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1．引言

        集散型控制系统DCS(Distribution Control System)自70年代中期问世以来，已在过程控制领域成功地应用了近30年。DCS以其体系结构上的优势―集中控制、分级管理、危险分散，在各个领域的实际应用中取得了相当大的成效，并为业界人士所认同。然而，由于DCS本身以及控制设备存在一些实际问题，诸如系统综合信息能力差、系统构成复杂、各生产商的产品可互操作性差以及现场仪表与控制设备不具备双向通信能力、控制速度不能满足实际要求等，使DCS系统应用受到一定约束^[1]。

        随着控制技术、计算技术、通信技术、网络技术以及模块化集成技术的发展，在80年代中后期出现现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)。它是企业的底层数字通信网络，是连接微机化仪表的开放系统。随着科技水平的日益提高，多种现场总线技术己经在各自的领域发挥了优势，显示了强大的生命力。现场总线使现场仪表与控制系统和控制室实现了网络互连和全分散、全数字化、智能、双向、多变量、多点、多站的通信，改变了传统上运用的4--20mA的模拟信号标准，是工控系统全数字化的一个变革。譬如,仅PROFIBUS现场总线技术到2003年末在世界范围内安装PROFIBUS现场总线已达1000万，PROFIBUS设备的制造商与2001年相比增长了30%，而且仅在2004年安装PROFIBUS现场总线就达260万。PROFIBUS用户协会遍布于欧洲、美洲、亚洲、非洲和澳大利亚，在欧洲市场的占有率大于40%，广泛应用于加工自动化，楼宇自动化，过程自动化，发电与输配电等领域，且运行稳定可靠^[2]。

2．  现场总线的简介

        现场总线(FIELD BUS)是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点的数字通信系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。IEC对现场总线的定义是:“安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式，双向串行传输，多点通信的数据总线称为现场总线。”这种总线是用做现场控制系统的、直接与所有受控设备节点进行串行相连的通信网络，按ISO的OSI标准提供网络服务，可靠性高，稳定性好。目前，国际上已经出现的现场总线有几百种，而其中典型的有一定影响并占有一定市场份额的主要有基金会现场总线(FF)、CAN、PROFIBUS、Lonworks、HART等^[3]。而现场总线控制系统自上世纪九十年代走向实用化以来正以迅猛的势头快速发展，是目前世界上最新的控制系统。是目前自动化技术的一个热点，正受到国内外自动化设备制造商与用户越来越强烈的关注。现场总线控制系统将给自动化领域带来又一次革命，其深度和广度将超过历史上的任何一次，从而开创自动化的新纪元。

3．FCS和DCS的比较

     3.1信号的传输方式不同

         DCS大多为模拟数字混合系统，尚未形成从测控设备到操作控制计算机的完整网络在技术上有很大的局限性。由于采用单一信号传输，以至可靠性差，互操作性差，不能很好的对现场设备进行实时控制。FCS是一种分步式的网络自动化系统，其基础是现场总线，形成了从测控设备到操作控制计算机的数字通信网络，适应了网络发展的要求，因而成为控制网络的发展趋势。

    3.2通信协议不同

        DCS由于采用独家封闭的通信协议，给用户的系统集成和应用造成了不便。也就是说，不同厂家的设备不能互连在一起，系统和外界之间的信息交换难于实现。这样的用户就成了一个个“信息孤岛”，从而制约了信息的集成化。FCS采用的是一套标准的通信协议，把测控设备和控制系统完美的结合在一起。通俗的说，测控设备和控制系统采用的是同一种公用的、数字化的语言，它们之间可以进行良好的沟通，从而使设备之间的互操作变得方便、快捷，使系统集成中的主动权完全掌握在用户手里。

    3.3 DCS和FCS结构不同

        DSC采用了多级分层网络结构、点对点的接线方式。它集多种功能于一台计算机上，无论是软件系统还是硬件系统，都显得十分庞大。多种功能往往需要多实时任务去完成，因而效率不高。如今FCS用一根通信电缆同时连接多台设备，形成真正分散在现场的完整的控制系统，做到了彻底的分散控制，使系统的灵活性、自治性和可靠性提高了。如图1。

 

     3.4.2从传输方式上分析

        DCS的模拟信号传输不仅精度低，而且易受干扰。作为传统的自封闭式的信息交互和共享，DCS使设备成为了“信息孤岛”，现场底层传感器和数据采集器之间采用的是模拟信号传输，抗干扰能力差。FCS采用了智能化与数字化，与模拟信号相比，受干扰的频率低，实时性很强。DCS只接收现场仪表单一的模拟信号，它的通信方式是主从式通信，通信层次比较多难以做到及时诊断。如果每一次的通信速率都很快，那么通信延时应与响应延时相匹配。为了获得较为迅速的通信响应，每一层允许的通信最大延时时间都比较短，有可能发生信号传输的层次跳跃。也就是说，从下层取得的数据难以返回上层。FCS在信息的传输中随时可以把自身的信号帧发送给计算机，它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，使控制周期可以从DCS的2-5次/秒缩短至10-20次/秒，并可随时诊断设备的运行状态，能够察觉设备中的隐患并及时排除故障，进一步提高了系统的稳定性。

