傳統控制系統與基于現場總線技術的先進控制系統

李澤貴

【摘要】文章介紹了現場設備及總線的概念和發展狀況，傳統控制系統向現場總線的演變，簡要介紹了各自的技術特點，并就現場總線的應用前景進行了論述。

【關鍵詞】現場總線；FCS；PLC；DCS；分散控制系統

【Abstract】The article describes the evolution of the concept and development of the field devices and bus， the traditional control systems to the field bus， a brief introduction of their technical characteristics， and discussed the prospects for the application of fieldbus.

【Key words】Fieldbus；The FCS；PLC；The DCS；Distributed control system

1. 概述

隨著信息技術的飛速發展，引起了工業自動化系統結構的深刻變革。信息交換的范圍正迅速格覆蓋從工廠的管理、控制到現場設備層的各個層次，并逐步形成了全分布式網絡集成自動化系統和以此為基礎的企業信息系統。現場總線（Fieldbus）就是順應信息技術的發展趨勢和適應工業控制系統的分散化、網絡化、智能化發展方向而發展起來的新技術，因此它的出現和發展便成為全球工業自動化技術的熱點之一，受到全世界技術界和工業界的普遍重視。

簡而言之，現場總線控制系統（Fieldbus control system - FCS）是將各種現場設備與上一級的監控裝置相互聯接在一起的全數字化的、串行、雙向、多站的網絡通信系統。它的技術特點是控制系統的更加開放性和控制功能的更加分散性（一直分散到現場設備）。而支持這一高新技術成為現實的是二十世紀迅速發展起來的數字通信技術、網絡技術和微電子技術。

嚴格地講，現場總線不是產品，而是一門高新技術。但是任何一種高新技術都要以某種實物形態去展現其功能與價值。因此，隨著現場總線技術的誕生與發展，一個與之相適應的產品群體應運而生。它既由來于現場總線技術，又反過來促進這一技術的迅猛發展。總線化的現場設備就是現場總線技術中最基礎的，也是最重要的相關產品。

現場總線技術以其先進性、實用性、可靠性、開放性的優點，必然成為未來自動化技術發展的主流。基于現場總線的控制系統與人們預想的一樣，對傳統的PLC、DCS系統形成了巨大的沖擊。FCS已不再是一種預測、一種設想，而是實實在在地作為先進控制系統產品而被人們所接受。

2. 傳統的控制系統（PLC、DCS）向基于現場總線控制系統（FCS）的演變

現場總線技術的一個顯著特點是其開放性，允許并鼓勵不同廠家按照現場總線技術標準自主開發具有特點及專有的產品。因此，現場總線技術引入自動化控制系統，促使傳統控制系統結構演化，逐步形成基于現場總線的控制系統FCS。

2.1從PLC到工業PC。

（1）在傳統的控制系統中，控制器（或稱CPU、或處理器）與I/O模塊及其它功能模塊、機架等為同一產品，有一致的物理結構設計。典型的結構是I/O模塊及其它功能模塊通過機架背板上的總線連接。機架擴展也是自定義總線的擴展。這些產品連接技術是封閉的，第三方想開發兼容產品必須得到廠家的許可。

（2）基于現場總線的控制系統中，控制器與現場總線設備（I/O模塊、功能模塊及傳感器、變送器、驅動器等）連接是通過標準的現場總線，因此沒有必要使用與控制器捆綁的I/O模塊產品（這與插在PLC機架上的I/O模塊的配置方法不同），可使用任何一家的具有現場總線接口的現場設備與控制器集成。因此控制器趨向于采用標準的、通用的硬件平臺即工業計算機（Industrial compact computer）。

2.2采用通用工業計算機做控制系統控制器有以下優點：

（1）開放性、標準化 系統軟件與控制器硬件不再是捆綁關系，專業自動化廠家可以獨立開發不依賴與控制器品牌的FCS系統軟件。基于Windows/NT操作系統平臺，具有大量的標準的軟件工具和數據文件格式可以兼容。

