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    羅  安（1946－）
男，研究員級高級工程師，享受國家政府特殊津貼專家。長期從事自動化控制系統(tǒng)的研究開發(fā)、工程應(yīng)用工作，現(xiàn)任北京和利時系統(tǒng)工程股份有限公司總工程師。

摘要：本文從控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)入手，分析了現(xiàn)場總線這一熱點技術(shù)對當(dāng)前控制系統(tǒng)的發(fā)展所帶來的影響，并從應(yīng)用角度提出了控制系統(tǒng)今后的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線（FB）；控制系統(tǒng)；現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）；網(wǎng)絡(luò)；通信協(xié)議

Abstract: This paper analyses how the Field Bus, a hotspot technology, affects the current progress of control systems by using its system architecture. The paper also forecasts the trends of control systems in application fields.

Key words: Field Bus (FB), Control Systems, Field bus Control Systems (FCS), Network, Communication Protocol

1 現(xiàn)場信號的通信將從模擬方式走向數(shù)字方式

    對于一個控制系統(tǒng)來說，其前端的測量和后端的控制是最基礎(chǔ)的功能，執(zhí)行測量、控制功能的設(shè)備也是控制系統(tǒng)中最為重要、不可或缺的組成部分。完成測量功能的設(shè)備一般稱作傳感器和變送器，而完成控制功能的設(shè)備則稱為執(zhí)行器，這些設(shè)備又統(tǒng)稱為現(xiàn)場設(shè)備，即直接與現(xiàn)場連接的設(shè)備，是控制系統(tǒng)與被控對象的接口。

    現(xiàn)場設(shè)備要正常工作并完成系統(tǒng)賦予它的功能，必須要解決兩大問題，一是現(xiàn)場設(shè)備本身的供電問題（某些傳感器不需供電，如熱電偶），另一個是系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備之間的信號傳輸問題。供電的問題比較好理解，任何設(shè)備要正常工作，就必須由供電電源為其提供所需的能量；而信號的傳輸問題則比較復(fù)雜。

    上面談到，現(xiàn)場設(shè)備是控制系統(tǒng)與被控對象之間的接口，因此現(xiàn)場設(shè)備是一個“兩面”的設(shè)備：一方面，現(xiàn)場設(shè)備需要與被控對象實現(xiàn)信號的傳輸，另一方面，現(xiàn)場設(shè)備還要與系統(tǒng)進(jìn)行信號的傳輸。這是由于被控對象所產(chǎn)生的測量信號和施加于被控對象的控制信號大多不是規(guī)范的電信號（電流、電壓等），必須經(jīng)過現(xiàn)場設(shè)備的轉(zhuǎn)換，使其成為便于控制系統(tǒng)處理的、統(tǒng)一規(guī)格的電信號。一般情況下，現(xiàn)場設(shè)備都會安裝在現(xiàn)場，即被控對象一側(cè)，與測量控制元件形成了一個一體化的設(shè)備，而控制系統(tǒng)則安裝在集中控制室中。因此現(xiàn)場設(shè)備與被控對象之間的信號連接往往不認(rèn)為是傳輸問題，而只把現(xiàn)場設(shè)備與控制系統(tǒng)之間的信號連接看成是信號傳輸。

    在以常規(guī)儀表組成的模擬控制系統(tǒng)（一般指電動單元組合儀表）中，現(xiàn)場設(shè)備通過標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA電流來表示測量值，控制單元使用模擬技術(shù)進(jìn)行控制運算并輸出用4-20mA電流表示的控制值，現(xiàn)場設(shè)備使用這個控制值實施控制；而在以計算機(jī)為控制器的數(shù)字式控制系統(tǒng)（如DCS、PLC等）中，系統(tǒng)首先要將現(xiàn)場設(shè)備的4-20mA測量值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，即進(jìn)行數(shù)字化，經(jīng)過計算機(jī)的運算后產(chǎn)生控制值，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換形成4-20mA的控制值，由現(xiàn)場設(shè)備實施控制。

    習(xí)慣上，數(shù)字式控制系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換均被認(rèn)為是控制系統(tǒng)的一個組成部分，因此無論是模擬控制系統(tǒng)還是數(shù)字控制系統(tǒng)，其與現(xiàn)場設(shè)備的信號傳輸均采用4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號。可以說這是一個沿用了多年，并得到廣泛認(rèn)可、成熟可靠的信號傳輸標(biāo)準(zhǔn)。