     3.4.3从结构上分析

        FCS将DCS的三层典型结构简化成两层结构，DCS的控制站在FCS已不存在，设备数量减少了；DCS的信息采用一条信息线路进行传输。如果该条线路瘫痪，那么所有监控的数据将全部丢失。I/O控制卡一旦损坏，会影响到多个回路。FCS利用多台计算机数据实行实时监控，网络中的计算机的关系不是主从的而是平等的，并且系统可以实现扩充与升级。FCS不用冗余的I/O卡，而采用了现场总线安全栅，如果现场设备或导线遭到破坏，最多影响到1-- 2个回路，避免了DCS损坏I/O卡影响若干回路的情况，使控制彻底分散，因而每个回路的自治性好。

3.5 DCS与FCS的成本不同

    3.5.1投资费用不同

        FCS的硬件数量远远少于DCS，还可以用工控PC机作为操作站，省略了DCS中昂贵的控制站，从而节省了一大笔投资。另外，随着控制站与I/O柜的取消，控制室的面积也大大减小了。

    3.5.2安装费用不同

        DCS的现场底层传感器和数据采集器之间采用了一对一的物理连线，所以布线的面积很大，导致现场作业量很大。FCS避免了DCS中冗余的电缆，实现了简单的接线，即一对双绞线或一条电缆上就可以挂接多个设备。如果需要新增测控设备，那么在原有的电缆上就近挂载就可以了，省去了增设新电缆的麻烦。

    3.5.3维护费用不同

        DCS传输的是4-- 20mA的模拟信号，用户往往需要猜测设备或传感器的好坏以及设备不当所造成的限幅，从而使准确度降低。FCS的数字通信含有大量的诊断信息，用户可以方便的查询所有设备的运行，能够及时发现潜在的故障并消除隐患，同时系统的结构简化了，维护起来省时省力。

        据统计，采用FCS控制系统与DCS控制系统相比整体系统成本可节省30%，并可减少控制室的占地面积。

4.结束语

        总的来说，现场总线控制系统FCS与集散控制系统DCS相比，价格低、性能好、优势明显，但是从集散控制系统DCS到现场总线控制系统FCS的转化，的确需要一段过渡时间。其原因是现场总线控制系统FCS使用的设备为全数字现场仪表，将企业现有的传统模拟仪表全部更新换代会造成巨大的浪费。针对这一情况，一些公司相应地开发出信号转换的现场总线仪表和现场总线的PLC，把模拟量和开关量采集后转换成现场总线形式的信息，再进入现场总线控制系统；把一些现场总线形式的信息转换成相应模拟量和开关量输出给执行机构。然而，这只是集散型控制系统DCS被现场总线控制系统FCS取代的一个过程，这种现象存在只能是暂时的，因为采用现场总线技术，现场设备的管理信息大大增加，包括诸如功能块组态，参数状态，诊断和验证数据，及过程条件等，而DCS无法容纳如此巨大的数据量。而且，如此集成的混合系统，多数硬件难以减少，会较纯粹的现场总线系统昂贵。因此，现场总线与DCS共存，可能但不可行。从长远的观点来看，集散型控制系统DCS必将被现场总线控制系统所代替。

[1] 林德秋.试谈FCS与DCS [J].自动化与仪器仪表，1999(1)

[2] Norman P.Aquino.“Profibus set to become de facto standard in automation technology”[J].Business World,2005[4]

[3] 阳宪惠.现场总线技术和应用 [M].北京：清华大学出版社，2003

[4] 龚成龙，丁兆奎.集散控制与现场控制的比较及对FCS技术的展望 [J].淮海工学院学报，2000（3）

[5] 黄明铸.PLC DCS FCS三大控制系统的特点和差异[J].中华纸业,2005(4)

[6] 郝仙庭. FCS是工业控制系统的发展趋势 [J].仪器仪表与分析监测，2004(2)

[7]“Fieldbus in the future”.Process Engineering, 2005(3)

[8] David Greenfield. “Fieldbus jump predicted”.Control Engineering, 2004(4)

 

 

 

 

 

作者简介：卞和营（1971－ ），男，河南省平顶山市人，讲师，西南林学院在读研究生，主要从事现场总线控制技术的研究。

杨  承（1951－），男，云南省昆明市人，教授，主要从事自动控制系统的研究和和教学工作。