集散控制系统与现场总线概述

1．首先着重阐述一下两个重要概念，——DCS和现场总线。DCS是分布式控制系统的英文缩写（DistributedControlSystem），在国内自控行业又称之为集散控制系统，它的另一含义是指DCS产品。DCS是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合的产物。DCS通常采用若干个控制器（过程站）对一个生产过程中的众多控制点进行控制，各控制器间通过网络连接并可进行数据交换。操作采用计算机操作站，通过网络与控制器连接，收集生产数据，传达操作指令。典型的集散型控制系统（DCS）由三层计算机网络介入控制与管理的大型控制系统组成，这种三层控制结构是，第1层为过程控制级，以PLC（或现场总线）通过远程输人／输出网络，构成对现场设备的基本控制，DCS的控制对象特点具体体现在过程控制级上；第2层为控制管理级，即以监控计算机通过工控网络与PLC相连，实现对流程设备的上位机监控；第3层为生产管理级，即以文件服务器、管理计算机及其局域网与监控计算机相连接，随时读取现场信息，实现生产管理。在这一级上，从安全性考虑，管理计算机不能直接干预DCS的控制。分散控制使得系统由于某个局部的不可靠而造成对整个系统的损害降到很低的程度，加之各种软硬件技术不断走向成熟，极大地提高了整个系统的可靠性，因而迅速成为工业自动控制系统的主流。集散控制系统主要特点就是分散控制集中管理。所谓现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线系统具有以下技术特点：①系统的开放性；②互可操作性与可用性；③现场设备的智能化与功能自治性；④系统结构的高度分散性；⑤对现场环境的适应性。它是工业控制网络向现场级发展的产物，完整地实现了控制技术、计算机技术与通信技术的集成，其通信协议基本遵照ISO/OSI参考模型，主要实现第1、2、7层（物理层、数据链路层和应用层）功能。现场总线是应用于过程控制现场的一种数字网络，它不仅包含有过程控制信息交换，而且还包含设备管理信息的交流。通过现场总线，各种智能设备（智能变送器、调节法、分析仪和分布式I/O单元）可以方便地进行数据交换，过程控制策略可以完全在现场设备层次上实现。控制网络直接面向生产过程，因此要求很高的实时性、可靠性、资料完整性和可用性。它综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段，从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字—模拟信号控制的局限性，构成一种全分散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、多接点的通信与控制系统。相应的控制网络结构也发生了较大的变化。FCS的典型结构分为3层：设备层、控制层和信息层。2．下面简单介绍一下控制系统的科技发展史。最早的控制系统是50年代出现在化工行业的数据处理系统。随后是直接数字控制系统DDC，它是把控制器里加入CPU（最早的单板机），把模拟仪表替换为数字仪表。然后是监督控制系统SCC(SupervisoryComputerControl)。接下来是监控数据采集系统SCADA(SupervisoryControlandDataAcquisition)，七十年集散控制系统与现场总线技术总结代中期出现了集散控制系统DCS，最早的产品是霍尼韦尔（Honeywell）公司的第一代DCS产品TDC-2000。20世纪80年代以来，分散控制系统一直是过程工业主控系统的主导产品。DCS广泛应用于企业生产过程控制，以及港口、矿山、电厂等的物料储运控制。由于DCS控制诸多的现场设备或生产过程，其输人／输出（I/O）点少则几百点，多则几千点，现场设备延伸范围可达几km乃至10几km，运行的设备或流程之间相互关联。因此，对DCS控制律设计时，必须周密和完整，一旦疏失，将造成调试阶段查错和排错的困难。进入80年代中后期，由于微电子技术、软件技术的长足发展，现代通信技术逐步向工业控制系统渗透，导致了现场总线逐步取代了4～20mA的模拟信号传输线，并由此引发了控制系统领域的技术革命。现场总线系统FCS是在80年代后期发展起来的一种先进的现场工业控制技术，是新一代全分布式控制系统的核心技术。现场总线在发展的最初，各个公司都提出自己的现场总线协议。后来，IEC组织确定了8大总线作为国际现场总线标准，其中包括CANBus、ProfitBus、FOUNDATIONFieldbus等等。而在此基础上形成了新的现场总线控制系统(FieldbusControlSystemFCS)。FF是惟一致力于世界统一现场总线标准的国际组织，对过程控制系统的发展影响最大。控制网络的发展，其基本趋势是逐渐趋向于开放性、透明的通讯协议。3．以下是目前国内外主流产品与发展状况目前，使用较多的现场总线主要是FUNDATIONfieldbus基金会现场总线（FF总线）和PROFIBUS现场总线。