    進(jìn)入新世紀(jì)以后，隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對現(xiàn)場與控制系統(tǒng)之間的信號傳輸提出了更高的要求。原來以4-20mA標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的傳輸體系只能夠傳輸一個信號，或是測量值，或是控制值，除此而外沒有其它信息。但這個信號的質(zhì)量如何，例如是否因斷路或短路而使信號表現(xiàn)為最大值或最小值，或是否由于在信號傳輸過程中被干擾而與實際值產(chǎn)生了較大的偏差等，這些信息均無法體現(xiàn)。雖然4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)比0-10mA的標(biāo)準(zhǔn)在斷路或短路檢測方面有了很大的改進(jìn)，但其能力仍然是有限的。另外，對于現(xiàn)場除測量和控制值以外的信息傳輸，如現(xiàn)場設(shè)備本身的診斷信息、被控對象的參數(shù)和運行狀態(tài)信息等，4-20mA標(biāo)準(zhǔn)是完全無能為力的。隨著自動化系統(tǒng)的控制功能不斷地完善和深入，控制系統(tǒng)越來越走向集成化，即除了基本的回路控制以外，還需要控制系統(tǒng)完成更加復(fù)雜的綜合控制和協(xié)調(diào)控制，系統(tǒng)從單一的設(shè)備控制發(fā)展到多設(shè)備、多工序的聯(lián)合控制。另外，控制系統(tǒng)也越來越多地與企業(yè)的生產(chǎn)調(diào)度、經(jīng)營管理相結(jié)合，形成從底層控制到高層管理一體化的完整系統(tǒng)。在這樣的發(fā)展趨勢推動下，模擬傳輸體系所固有的通信能力差的問題越來越突出，而以數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)通信替代模擬信號傳輸?shù)囊笠苍絹碓狡惹小?br />
    由于模擬信號傳輸體系的上述不足，數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)傳輸體系自然受到了極大的關(guān)注。數(shù)字傳輸?shù)淖畲筇攸c是可以攜帶巨大的信息量，其數(shù)量比模擬信號傳輸要大成百上千倍。而且，數(shù)字信號的傳輸可以施加有效的校驗手段，以保證信號能夠無失真地進(jìn)行傳輸，因此有極強的抗干擾能力。在進(jìn)行信息集成方面，數(shù)字通信更是有著無可比擬的優(yōu)勢。

2 數(shù)字通信方式面臨的問題

    雖然數(shù)字信號傳輸體系比模擬信號傳輸體系有著巨大的優(yōu)勢，但要大規(guī)模應(yīng)用并取代模擬信號傳輸體系還要解決不少問題。

    首先，是信號傳輸?shù)膶崟r性問題。對于模擬信號來說，由于采用了一個電流值來表示物理量的大小，而這個電流的瞬時值隨時可以測量，即使通過較長的傳輸線，信號的延遲也僅僅是電子傳遞時間，因此可以認(rèn)為其對物理量的表達(dá)基本上是沒有延遲的。而數(shù)字信號則不同，由于數(shù)字信號是用一串0或1組成的“比特流”來表達(dá)物理量的值，因此要得到一個物理量，就必須將表達(dá)該物理量的所有比特完整地接收下來，然后才能夠得到物理量的值。顯然，這個過程是需要時間的，其長短與傳輸線路的“比特率”有關(guān)，同時還與在同一條線路上傳輸?shù)男盘枖?shù)量有關(guān)。這樣，在數(shù)字信號傳輸體系中，我們就必須評估信號傳輸?shù)难舆t是否在保證控制質(zhì)量所允許的范圍之內(nèi)，這就是我們經(jīng)常談?wù)摰?ldquo;實時性”問題。

    第二，是要解決數(shù)字傳輸?shù)某杀締栴}。對于模擬信號來說，其接口電路十分簡單，甚至可以直接使用模擬信號驅(qū)動運算、顯示等單元。而數(shù)字信號則需要比較復(fù)雜的接口電路，同時還需要用軟件對數(shù)字信號進(jìn)行處理，因此在數(shù)字傳輸線路的兩端均需要配備能夠執(zhí)行軟件的微處理器。當(dāng)然通過在同一條傳輸線路上傳送多個物理量的方法可以將傳輸成本均攤，達(dá)到降低每個信號傳輸費用的目的，但這又要犧牲實時性，因此需要進(jìn)行權(quán)衡。

