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案例頻道1．引言
集散型控制系統(tǒng)DCS(Distribution Control System)自70年代中期問世以來，已在過程控制領(lǐng)域成功地應(yīng)用了近30年。DCS以其體系結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢―集中控制、分級管理、危險分散，在各個領(lǐng)域的實際應(yīng)用中取得了相當(dāng)大的成效，并為業(yè)界人士所認同。然而，由于DCS本身以及控制設(shè)備存在一些實際問題，諸如系統(tǒng)綜合信息能力差、系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜、各生產(chǎn)商的產(chǎn)品可互操作性差以及現(xiàn)場儀表與控制設(shè)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(tǒng)應(yīng)用受到一定約束[1]。
隨著控制技術(shù)、計算技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及模塊化集成技術(shù)的發(fā)展，在80年代中后期出現(xiàn)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(Fieldbus Control System)。它是企業(yè)的底層數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)，是連接微機化儀表的開放系統(tǒng)。隨著科技水平的日益提高，多種現(xiàn)場總線技術(shù)己經(jīng)在各自的領(lǐng)域發(fā)揮了優(yōu)勢，顯示了強大的生命力。現(xiàn)場總線使現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)和控制室實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)互連和全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、多變量、多點、多站的通信，改變了傳統(tǒng)上運用的4--20mA的模擬信號標準，是工控系統(tǒng)全數(shù)字化的一個變革。譬如,僅PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)到2003年末在世界范圍內(nèi)安裝PROFIBUS現(xiàn)場總線已達1000萬，PROFIBUS設(shè)備的制造商與2001年相比增長了30%，而且僅在2004年安裝PROFIBUS現(xiàn)場總線就達260萬。PROFIBUS用戶協(xié)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(yīng)用于加工自動化，樓宇自動化，過程自動化，發(fā)電與輸配電等領(lǐng)域，且運行穩(wěn)定可靠[2]。
2． 現(xiàn)場總線的簡介
現(xiàn)場總線(FIELD BUS)是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機化測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點的數(shù)字通信系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。IEC對現(xiàn)場總線的定義是:“安裝在制造和過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式，雙向串行傳輸，多點通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線。”這種總線是用做現(xiàn)場控制系統(tǒng)的、直接與所有受控設(shè)備節(jié)點進行串行相連的通信網(wǎng)絡(luò)，按ISO的OSI標準提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，可靠性高，穩(wěn)定性好。目前，國際上已經(jīng)出現(xiàn)的現(xiàn)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(xiàn)場總線(FF)、CAN、PROFIBUS、Lonworks、HART等[3]。而現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)自上世紀九十年代走向?qū)嵱没詠碚匝该偷膭蓊^快速發(fā)展，是目前世界上最新的控制系統(tǒng)。是目前自動化技術(shù)的一個熱點，正受到國內(nèi)外自動化設(shè)備制造商與用戶越來越強烈的關(guān)注。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)將給自動化領(lǐng)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(chuàng)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(shù)字混合系統(tǒng)，尚未形成從測控設(shè)備到操作控制計算機的完整網(wǎng)絡(luò)在技術(shù)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(xiàn)場設(shè)備進行實時控制。FCS是一種分步式的網(wǎng)絡(luò)自動化系統(tǒng)，其基礎(chǔ)是現(xiàn)場總線，形成了從測控設(shè)備到操作控制計算機的數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)，適應(yīng)了網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的要求，因而成為控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。
3.2通信協(xié)議不同
DCS由于采用獨家封閉的通信協(xié)議，給用戶的系統(tǒng)集成和應(yīng)用造成了不便。也就是說，不同廠家的設(shè)備不能互連在一起，系統(tǒng)和外界之間的信息交換難于實現(xiàn)。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(xié)議，把測控設(shè)備和控制系統(tǒng)完美的結(jié)合在一起。通俗的說，測控設(shè)備和控制系統(tǒng)采用的是同一種公用的、數(shù)字化的語言，它們之間可以進行良好的溝通，從而使設(shè)備之間的互操作變得方便、快捷，使系統(tǒng)集成中的主動權(quán)完全掌握在用戶手里。
3.3 DCS和FCS結(jié)構(gòu)不同
DSC采用了多級分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、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(tǒng)還是硬件系統(tǒng)，都顯得十分龐大。多種功能往往需要多實時任務(wù)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(shè)備，形成真正分散在現(xiàn)場的完整的控制系統(tǒng)，做到了徹底的分散控制，使系統(tǒng)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(jié)構(gòu)可靠性不同
