现场控制系统FCS 和集散控制系统DCS的对比

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="">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