    第三，是要解決數(shù)字傳輸?shù)目煽啃詥栴}。從原理上講，數(shù)字傳輸因為可以采取多種校驗措施，因此可以保證信號在傳輸過程中不失真。但因為數(shù)字傳輸是基于比特流的，先后傳輸?shù)母鱾€比特之間的關(guān)聯(lián)性極強，任何一個比特的錯碼均可導(dǎo)致一次傳輸?shù)氖。@樣的傳輸失敗往往又影響到后面的傳輸。一旦出現(xiàn)這種情況，控制系統(tǒng)將不能夠在要求的時間內(nèi)得到信息或發(fā)出信息，嚴(yán)重時將使系統(tǒng)失效。另外，為了充分利用數(shù)字傳輸?shù)娜萘浚郎y量控制信號外，在同一線路上還經(jīng)常傳輸其它信息，如設(shè)備診斷信息、設(shè)備參數(shù)信息、設(shè)備狀態(tài)信息等。如果軟件處理得不好，這些信息就會對測量和控制信號造成干擾，至少會影響測量控制信號傳輸?shù)膶崟r性。

    總之，模擬信號傳輸體系是一種一對一的單一參數(shù)傳輸體系，其實時性有確切保證，在傳輸線受到破壞時影響面小，但基本上不具備信息集成能力；而數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)通信體系則是一種一對多的、多參數(shù)傳輸體系，因此有極強的信息集成能力，但在傳輸線受到破壞時對系統(tǒng)的影響面大，同時還要綜合考慮傳輸系統(tǒng)的實時性和成本因素。

3 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS

    目前在自動化界，最為熱點的技術(shù)當(dāng)屬現(xiàn)場總線技術(shù)，其根本點是將現(xiàn)場設(shè)備與控制系統(tǒng)之間的信號傳輸由模擬傳輸體系改變?yōu)閿?shù)字網(wǎng)絡(luò)通信體系。而這個在信號傳輸體制方面的變化，造成了控制系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)方面發(fā)生了一些根本性的改變，因此出現(xiàn)了“現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)”（Field bus Control System - FCS）這樣一個全新的系統(tǒng)概念和形態(tài)。

    如前所述，DCS是一種有幾十年發(fā)展歷史的、非常成熟可靠的控制系統(tǒng)。它是在集中式數(shù)字控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上演進(jìn)而來的，DCS將所有要進(jìn)行控制的回路分成若干組，每組由一個控制器進(jìn)行控制，同時通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將各個控制器連接起來，并與人機(jī)界面、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和高層控制管理服務(wù)器等計算機(jī)相連接，成為一個完整的系統(tǒng)。DCS具備數(shù)字控制的優(yōu)勢，又對控制進(jìn)行了適度的分散以降低某臺控制器失效帶來的風(fēng)險。與模擬方式的單元組合儀表控制系統(tǒng)相比，DCS實現(xiàn)了數(shù)字控制，并對控制回路進(jìn)行了適度的集中以提高控制功能；與集中式數(shù)字控制系統(tǒng)相比，DCS對控制回路進(jìn)行了適度的分散以降低失效風(fēng)險，這就形成了DCS獨有的體系結(jié)構(gòu)。

    控制器是DCS實現(xiàn)控制的核心，它由一個主處理單元、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、與上層計算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口以及相應(yīng)的軟件系統(tǒng)組成。控制器通過A/D得到現(xiàn)場測量信號，經(jīng)過控制計算，將計算結(jié)果通過D/A送給現(xiàn)場執(zhí)行控制。同時，控制器還通過網(wǎng)絡(luò)接口將與人機(jī)界面、高層管理與計算相關(guān)的信息送往相應(yīng)的計算機(jī)。如果控制器之間需要交換信息，例如需要得到其它控制器的信號或?qū)⑿盘査屯渌刂破鳎矊⑼ㄟ^網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信傳遞。

    根據(jù)FCS的設(shè)計理念，F(xiàn)CS是一種既實現(xiàn)了數(shù)字控制，又具有類似單元組合儀表體系結(jié)構(gòu)（即每個控制回路一個控制單元）的系統(tǒng)。

    下面我們可以大致分析一下FCS的體系結(jié)構(gòu)：為了實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備與控制系統(tǒng)的數(shù)字通信，各個現(xiàn)場設(shè)備都必須具有能夠?qū)⒛M信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的A/D或D/A轉(zhuǎn)換器、同時還需要有能夠?qū)?shù)字信號進(jìn)行運算處理的嵌入式微控制器、當(dāng)然還需要具備進(jìn)行現(xiàn)場總線通信的網(wǎng)絡(luò)接口以及相應(yīng)的處理軟件。這些配置已完全滿足了形成一個單個回路控制所需要的各種條件，因此很自然地形成了FCS體系結(jié)構(gòu)。