（2）價格 通用的工業計算機容易形成規模化生產，因此其價格比PLC便宜。

（3）性能指標高、產品更新換代快 通用的工業計算機搭乘PC及技術的快車，技術指標高，產品更新換代快。

（4）向上連接計算機管理網絡（如IEC802.3 TCP/IP等）技術成熟、方便。并可以借用ODBC、SQL等技術與管理數據庫方便連接。

3. 從PLC的I/O模塊到現場總線分布式I/O

在FCS系統中，插在控制器機架上的I/O模塊（傳統的控制系統結構）將被連接到現場總線上的分散式I/O模塊所取代。分散式I/O不再是控制器廠家的捆綁產品，而是第三方廠家的產品；廉價的、專用的、具有特殊品質的I/O模塊（如防護等級、安全系統高、高壓、大電流信號等）將具有廣闊的市場。FCS的控制器與傳統PLC配置方式比較如圖1。

圖1FCS的控制器與傳統PLC配置方式比較

從圖1可以看出，傳統的控制系統（包括：基于PC、PLC、DCS產品的分布式控制系統），其主要特點之一是，現場層設備（包括變送器、執行器、在線分析儀表及其它檢測儀表等）與控制器之間的連接是一對一（一個I/O點對設備的一個測控點）所謂I/O接線方式，信號傳遞4～20mA（傳送模擬量信號）或24VDC（傳送開關量信號）信號。系統的主要缺點是：

（1）信息集成能力不強：控制與現場設備之間靠I/O連線連接，傳送4～20mA模擬量信號或24VDC等開關量信號，并以此監控現場設備。這樣控制器獲取信息量有限，大量的數據如設備參數、故障及故障記錄等數據很難得到。

（2）系統不開放、可集成性差，專業性不強：除現場設備均靠標準4～20mA/24VDC連接，系統其它軟、硬件通常只能使用一家產品。不同廠家產品之間缺乏互操作性、互換性，因此，可靠性差。這種系統很少留出接口，允許其它廠商將自己專長的控制技術，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統中去，因此，面向行業的控制系統較少。

（3）可靠性不易保證：對于在范圍的分布式系統，大量I/O電纜及敷設施工，不僅增加成本，也增加了系統的不可靠性。

（4）可維護性不高由于現場設備信息不全，現場級設備的在線故障診斷、報警，記錄功能不強。另一方面也很難完成現場設備的遠程設定、修改等參數化功能，影響了系統的可維護性。

基于現場總線技術的控制系統，使用一根通信電纜，將所有具有統一的通信協議通信接口的現場設備連接，這樣，在設備層傳遞的不再是I/O（4～20mA/24VDC）信號，而是基于現場總線的數字化通信，由于數字化通信網絡構成現場級與車間級自動化監控及信息集成系統。由此可見基于現場總線的控制系統克服了傳統控制系統所存在的不足，使得系統的信息集成能力增強，開放性、可操作性、互換性、可集成性能好，增強了系統的開放性、可集成性和專業性，保證了系統的可靠性、可維護性，由于省去了大量的電纜、I/O模塊及電纜敷設工程費用，因而大大降低了系統及工程成本。

4. 結束語

回顧控制系統半個多世紀的發展歷程，我們發現，隨著微電子技術、控制理論與控制技術、數字通信技術的發展，DCS成了解決過程自動化最成功的系統。七十年代末DCS已著手將控制功能由集中向分散轉移。但是由于受到現場儀表在數字化、智能化等方面的限制，以及DCS自身的困擾，它沒有能夠將控制功能徹底的分散到現場，如今FCS的出現已經使將控制功能分散到現場儀表上成為必要和可能。由于FCS具有DCS無可比擬的優勢，使得FCS在未來的控制領域中有著廣泛的應用前景，畢竟FCS是一門新的正在發展的高新技術，它的出現對人們來說還有一定的認識過程，正如我們當初認可DCS技術一樣，只要FCS日趨成熟，標準統一，現場儀表的數字化、智能化問題能很好地得到解決，其市場前景將不可估量。

注：本文中提到的一些名詞及縮寫：

FCS：現場總線技術的先進控制系統（Fieldbus Control System-FCS）。

現場設備：指現場級檢測及執行設備，如傳感器、變送器、開關設備、驅動器、執行機構、指示及顯示設備、人機操作接口等。

控制器：現場總線中的一個主站節點。至少具備總線通信與管理、邏輯執行等功能。

基于PLC的控制系統：指以PLC、遠程I/O及PLC網絡為基礎的分布式控制系統。

[文章編號]1619-2737（2015）01-18-668