計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，引起了自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，一種世界上新型的控制系統(tǒng)即現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）在上世紀(jì)九十年代走向?qū)嵱没⒄匝该偷膭?shì)頭快速發(fā)展?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)是目前自動(dòng)化技術(shù)中的一個(gè)熱點(diǎn)，正越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外自動(dòng)化設(shè)備制造商與用戶(hù)的關(guān)注?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，將給自動(dòng)化領(lǐng)域在過(guò)程控制系統(tǒng)上帶來(lái)又一次革命，其深度和廣度將超過(guò)歷史的任何一次，從而開(kāi)創(chuàng)自動(dòng)化的新紀(jì)元。

  FCS可以說(shuō)是第五代過(guò)程控制系統(tǒng)，是由PLC（Programmable Controller）或DCS（Distributed Control System）發(fā)展而來(lái)的。FCS與PLC及DCS之間有千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，又存在著本質(zhì)的差異。本文針對(duì)PLC、DCS、FCS三大控制系統(tǒng)的特點(diǎn)、性能和差異作一分析。

  1 PLC、DCS、FCS三大控制系統(tǒng)的基本特點(diǎn)

  目前，在連續(xù)型流程生產(chǎn)工業(yè)過(guò)程控制中，有三大控制系統(tǒng)，即PLC、DCS和FCS。它們各自的基本特點(diǎn)如下：

  1.1 PLC

  （1）從開(kāi)關(guān)量控制發(fā)展到順序控制、運(yùn)算處理，是從下往上的。

  （2）邏輯控制、定時(shí)控制、 計(jì)數(shù)控制、 步進(jìn)(順序)控制、連續(xù)PID控制、 數(shù)據(jù)控制-PLC具有數(shù)據(jù)處理能力、 通信和聯(lián)網(wǎng)等多功能。

  （3）可用一臺(tái)PC機(jī)為主站，多臺(tái)同型PLC為從站。

  （4）也可一臺(tái)PLC為主站，多臺(tái)同型PLC為從站，構(gòu)成PLC網(wǎng)絡(luò)。這比用PC機(jī)作主站方便之處是：有用戶(hù)編程時(shí)，不必知道通信協(xié)議，只要按說(shuō)明書(shū)格式寫(xiě)就行。

  （5）PLC網(wǎng)絡(luò)既可作為獨(dú)立DCS/TDCS，也可作為DCS/TDCS的子系統(tǒng)。

  （6）主要用于工業(yè)過(guò)程中的順序控制，新型PLC也兼有閉環(huán)控制功能。

  1.2 DCS

  （1）分散控制系統(tǒng)DCS與集散控制系統(tǒng)TDCS是集4C（Communication，Computer， Control、CRT）技術(shù)于一身的監(jiān)控技術(shù)，是第四代過(guò)程控制系統(tǒng)。既有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制算式精度高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又有儀表控制系統(tǒng)安全可靠、維護(hù)方便的要求。

  （2）從上到下的樹(shù)狀拓?fù)浯笙到y(tǒng)，其中通信（Communication）是關(guān)鍵。

  （3）是樹(shù)狀拓?fù)浜筒⑿羞B續(xù)的鏈路結(jié)構(gòu)，也有大量電纜從中繼站并行到現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表。

  （4）模擬信號(hào)，A/D—D/A、帶微處理器的混合。是由幾臺(tái)計(jì)算機(jī)和一些智能儀表智能部件組成，并逐漸地以數(shù)字信號(hào)來(lái)取代模擬信號(hào)。

  （5）一臺(tái)儀表一對(duì)線(xiàn)接到I/O，由控制站掛到局域網(wǎng)LAN。

  （6）DCS是控制（工程師站）、操作（操作員站）、現(xiàn)場(chǎng)儀表（現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控站）的3級(jí)結(jié)構(gòu)。缺點(diǎn)是成本高，各公司產(chǎn)品不能互換，不能互操作，大DCS系統(tǒng)是各家不同的。

  （7）用于大規(guī)模的連續(xù)過(guò)程控制，如石化、大型電廠(chǎng)機(jī)組的集中控制等。

  1.3 FCS

  （1）FCS是第五代過(guò)程控制系統(tǒng)，它是21世紀(jì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的方向。是3C技術(shù)（Communication，Computer，Control）的融合?；救蝿?wù)是：本質(zhì)（本征）安全、危險(xiǎn)區(qū)域、易變過(guò)程、難于對(duì)付的非常環(huán)境。

  （2）全數(shù)字化、智能、多功能取代模擬式單功能儀器、儀表、控制裝置。

  （3）用兩根線(xiàn)聯(lián)接分散的現(xiàn)場(chǎng)儀表、控制裝置，取代每臺(tái)儀表的兩根線(xiàn)。“現(xiàn)場(chǎng)控制”取代“分散控制”；數(shù)據(jù)的傳輸采用“總線(xiàn)”方式。

