DCS技术和现场总线技术的结合

庞东

（图木舒克热电有限责任公司843900）

摘要：本文从现场总线技术与DCS系统的概念入手，分析现场总线技术和DCS系统的特点，再结合两者的在实际中的应用，从中了解到两者之间的内在联系，发现两者在将来的发展是一个统一的整体，DCS系统中必然用到现场总线技术，现场总线技术也将依附与DCS系统中。最后得出DCS系统和现场总线控制系统结合发展的结论。

现场总线的概念

根据国际电工委员会IEC61158标准的定义，现场总线是指应用在制造过程区域现场装置和控制室内自动控制装置之间的包括数字式、多点、串行通信的数据总线，即工业数据总线。是开放式、数字化、多点通信的底层通信网络。以现场总线为技术核心的工业控制系统，称为现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem），它是自20世纪80年代末发展起来的新型网络集成式全分布控制系统。

其中，现场总线系统一般被称为第五代控制系统。第一代控制系统为50年代前的气动信号控制系统PCS，第二代为4~20mA等电动模拟信号控制系统，第三代为数字计算机集中式控制系统，第四代为70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS。

DCS的概念

DCS即所谓分布式控制系统，或称之为集散系统，是相对于集中控制系统而言的一种非常成熟的计算机控制系统，它是集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。1995年国际标准化组织（ISO）定义：DCS系统式一类满足大型工业生产和日益复杂的过程控制要求，从综合自动化角度出发，按功能集散，管理集中的原则构思，具有高度可靠性指标，将微处理技术、数字通讯技术、人机接口技术相结合，用于采集、过程控制和生产管理的综合控制系统。生产发展的需要，电子技术、计算机技术的发展，最早的基于大型机的直接数字控制技术即DDC技术，集中管理，集中控制，这些都促进了DCS技术的发展。

现场总线技术的特点

现场总线技术具有系统的开放性，互可操作性与互用性，现场设备的智能化与功能自治性，系统结构的高度分散性以及对现场环境的适应性等。

其中开放系统是指通信协议的公开，不同厂家的设备之间也可以互联并互相交换信息。一个开放系统可以与任何遵守相同标准的其他设备、系统相连接。这样用户才可以按照自己的需要把来自不同供应厂商的产品自由组合。

除此之外，现场总线技术还具备以下优点：节省硬件数量与投资，节省安装费用，节省维护开销，用户具有高度的系统集成主动权以及提高了系统的准确性与可靠性。

DCS系统的特点

DCS系统虽然形式多样，但是其具备的功能基本上是一样的，包括：输入处理功能、输出处理功能、控制功能、通信功能、人-机接口功能、自诊断功能以及冗余技术。运用分散控制和集中显示、集中操作、集中管理这一基本思想构成的DCS，具有的特点为：控制功能完善、完善的人-机联系和集中监控功能、系统扩展灵活、安全可靠性高、安装调试简单以及具有良好的性能价格比。

DCS和现场总线之间的一些联系

现场总线集成于DCS系统是现阶段控制网络的发展趋势：尽管用户对控制系统的结构改进表示欢迎，但他们并不希望对他们现有的仪表系统做大的改动。目前在现场总线的发展初期，大多数用户更倾向于对他们现有的仪表系统进行逐步的增添和替换；另一方面DCS系统及其仪表的消失或完全被取代，对于费用或人力而言也都是不合理的。现阶段最可行的方案是考虑如何使现场总线与传统的DCS系统尽可能地协同工作，这种集成方案能够得到灵活的系统组态，以适用于更广泛的、富于实用价值的应用。

根据DCS系统网络结构的特点，现场总线与DCS系统的集成方式主要有三种，分别是：

（1）现场总线于DCS系统中I/O总线的集成

其中，DCS系统中的I/O总线也是一种现场总线，现场总线与I/O总线的集成是不同总线协议之间的相互连通。在DCS系统I/O总线上集成现场总线的关键是通过一个现场总线接口卡挂到DCS的I/O总线上，原有的DCS的I/O总线上相对应的数据信息室现场总线当中的数据信息的映射。这种集成方式主要用于DCS系统稳定运行，规模较小的场合。优点是结构简单，缺点是现场总线接口卡限制了集成的规模。

（2）现场总线于DCS系统网络层的集成

这种方式是通过接口卡，把现场总线挂到DCS系统的网络层中，可以通过DCS的操作站对现场总线中得控制信息和测量信息进行浏览和修改。这种方式的优点是原来在DCS控制器里的一些控制算法和计算功能可以下放到现场仪表中实现，并且在操作界面上得到相关参数和信息，不需要对控制站进行改动，对原系统影响比较小。

（3）现场总线与DCS系统并行集成

这种方式是一套通过网管与DCS系统实现信息互联的FCS系统，并且FCS系统和DCS系统是完全独立的。

除此之外，如果要把FCS系统与DCS系统完美的结合起来，有两个问题需要解决，其分别是DCS厂家充分开放DCS系统各层的通信协议和统一现场总线的通信协议标准。

传统DCS的分散控制是建立在分散的过程控制装置上的，过程控制装置与现场变送器以及执行器之间是通过模拟信号进行单向传输的，由于模拟量与数字量的转换与各种控制规模的运算都需要在过程控制装置内部完成，使得传输的信息量少，效率低，安装工作量大。随着现场仪表的智能化和数字化，现场总线设备的不断开发，使得DCS的控制功能下移到现场的变送器中成为可能，这样，就缩短了采样周期，提高了控制质量。

相比DCS系统，现场总线传输的信号是双向的，而且传输信息量大，而且操作人员可直接在控制室对现场仪表进行标定、校验和故障诊断等。这样的话，就减少了DCS的安装空间，I/O接口以及附属设备。

由于现场总线控制系统的众多优点，必将推动DCS系统的深刻变革。新一代的DCS都包含了各种形式的现场总线接口，用来支持多种标准的现场总线仪表等；此外，新一代的DCS还改变了相对集中的控制站结构，换成了分散的导轨式或现场安装的I/O模块。

由此，DCS将吸收FCS的长处，不断发展和壮大，实现真正的分散控制，将结合现场总线控制系统的方向发展。

FCS是由DCS发展而来，具有DCS的特点。目前，新型的FCS和DCS，都在吸收对方的优点以完善自己。新型的DCS有很强的顺序控制功能，并且通信是DCS系统的关键，由于DCS的任务是为系统所有部件之间提供通信网络，因此，数据公路的设计就决定了总体的灵活性和安全性。为了保证通信的完整，大部分DCS厂家都能提供冗余数据公路。为了保证安全性，使用了复杂的检错技术和通信规则。目前在DCS系统中一般使用同步和一部的通信手段。而FCS是自动化领域技术发展的热点之一，并且将成为21世纪自动控制系统的主流。

综上所述，我们相信现场总线系统将广泛地应用到过程工业控制中，通过对过程控制系统进行一些必要的修改，将现场总线技术引入到DCS中，将会给用户带来大量的收益；另一方面，即使大多数的连续控制环路将由现场总线系统来完成，DCS系统仍将在许多诸如实时要求较高的控制场合扮演重要的角色。现阶段现场总线与DCS系统的共存将使用户拥有更多的选择，以实现更合理的控制系统。