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案例頻道1．引言
集散型控制系統DCS(Distribution Control System)自70年代中期問世以來，已在過程控制領域成功地應用了近30年。DCS以其體系結構上的優勢―集中控制、分級管理、危險分散，在各個領域的實際應用中取得了相當大的成效，并為業界人士所認同。然而，由于DCS本身以及控制設備存在一些實際問題，諸如系統綜合信息能力差、系統構成復雜、各生產商的產品可互操作性差以及現場儀表與控制設備不具備雙向通信能力、控制速度不能滿足實際要求等，使DCS系統應用受到一定約束[1]。
隨著控制技術、計算技術、通信技術、網絡技術以及模塊化集成技術的發展，在80年代中后期出現現場總線控制系統FCS(Fieldbus Control System)。它是企業的底層數字通信網絡，是連接微機化儀表的開放系統。隨著科技水平的日益提高，多種現場總線技術己經在各自的領域發揮了優勢，顯示了強大的生命力。現場總線使現場儀表與控制系統和控制室實現了網絡互連和全分散、全數字化、智能、雙向、多變量、多點、多站的通信，改變了傳統上運用的4--20mA的模擬信號標準，是工控系統全數字化的一個變革。譬如,僅PROFIBUS現場總線技術到2003年末在世界范圍內安裝PROFIBUS現場總線已達1000萬，PROFIBUS設備的制造商與2001年相比增長了30%，而且僅在2004年安裝PROFIBUS現場總線就達260萬。PROFIBUS用戶協會遍布于歐洲、美洲、亞洲、非洲和澳大利亞，在歐洲市場的占有率大于40%，廣泛應用于加工自動化，樓宇自動化，過程自動化，發電與輸配電等領域，且運行穩定可靠[2]。
2． 現場總線的簡介
現場總線(FIELD BUS)是應用在生產現場、在微機化測量控制設備之間實現雙向串行多節點的數字通信系統，也被稱為開放式、數字化、多點通信的底層控制網絡。IEC對現場總線的定義是:“安裝在制造和過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式，雙向串行傳輸，多點通信的數據總線稱為現場總線。”這種總線是用做現場控制系統的、直接與所有受控設備節點進行串行相連的通信網絡，按ISO的OSI標準提供網絡服務，可靠性高，穩定性好。目前，國際上已經出現的現場總線有幾百種，而其中典型的有一定影響并占有一定市場份額的主要有基金會現場總線(FF)、CAN、PROFIBUS、Lonworks、HART等[3]。而現場總線控制系統自上世紀九十年代走向實用化以來正以迅猛的勢頭快速發展，是目前世界上最新的控制系統。是目前自動化技術的一個熱點，正受到國內外自動化設備制造商與用戶越來越強烈的關注。現場總線控制系統將給自動化領域帶來又一次革命，其深度和廣度將超過歷史上的任何一次，從而開創自動化的新紀元。
3．FCS和DCS的比較
3.1信號的傳輸方式不同
DCS大多為模擬數字混合系統，尚未形成從測控設備到操作控制計算機的完整網絡在技術上有很大的局限性。由于采用單一信號傳輸，以至可靠性差，互操作性差，不能很好的對現場設備進行實時控制。FCS是一種分步式的網絡自動化系統，其基礎是現場總線，形成了從測控設備到操作控制計算機的數字通信網絡，適應了網絡發展的要求，因而成為控制網絡的發展趨勢。
3.2通信協議不同
DCS由于采用獨家封閉的通信協議，給用戶的系統集成和應用造成了不便。也就是說，不同廠家的設備不能互連在一起，系統和外界之間的信息交換難于實現。這樣的用戶就成了一個個“信息孤島”，從而制約了信息的集成化。FCS采用的是一套標準的通信協議，把測控設備和控制系統完美的結合在一起。通俗的說，測控設備和控制系統采用的是同一種公用的、數字化的語言，它們之間可以進行良好的溝通，從而使設備之間的互操作變得方便、快捷，使系統集成中的主動權完全掌握在用戶手里。
3.3 DCS和FCS結構不同
DSC采用了多級分層網絡結構、點對點的接線方式。它集多種功能于一臺計算機上，無論是軟件系統還是硬件系統，都顯得十分龐大。多種功能往往需要多實時任務去完成，因而效率不高。如今FCS用一根通信電纜同時連接多臺設備，形成真正分散在現場的完整的控制系統，做到了徹底的分散控制，使系統的靈活性、自治性和可靠性提高了。如圖1。
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3.4 DCS與FCS的結構可靠性不同
3.4.1從可靠系數上分析
設DCS和FCS的可靠系數分別是KD、KF。設DCS的變送器、控制器的1/0接口、執行器的可靠系數分別是K1、K2、K3；FCS 的變送控制器和執行器的可靠系數為K1、K3，那么KD=K1*K2*K3； KF =K1*K3。因為K1、K2，、K3<1，所以KD< KF，即FCS的可靠性高于DCS。可見，DCS的軟件體系是龐大的，運行不便，可靠性不高。
3.4.2從傳輸方式上分析