  （4）從控制室到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的雙向數(shù)字通信總線(xiàn)，是互聯(lián)的、雙向的、串行多節(jié)點(diǎn)、開(kāi)放的數(shù)字通信系統(tǒng)取代單向的、單點(diǎn)、并行、封閉的模擬系統(tǒng)。

  （5）用分散的虛擬控制站取代集中的控制站。

  （6）把微機(jī)處理器轉(zhuǎn)入現(xiàn)場(chǎng)自控設(shè)備，使設(shè)備具有數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力，信號(hào)傳輸精度高，遠(yuǎn)程傳輸。實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸全數(shù)字化、控制功能分散、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一全開(kāi)放。

  （7）可上局域網(wǎng)，再可與internet相通。既是通信網(wǎng)絡(luò)，又是控制網(wǎng)絡(luò)。

  （8）3類(lèi)FCS的典型應(yīng)用：1) 連續(xù)的工藝過(guò)程自動(dòng)控制如石油化工，其中“本安防爆”技術(shù)是很重要的；2）分立的工藝動(dòng)作自動(dòng)控制如汽車(chē)制造機(jī)器人、汽車(chē)；3）多點(diǎn)控制如樓宇自動(dòng)化。

  這三大控制系統(tǒng)，尤其是DCS、PLC，都在電站得到了廣泛應(yīng)用，而且效果也非常好。

  2 三大控制系統(tǒng)之間的差異

  2.1 差異

  2.1.1 DCS或PLC

  PLC系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)差異不大，只是在功能的著重點(diǎn)上的不同，DCS著重于閉環(huán)控制及數(shù)據(jù)處理。PLC著重于邏輯控制及開(kāi)關(guān)量的控制，也可實(shí)現(xiàn)模擬量控制。

  DCS或PLC系統(tǒng)的關(guān)鍵是通信。也可以說(shuō)數(shù)據(jù)公路是分散控制系統(tǒng)DCS及PLC的脊柱。由于它的任務(wù)是為系統(tǒng)所有部件之間提供通信網(wǎng)絡(luò)，因此，數(shù)據(jù)公路自身的設(shè)計(jì)就決定了總體的靈活性和安全性。數(shù)據(jù)公路的媒體可以是：一對(duì)絞線(xiàn)、同軸電纜或光纖電纜。

  DCS的特點(diǎn)是：（1）控制功能強(qiáng)?？蓪?shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，如串級(jí)、前饋、解耦、自適應(yīng)和非線(xiàn)性控制等。也可實(shí)現(xiàn)順序控制。（2）系統(tǒng)可靠性高。（3）采用CRT操作站有良好的人機(jī)界面。（4）軟硬件采用模塊化積木式結(jié)構(gòu)。（5）系統(tǒng)容易開(kāi)發(fā)。（6）用組態(tài)軟件，編程簡(jiǎn)單，操作方便。（7）有良好的性?xún)r(jià)比。

  通過(guò)數(shù)據(jù)公路的設(shè)計(jì)參數(shù)，基本上可以了解一個(gè)特定DCS或PLC系統(tǒng)的相對(duì)優(yōu)點(diǎn)與弱點(diǎn)。

  （1）系統(tǒng)能處理多少I(mǎi)/O信息。

  （2）系統(tǒng)能處理多少與控制有關(guān)的控制回路的信息。

  （3）能適應(yīng)多少用戶(hù)和裝置（CRT、控制站等）。

  （4）傳輸數(shù)據(jù)的完整性是怎樣檢查的。

  （5）數(shù)據(jù)公路的允許長(zhǎng)度是多少。

  （6）數(shù)據(jù)公路能支持多少支路。

  （7）數(shù)據(jù)公路是否能支持由其它制造廠(chǎng)生產(chǎn)的硬件（可編程序控制器、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)記錄裝置等）。為保證通信的完整，大部分DCS或PLC廠(chǎng)家都能提供冗余數(shù)據(jù)公路。

  為了保證系統(tǒng)的安全性，使用了復(fù)雜的通信規(guī)約和檢錯(cuò)技術(shù)。所謂通信規(guī)約就是一組規(guī)則，用以保證所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)接收與發(fā)送。

  目前在DCS和PLC系統(tǒng)中一般使用兩類(lèi)通信手段，即同步的和異步的，同步通信依靠一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)的傳輸和接收，異步網(wǎng)絡(luò)采用沒(méi)有時(shí)鐘的報(bào)告系統(tǒng)。

  2.1.2 FCS

  FCS具有（1）很好的開(kāi)放性、互操作性和互換性。（2）全數(shù)字通信。（3）智能化與功能自治性。（4）高度分散性。（5）很強(qiáng)的適用性。

  FCS的關(guān)鍵要點(diǎn)有三點(diǎn)：

  （1）FCS系統(tǒng)的核心是總線(xiàn)協(xié)議，即總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。

