集散控制系统DCS与现场总线控制系统FCS的技术关联及发展趋势

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1、集散控制系统DCS与现场总线控制系统FCS的技术关联及发展趋势摘要：现场总线控制系统FCS的技术发展迅猛，是当前在自动化领域里最具发展潜力的技术。本文着重介绍FCS技术与DCS技术的关联及发展趋势，并对有关技术过渡和工业以太网研究的有关技术作了介绍，相信未来工业以太网技术和FCS技术将最终取代DCS技术。关键词：FCS现场总线；DCS集散控制系统；工业以太网；国际标准屮图分类号：TP273.5文献标识码：A1引言FCS是在DCS的基础上发展起来的，FCS顺应了自动控制系统的发展潮流，它必将替代DCSo这已是业内人士的基本共识。然而，任何新事物的发生，发展都

2、是在对旧事物的扬弃中进行的，FCS与DCS的关系必然也不例外。FCS代表控制技术潮流与发展方向，但在现阶段FCS尚没有统一的国际标准而呈群雄逐鹿之势，而DCS则以其成熟的技术及广泛的应用而占居着一个尚不可完全替代的地位。以工程成本与效益看，现场总线的根本优势是良好的互操作性；结构简单，布线费用低；控制功能分散，灵活可靠。然而这些优势是建立在新装FCS系统的前提下，如果企业建立有完善的DCS,现在要向FCS过渡，则必须仔细考虑现有投资对已有投资的冋报率。充分利用已有的DCS设施以及成熟的DCS控制管理方式来实现FCS是我们应选的策略。虽然现场总线有优势可言，

3、但向其过渡的代价与风险是必须分析清楚的。再者，从技术的继承及控制手段上，也要求FCS与DCS应相兼容。FCS实现控制功能下移至底层，各个现场设备节点的独立功能得以加强并完善现场底层设备间的数据通讯功能。DCS适用于较慢的数据传输速率，而FCS则更适用于较快的数据传输速率，以及更灵活的处理数据。然而，当数据量超过一定值过于偏大时，则很容易导致数据网络的堵塞。要解决这个问题，拟设立一个适当的监控层用以协调相互通讯的设备，必然是有益的。可见，为使FCS的控制方式和手段完善化，是有必要借鉴DCS的一些控制思想的。要把握新世纪工业过程控制的发展趋势，无论在学术研究或

4、是工程应用方面都有必要使FCS综合与继承DCS的成熟控制策略；与此同时，DCS的发展也应追寻FCS控制策略的新思想，使其具有新的生命力。DCS应将底层控制权交付给FCS系统，将较高层的系统协调管理功能发扬光大，完成对新时代，新形势的工业控制系统的集成。2现场总线传输特点现场总线控制系统（FCS）是顺应智能现场仪表而发展起來的。它的初衷是用数字通讯代替4-20mA模拟传输技术，但随着现场总线技术与智能仪表管控一体化（仪表调校、控制组态、诊断、报警、记录）的发展，在控制领域内引起了一场前所未有的革命。控制专家们纷纷预言：FCS将成为21世纪控制系统的主流。然而

5、就在人们对FCS寄托极大希望的时候，却没有注意到它的发展在某些方面的不协调，其主要表现在迄今为止现场总线的通讯标准尚未统一，这使得各厂商的仪表设备难以在不同的FCS中兼容。此外，FCS的传输速率也不尽人意，以基金会现场总线（FF）正在制定的国际标准为例，它采用了ISO的参考模型屮的3层（物理层、数据链路层和应用层）和极具特色的用户层，其低速总线H1的传输速度为31.25kbps,高速总线H2的传输速度为1Mbps或2.5Mbpso而对西门子推出的PROFIBUS总线而言，虽然市场占有率相对较大，但由于受通讯线路长度的影响，在100M线路长度下最高通讯速率为

6、12Mbps,这在有些场合下仍无法满足实时控制的要求。由于上述原因，使FCS在工业控制屮的推广应用受到了一定的限制。当人们冷静下来对这些问题进行思考时，不禁想起了在商业网络中广泛应川的以太网。以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势。由于它支持几乎所有流行的网络协议，所以在商业系统中被广泛采用。但是传统以太网采用总线式拓朴结构和多路存取载波侦听碰撞检测（CSMA/CD）通讯方式，在实时性要求较高的场合下，重要数据的传输过程会产生传输延迟，这被称为以太网的“不确定性”。研究表明，商业以太网在工业应用中的传输延迟在2〜30ms之间，这是影响以

7、太网长期无法进入过程控制领域的重要原因之一。3工业以太网的研究现状近年来控制与通讯工程师们致力于新型工业以太网的研究工作，其中有代表性的是FF制定的快速以太网标准，其传输速度为100Mbpso综观工业以太网的研究现状，出现了两个值得注意的发展方向：以太网集线器和具有实时功能的以太网的协议。3.1以太网集线器FF将以太网技术加入到H2协议中，并以它作为H2的底层协议，其网络采用星型拓朴结构。集线器通过以太网I/O接口挂接现场设备，其中实时现场仪表和普通现场仪表分别挂接在不同的以太网I/O接口上。以太网I/O接口高速（约100kHz）扫描所有实时现场仪表和通道

8、组，然后传送数据包到上层控制器。通常普通控制算法在现场控制器屮进行