    從控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)來看，單元式組合儀表以單回路控制為基礎(chǔ)，集中式計算機(jī)控制系統(tǒng)將所有控制回路集中處理，DCS將控制進(jìn)行了適度的分散，由若干控制器分擔(dān)所有回路的控制，而FCS則又回到了單回路控制的體系結(jié)構(gòu)。這看上去是走了一個循環(huán)，F(xiàn)CS又回到了儀表控制的原點，但這里有著一個最本質(zhì)的區(qū)別，就是FCS已不是基于模擬控制技術(shù)，而是發(fā)展為數(shù)字控制技術(shù)，是在完全新一代技術(shù)基礎(chǔ)上的體系結(jié)構(gòu)的回歸。

    應(yīng)該說，F(xiàn)CS既有儀表控制系統(tǒng)將危險性高度分散的優(yōu)點，又具有數(shù)字控制系統(tǒng)控制精度高、一致性好、有強大通信能力的優(yōu)勢，是今后的發(fā)展趨勢。但FCS目前面臨的最大問題，是網(wǎng)絡(luò)通信的問題。這正如數(shù)字技術(shù)取代模擬技術(shù)時，所遇到的最大問題是軟件的問題一樣。當(dāng)年人們都看到了數(shù)字技術(shù)具有模擬技術(shù)無法比擬的強大功能，因此都一致認(rèn)同數(shù)字技術(shù)必將取代模擬技術(shù)，但人們還是花了很多時間和精力去解決軟件的正確性、快速性、穩(wěn)定性等問題，直到這些問題都解決了，才真正進(jìn)入了數(shù)字控制時代。

    按照FCS的體系結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)將不再有集中或相對集中的控制器，其功能將嵌入到現(xiàn)場設(shè)備之中。控制系統(tǒng)的主控制室端將只包括人機(jī)界面工作站、全局實時數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、高層控制計算機(jī)、生產(chǎn)管理計算機(jī)等設(shè)備。現(xiàn)場與主控制室之間將通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)通信。在這里，現(xiàn)場總線承擔(dān)著雙重的通信任務(wù)。其一是為了實現(xiàn)對現(xiàn)場的控制，嵌入式控制器必須通過現(xiàn)場總線獲取被控對象的實時信息，或通過現(xiàn)場總線向被控對象發(fā)出控制命令。其二，現(xiàn)場的嵌入式控制器需要通過現(xiàn)場總線將被控對象的測量值、設(shè)備參數(shù)、運行狀態(tài)、診斷信息、控制量等一系列數(shù)據(jù)送到主控制室；而主控制室也要通過現(xiàn)場總線將控制設(shè)定值、人工干預(yù)控制命令、包括對控制器的組態(tài)數(shù)據(jù)等信息送到現(xiàn)場嵌入式控制器。從這里我們可以看出，現(xiàn)場總線承擔(dān)了繁重而復(fù)雜的通信任務(wù)。而如果有多個嵌入式控制器共用同一條現(xiàn)場總線，則通信任務(wù)將更加繁重。由于控制系統(tǒng)的幾乎所有功能都依賴現(xiàn)場總線的通信實現(xiàn)，因此通信的可靠性、實時性、穩(wěn)定性成為控制系統(tǒng)的核心問題。影響以上通信性能的因素，既有現(xiàn)場總線硬件性能，如通信速率、誤碼率、抗干擾能力等指標(biāo)，也包括現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)約設(shè)計的合理性、有效性、時序邏輯的正確性等指標(biāo)。

    當(dāng)前，國際上各個自動化公司都在現(xiàn)場總線方面投入了巨大的資源進(jìn)行研究與開發(fā)，因為這是進(jìn)入下一代控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，誰能夠為解決現(xiàn)場總線目前存在的問題拿出完整有效的解決方案，誰就占據(jù)了市場的先機(jī)。另外，下一代控制系統(tǒng)要真正形成巨大的市場，除技術(shù)上要走向成熟之外，還要有一個能夠得到廣泛認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語

    正如電子技術(shù)是單元式組合儀表控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，軟件技術(shù)是數(shù)字化控制系統(tǒng)如DCS、PLC等的關(guān)鍵技術(shù)一樣，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將是FCS的關(guān)鍵技術(shù)。可以說，一套簡潔明了、高效可靠、標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)約將是FCS能否真正成為下一代控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。