应用现场总线技术可以将各种分布在控制现场的相关智能设备和I/O单元方便的连接在一起，构成控制系统，这种结构已经成为DCS发展的趋势。PROFIBUS由Siemens公司提出并极力倡导，己先后成为德国国家标准和欧洲标准，是一种开放而独立的总线标准，在机械制造、工业过程控制、智能建筑中充当通信网络。PROFIBUS现场总线技术是随全数字信号系统的发展而产生的，是一种比较成熟的总线，在工程上的应用十分广泛，成为近年来国际上最为流行的现场总线，也是目前数据传输率最快的一种现场总线（传输率可达12M波特）。PROFIBUS的网络协议是以ISO颁布的OSI标准七层参考模型为基础的，只是对第三层到第六层进行简化，因此可以说它的标准适应性强。此外它的三种模块（FMS.DP和PA）又可以适应不同的应用对象和通信速率方面的要求，开放性也好。PROFIBUS现场总线基于令牌协议加主从总线的介质存取方式，主站以主从方式与从站通讯，各主站之间由令牌协议决定总线控制权。站点数可达127个。基金会现场总线（FOUNDATIONFieldbus）是国际上几家现场总线经过激烈竞争后形成的的一种现场总线，由现场总线基金会推出。与私有的网络总线协议不同，FF总线不附属于任何一个企业或国家。其总线体系结构是参照、ISO的OSI模型中物理层、数据链路层和应用层，并增加了用户层而建立起来的通信模型。FF得到了世界上几乎所有的著名仪表制造商的支持，同时遵守IEC的协议规划，与IEC的现场总线国际标准和草案基本-致，加上它在技术上的优势，所以极有希望成为将来的主要国际标准。现场总线基础是智能仪表。分散在各个工业现场的智能仪表通过数字现场总线连为一体，并与控制室中的控制器和监视器一起共同构成现场总线控制系统（FieldbusControlSystem，FCS）。通过遵循一定的国际标准，可以将不同厂商的现场总线产品集成在同一套FCS中，具有互换性和互操作性。FCS把传统DCS的控制功能进一步下放到现场智能仪表，由现场智能仪表完成数据采集、数据处理、控制运算和数据输出等功能。现场仪表的数据（包括采集的数据和诊断数据）通过现场总线传到控制室的控制设备上，控制室的控制设备用来监视各个现场仪表的运行状态，保存各智能仪表上传的数据，同时完成少量现场仪表无法完成的高级控制功能。4．其他内容简介：（1）控制网络：控制网络体系结构满足开放性要求，如标准化、可移植、可伸缩、互操作。控制网络类型及其相互关系，控制网络与信息网络的区别，网络结构（总线拓扑、环形拓扑），访问控制形式（CSMA载波监听多点接入、令牌环方式Tokenring、令牌总线方式Tokenbus），检错与纠错，控制网络的OSI七层模型等。（2）控制算法（3）工控组态软件：包括其发展史、结构体系，图形开发环境包括脚本、窗口、图形对象、动画链接的概念，八类动画链接，三种变量等，实时数据库，I/O设备驱动，组态软件与第三方程序的通信等。（4）DCS系统的工程设计：包括总体方案阶段，初步设计阶段，工程设计阶段，安装与调试阶段，最后验收。以及工程设计中的抗干扰设计，有传导干扰（电容电场、电感磁场、阻抗），抗干扰措施——屏蔽，隔离（空间隔离和器件隔离），接地，滤波，软件抗干扰，以及信号传输线的抗干扰。5．目前存在的问题和发展趋势从前面分析看出，DCS有着诸多优点，但DCS的缺点也是十分明显的。首先其结构是多级主从关系，底层相互间进行信息传递必须经过主机，从而造成主机负荷过重，效率低下，并且主机一旦发生故障，整个系统就会“瘫痪”。而且DCS在设备配置上还要求网络、控制器、电源等都为冗余结构，导致DCS成本太高。其次它是一种数字——模拟混合系统，DCS的现场仪表仍然使用传统的4～20mA电流模拟信号，传输可靠性差，成本高，也就是说，一个变送器或执行机构需要一对传输线来单向传送一个模拟信号。这种传输方法使用的导线多，现场安装及调试的工作量大，不便维护。主控室的工作人员无法了解现场仪表的实际情况，不能对其进行参数调整和故障诊断，所以处于最底层的模拟变送器和执行机构成了计算机控制系统中最薄弱的环节，即所谓DCS系统的发展瓶颈。再有各厂家的DCS自成标准，通讯协议封闭，极大的制约了系统的集成与应用。也正是为了克服DCS系统的技术瓶颈，进一步满足现场的需要，现场总线技术才应运而生。虽然现场总线技术有很多优点，但也存在许多问题，制约其应用范围的进一步扩大：（1）先是现场总线的选择。虽然目前IEC组织已达成了国际总线标准，但总线种类仍然过多，而每种现场总线都有自己最合适的应用领域，如何在实际中根据应用对象，将不同层次的现场总线组合使用，使系统的各部分都选择最合适的现场总线，仍然是比较棘手的问题。工电2班廖祎帆学号201397250218（2）系统的集成问题。由于实际应用中一个系统很可能采用多种形式的现场总线，因此如何把工业控制网络与数据网络进行无缝的集成，从而使整个系统实现管控一体化，是关键环节。（3）存在技术瓶颈问题。从目前趋势来看，已有的现场总线仍将继续存在，最有可能的是发展一种混合式控制系统。而最终，随着技术的进步、成本的进一步降低，全开放式的现场总线控制系统必将是未来的趋势。伴随着数字化时代的来临，现场总线控制系统必将取代传统的集散控制系统。