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现场控制系统FCS 和集散控制系统DCS的对比

供稿:中国工控网 2004/8/16 15:20:00

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1 引言
  当今的时代是一个信息化的时代,自动控制技术发展日新月异。随着网络技术的不断发展,因特网把全世界的计算机信息系统,通信系统逐渐集成起来,形成信息高速公路和公用数据网络[1]。现场总线(field bus)是用于最终控制设备与上层自动化控制设备之间的双向串行通信链络,目前主要的现场总线标准有HART、LonWorks、PROFIBUS、InterBus、FF、CAN即控制器局域网技术[2]。现场总线是应运而生的,作为工业系统控制技术领域划时代的标志,它的出现必将对该领域的发展产生重要影响。现场总线技术以其高速、可靠、布线简单,费用低廉等优点得到越来越广泛的应用,特别是在制造业自动化、过程控制自动化、电力、楼宇、铁路交通等方面[3]。现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表,使它们各自具有了数字计算和数字通讯能力,采用可进行简单连接的双绞线等作为总线,把多个测量控制仪表连接成网络系统,并按公开、规范的通信协议,在位于现场的多个微机化测量控制设备之间及现场仪表与远程监控计算机之间,实现数据传输与信息交换,形成各种适应实际需要的自动控制系统[4]。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[5,11]。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。”[6]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[7],按ISO的OSI标准提供网络服务,可靠性高,稳定性好。它采用了三层网络结构——物理层,数据链路层和应用层[8]。这种网络结构具有结构简单,执行协议直观,价格低廉等优点,同时性能又能令人满意[9]。现场总线不单单是一种通信技术,也不仅仅是用数字仪表代替模拟仪表,关键是用新一代的现场总线控制系统FCS(Field Control System )[10]代替传统的集散控制系统DCS(Distributed Control System),实现现场通信网络与控制系统的集成。
  近年来,随着控制技术、计算机技术和宽带网络技术的快速发展,测控技术、计算机控制和通信领域的结合应用已经成为大势所趋。工业自动化目前正朝现场总线控制系统方向发展。基于现场总线的控制系统(FCS)成为新一代的工业控制系统,将逐步取代传统的DCS,这是技术发展的必然要求。正由于DCS厂家品牌多,通信技术复杂,互联兼容性差,安装调试和服务成本高,才在自动控制领域孕育了下一代的现场总线技术[12]。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[14],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。DCS系统采用D/A与A/D转换实现模拟信号的传送,而FCS系统采用的是数字化通信,省去了D/A与A/D变换,提高了精度。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是开放式系统,采用了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。因此,用户可以选择不同厂商、不同品牌的各种设备连入现场总线,达到最佳的系统集成。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。


3.4 DCS和FCS结构可靠性不同


3.4.1 从可靠系数上分析
  设DCS和FCS的可靠系数分别是KD、KF。设DCS的变送器、控制器的I/O接口、执行器的可靠系数分别是K1、K2、K3;FCS的变送控制器和执行器的可靠系数为K1、K3,那么KD=K1*K2*K3;KF=K1*K3。因为K1、K2、K3<1,所以kd< p="">
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,即使采用了HART协议,也不能做到随时诊断,它的通信方式是主从式通信,通信层次比较多。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给计算机,能够察觉设备中的隐患并及时排除故障。3.4.3 从结构上分析
  FCS将DCS的三层典型结构简化成二层结构,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。DCS在工业系统中起着越来越大的作用。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。4 结论
  现场总线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[5]。随着科技水平的日益提高,多种现场总线技术已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。尽管DCS克服了模拟仪表控制系统中模拟信号精度低的缺陷,提高了系统的抗干扰能力分布式的控制系统体系结构有力地克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷,但是其对控制器本身要求很高,必须具有足够的处理能力和极高的可靠性,当系统任务增加时,控制器的效率和可靠性将急剧下降。作为国家九五科技攻关的重点项目,现场总线和现场总线控制系统必将得到迅速发展,必将书写控制领域新的篇章。FCS正是适应潮流产生的,它有着DCS无法比拟的优越性,采用了现场总线这一开放的,具有可互操作的网络将现场各控制器及仪表设备互连起来,构成了现场总线控制系统,同时控制功能彻底下放到现场,降低了投资、安装和维护费用。因此,FCS实质是一种开放的、具可互操作性的、彻底分散的分布式控制系统,有着广阔的应用前景。 参考文献
[1]林强,阳宪惠,徐用懋. 现场总线及其网络集成 [J],测控技术月刊,1999.5
[2]许劲飞,祝鸿飞,杜全兴  CAN现场总线在人工心脏瓣膜疲劳实验系统中的应用[J]  计算机应用  2002, 22(9)
[3]何巧丽,胡正国,吴健  现场总线中多总线兼容技术[J]  计算机应用  
[4]孙铭超   现场总线技术的发展 [J]  河北水利水电技术  2002年第5期  46-46
[5]阳宪惠   现场总线技术及其应用 [M],北京:清华大学出版社,1999.6
[6] 杨晓东  现场总线技术在变电站综合自动化中的应用[J]  广东电力  2002,15(4)45-45
[7]饶运涛,邹继军,郑勇芸. 现场总线CAN原理与应用技术 [M],北京:北京航空航天大学出版社2003.6
[8]陈和平,陈星耀,史永焕. CAN 和LON两种现场总线的比较 [J],电子技术应用,1997.1
[9]邬宽明 CAN总线原理和应用技术设计[M] 北京:北京航空航天大学出版社 1996.11
[10]Marcelo Luis Dultra. Field Control System .Advances in Instrumentation and Control,Vol.51,1996
[11]Jonas Berge. Fiel

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