。至少具备总线通信与管理、逻辑执行等功能。

基于PLC的控制系统：指以PLC、远程I/O及PLC网络为基础的分布式控制系统。