  采用雙絞線(xiàn)、光纜或無(wú)線(xiàn)電方式傳輸數(shù)字信號(hào)，減少大量導(dǎo)線(xiàn)，提高了可靠性和抗干擾能力。FCS從傳感器、變送器到調(diào)節(jié)器一直是數(shù)字信號(hào)，這就使我們很容易地處理更復(fù)雜、更精 確的信號(hào)，同時(shí)數(shù)字通信的差錯(cuò)功能可檢出傳輸中的誤碼。

  FCS可以將PID控制分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（Field Device）中?；诂F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的FCS又是全分散、全數(shù)字化、全開(kāi)放和可互操作的新一代生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)，它將取代現(xiàn)場(chǎng)一對(duì)一的4～20mA模擬信號(hào)線(xiàn)，給傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)帶來(lái)革命性的變化。

  根據(jù)IEC61158的定義，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是安裝在制造或過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)使測(cè)控設(shè)備具備了數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力，提高了信號(hào)的測(cè)量、傳輸和控制精度，提高了系統(tǒng)與設(shè)備的功能、性能。IEC/TC65的SC65C/WG6工作組于1984年開(kāi)始致力于推出世界上單一的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)工作，走過(guò)了16年的艱難歷程，于1993年推出了IEC61158-2，之后的標(biāo)準(zhǔn)制定就陷于混亂。2000年初公布的IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)子集有八種，分別為：

  ①類(lèi)型1 IEC技術(shù)報(bào)告（FFH1）；②類(lèi)型2 Control-NET（美國(guó)Rockwell公司支持）；③類(lèi)型3 Profibus（德國(guó)Siemens公司支持）；④類(lèi)型4 P-NET（丹麥Process Data公司支持）；⑤類(lèi)型5 FFHSE（原FFH2）高速以太網(wǎng)（美國(guó)Fisher Rosemount公司支持）；⑥類(lèi)型6 Swift-Net（美國(guó)波音公司支持）；⑦類(lèi)型7 WorldFIP（法國(guó)Alsto公司支持）；⑧類(lèi)型8 Interbus（美國(guó)Phoenix Contact公司支持）。

  除了IEC61158的8種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)外，IEC TC17B通過(guò)了三種總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)：SDS（Smart Distributed System）；ASI（Actuator Sensor Interface）；Device NET。另外，ISO公布了ISO 11898 CAN標(biāo)準(zhǔn)。其中Device NET于2002年10月8日被中國(guó)批準(zhǔn)為國(guó) 家標(biāo)準(zhǔn)，并于2003年4月1日開(kāi)始實(shí)施。

  所以，要實(shí)現(xiàn)這些總線(xiàn)類(lèi)型的相互兼容和互操作，就目前狀態(tài)而言，幾乎是不可能的。開(kāi)放的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)的互操作性，就一個(gè)特定類(lèi)型的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)而言，只要遵循同一類(lèi)型現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的總線(xiàn)協(xié)議，對(duì)其產(chǎn)品是開(kāi)放的，并具有互操作性。換句話(huà)說(shuō)，不論什么廠(chǎng)家的產(chǎn)品，也不一家是該現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)公司的產(chǎn)品，只要遵循同一類(lèi)型總線(xiàn)的總線(xiàn)協(xié)議，產(chǎn)品之間是開(kāi)放的，并具有互操作性，就可以組成總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。

  另外，F(xiàn)CS還可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)和企業(yè)的上級(jí)管理網(wǎng)絡(luò)相連，以便管理者掌握第一手資料，為決策提供依據(jù)。所以現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)具有開(kāi)放性、互操作性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性、靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的高度智能化、對(duì)環(huán)境的高度適應(yīng)性等諸多突出特點(diǎn)。

  （2）FCS系統(tǒng)的基礎(chǔ)是數(shù)字智能現(xiàn)場(chǎng)裝置

  控制功能下放到現(xiàn)場(chǎng)儀表中，控制室內(nèi)儀表裝置主要完成數(shù)據(jù)處理、監(jiān)督控制、優(yōu)化控制、協(xié)調(diào)控制和管理自動(dòng)化等功能。

  數(shù)字智能現(xiàn)場(chǎng)裝置是FCS系統(tǒng)的硬件支撐，是基礎(chǔ)；道理很簡(jiǎn)單，F(xiàn)CS系統(tǒng)執(zhí)行的是自動(dòng)控制裝置與現(xiàn)場(chǎng)裝置之間的雙向數(shù)字通信現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)信號(hào)制。現(xiàn)場(chǎng)裝置必須遵循統(tǒng)一的總線(xiàn)協(xié)議，即相關(guān)的通訊規(guī)約，具備數(shù)字通信功能，能實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)字通。再一點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的一大特點(diǎn)就是要增加現(xiàn)場(chǎng)一級(jí)控制功能。

  （3）FCS系統(tǒng)的本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場(chǎng)化

  對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)，無(wú)論是采用DCS還是采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，系統(tǒng)需要處理的信息量至少是一樣多的。實(shí)際上，采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)后，可以從現(xiàn)場(chǎng)得。