3.4.1從可靠系數(shù)上分析
設(shè)DCS和FCS的可靠系數(shù)分別是KD、KF。設(shè)DCS的變送器、控制器的1/0接口、執(zhí)行器的可靠系數(shù)分別是K1、K2、K3；FCS 的變送控制器和執(zhí)行器的可靠系數(shù)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(tǒng)的自封閉式的信息交互和共享，DCS使設(shè)備成為了“信息孤島”，現(xiàn)場底層傳感器和數(shù)據(jù)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(shù)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(xiàn)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(yīng)與響應(yīng)延時相匹配。為了獲得較為迅速的通信響應(yīng)，每一層允許的通信最大延時時間都比較短，有可能發(fā)生信號傳輸?shù)膶哟翁S。也就是說，從下層取得的數(shù)據(jù)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(fā)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(xiàn)場設(shè)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(shè)備的運行狀態(tài)，能夠察覺設(shè)備中的隱患并及時排除故障，進一步提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
3.4.3從結(jié)構(gòu)上分析
FCS將DCS的三層典型結(jié)構(gòu)簡化成兩層結(jié)構(gòu)，DCS的控制站在FCS已不存在，設(shè)備數(shù)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(jiān)控的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)實行實時監(jiān)控，網(wǎng)絡(luò)中的計算機的關(guān)系不是主從的而是平等的，并且系統(tǒng)可以實現(xiàn)擴充與升級。FCS不用冗余的I/O卡，而采用了現(xiàn)場總線安全柵，如果現(xiàn)場設(shè)備或?qū)Ь€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(shù)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(jié)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(xiàn)場底層傳感器和數(shù)據(jù)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(dǎo)致現(xiàn)場作業(yè)量很大。FCS避免了DCS中冗余的電纜，實現(xiàn)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(shè)備。如果需要新增測控設(shè)備，那么在原有的電纜上就近掛載就可以了，省去了增設(shè)新電纜的麻煩。
3.5.3維護費用不同
DCS傳輸?shù)氖?-- 20mA的模擬信號，用戶往往需要猜測設(shè)備或傳感器的好壞以及設(shè)備不當(dāng)所造成的限幅，從而使準確度降低。FCS的數(shù)字通信含有大量的診斷信息，用戶可以方便的查詢所有設(shè)備的運行，能夠及時發(fā)現(xiàn)潛在的故障并消除隱患，同時系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化了，維護起來省時省力。
據(jù)統(tǒng)計，采用FCS控制系統(tǒng)與DCS控制系統(tǒng)相比整體系統(tǒng)成本可節(jié)省30%，并可減少控制室的占地面積。
4.結(jié)束語
總的來說，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS與集散控制系統(tǒng)DCS相比，價格低、性能好、優(yōu)勢明顯，但是從集散控制系統(tǒng)DCS到現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS的轉(zhuǎn)化，的確需要一段過渡時間。其原因是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS使用的設(shè)備為全數(shù)字現(xiàn)場儀表，將企業(yè)現(xiàn)有的傳統(tǒng)模擬儀表全部更新?lián)Q代會造成巨大的浪費。針對這一情況，一些公司相應(yīng)地開發(fā)出信號轉(zhuǎn)換的現(xiàn)場總線儀表和現(xiàn)場總線的PLC，把模擬量和開關(guān)量采集后轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場總線形式的信息，再進入現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)；把一些現(xiàn)場總線形式的信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)模擬量和開關(guān)量輸出給執(zhí)行機構(gòu)。然而，這只是集散型控制系統(tǒng)DCS被現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS取代的一個過程，這種現(xiàn)象存在只能是暫時的，因為采用現(xiàn)場總線技術(shù)，現(xiàn)場設(shè)備的管理信息大大增加，包括諸如功能塊組態(tài)，參數(shù)狀態(tài)，診斷和驗證數(shù)據(jù)，及過程條件等，而DCS無法容納如此巨大的數(shù)據(jù)量。而且，如此集成的混合系統(tǒng)，多數(shù)硬件難以減少，會較純粹的現(xiàn)場總線系統(tǒng)昂貴。因此，現(xiàn)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(tǒng)DCS必將被現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)所代替。
參考文獻
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[4] 龔成龍，丁兆奎.集散控制與現(xiàn)場控制的比較及對FCS技術(shù)的展望 [J].淮海工學(xué)院學(xué)報，2000（3）
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[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(xué)院在讀研究生，主要從事現(xiàn)場總線控制技術(shù)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(tǒng)的研究和和教學(xué)工作。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號