DCS的模擬信號傳輸不僅精度低，而且易受干擾。作為傳統的自封閉式的信息交互和共享，DCS使設備成為了“信息孤島”，現場底層傳感器和數據采集器之間采用的是模擬信號傳輸，抗干擾能力差。FCS采用了智能化與數字化，與模擬信號相比，受干擾的頻率低，實時性很強。DCS只接收現場儀表單一的模擬信號，它的通信方式是主從式通信，通信層次比較多難以做到及時診斷。如果每一次的通信速率都很快，那么通信延時應與響應延時相匹配。為了獲得較為迅速的通信響應，每一層允許的通信最大延時時間都比較短，有可能發生信號傳輸的層次跳躍。也就是說，從下層取得的數據難以返回上層。FCS在信息的傳輸中隨時可以把自身的信號幀發送給計算機，它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場設備中完成，使控制周期可以從DCS的2-5次/秒縮短至10-20次/秒，并可隨時診斷設備的運行狀態，能夠察覺設備中的隱患并及時排除故障，進一步提高了系統的穩定性。
3.4.3從結構上分析
FCS將DCS的三層典型結構簡化成兩層結構，DCS的控制站在FCS已不存在，設備數量減少了；DCS的信息采用一條信息線路進行傳輸。如果該條線路癱瘓，那么所有監控的數據將全部丟失。I/O控制卡一旦損壞，會影響到多個回路。FCS利用多臺計算機數據實行實時監控，網絡中的計算機的關系不是主從的而是平等的，并且系統可以實現擴充與升級。FCS不用冗余的I/O卡，而采用了現場總線安全柵，如果現場設備或導線遭到破壞，最多影響到1-- 2個回路，避免了DCS損壞I/O卡影響若干回路的情況，使控制徹底分散，因而每個回路的自治性好。
3.5 DCS與FCS的成本不同
3.5.1投資費用不同
FCS的硬件數量遠遠少于DCS，還可以用工控PC機作為操作站，省略了DCS中昂貴的控制站，從而節省了一大筆投資。另外，隨著控制站與I/O柜的取消，控制室的面積也大大減小了。
3.5.2安裝費用不同
DCS的現場底層傳感器和數據采集器之間采用了一對一的物理連線，所以布線的面積很大，導致現場作業量很大。FCS避免了DCS中冗余的電纜，實現了簡單的接線，即一對雙絞線或一條電纜上就可以掛接多個設備。如果需要新增測控設備，那么在原有的電纜上就近掛載就可以了，省去了增設新電纜的麻煩。
3.5.3維護費用不同
DCS傳輸的是4-- 20mA的模擬信號，用戶往往需要猜測設備或傳感器的好壞以及設備不當所造成的限幅，從而使準確度降低。FCS的數字通信含有大量的診斷信息，用戶可以方便的查詢所有設備的運行，能夠及時發現潛在的故障并消除隱患，同時系統的結構簡化了，維護起來省時省力。
據統計，采用FCS控制系統與DCS控制系統相比整體系統成本可節省30%，并可減少控制室的占地面積。
4.結束語
總的來說，現場總線控制系統FCS與集散控制系統DCS相比，價格低、性能好、優勢明顯，但是從集散控制系統DCS到現場總線控制系統FCS的轉化，的確需要一段過渡時間。其原因是現場總線控制系統FCS使用的設備為全數字現場儀表，將企業現有的傳統模擬儀表全部更新換代會造成巨大的浪費。針對這一情況，一些公司相應地開發出信號轉換的現場總線儀表和現場總線的PLC，把模擬量和開關量采集后轉換成現場總線形式的信息，再進入現場總線控制系統；把一些現場總線形式的信息轉換成相應模擬量和開關量輸出給執行機構。然而，這只是集散型控制系統DCS被現場總線控制系統FCS取代的一個過程，這種現象存在只能是暫時的，因為采用現場總線技術，現場設備的管理信息大大增加，包括諸如功能塊組態，參數狀態，診斷和驗證數據，及過程條件等，而DCS無法容納如此巨大的數據量。而且，如此集成的混合系統，多數硬件難以減少，會較純粹的現場總線系統昂貴。因此，現場總線與DCS共存，可能但不可行。從長遠的觀點來看，集散型控制系統DCS必將被現場總線控制系統所代替。
參考文獻
[1] 林德秋.試談FCS與DCS [J].自動化與儀器儀表，1999(1)
[2] Norman P.Aquino.“Profibus set to become de facto standard in automation technology”[J].Business World,2005[4]
[3] 陽憲惠.現場總線技術和應用 [M].北京：清華大學出版社，2003
[4] 龔成龍，丁兆奎.集散控制與現場控制的比較及對FCS技術的展望 [J].淮海工學院學報，2000（3）
[5] 黃明鑄.PLC DCS FCS三大控制系統的特點和差異[J].中華紙業,2005(4)
[6] 郝仙庭. FCS是工業控制系統的發展趨勢 [J].儀器儀表與分析監測，2004(2)
[7]“Fieldbus in the future”.Process Engineering, 2005(3)
[8] David Greenfield. “Fieldbus jump predicted”.Control Engineering, 2004(4)
作者簡介：卞和營（1971－ ），男，河南省平頂山市人，講師，西南林學院在讀研究生，主要從事現場總線控制技術的研究。
楊 承（1951－），男，云南省昆明市人，教授，主要從事自動控制系統的研究和和教學工作。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號