摘 要： 考慮到集散控制系統(tǒng)（DCS）技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛以及生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)際情況， 在現(xiàn)有的DCS控制系統(tǒng)中如何集成現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）的新技術(shù)是一個(gè)很重要的問(wèn)題。本文在詳細(xì)論述DCS與FCS的工作原理和不同特點(diǎn)的基礎(chǔ)上比較了二者的優(yōu)缺點(diǎn)，探討了選擇FCS時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題， 并就FCS與DCS 集成的問(wèn)題， 簡(jiǎn)單介紹了一些思路和方法。

關(guān)鍵詞： DCS；FCS；系統(tǒng)集成；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

隨著生產(chǎn)由簡(jiǎn)單過(guò)程向大型化、集成化和復(fù)雜化方向發(fā)展， 與之相應(yīng)的控制理論和技術(shù)、控制系統(tǒng)和工具都發(fā)生了很大的變化。集散控制系統(tǒng)（DCS）問(wèn)世到現(xiàn)在， 已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。DCS在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中引入計(jì)算機(jī)技術(shù)， 利用軟件組成各個(gè)功能塊替代過(guò)去傳統(tǒng)的電動(dòng)單元組合儀表，使得控制策略更容易實(shí)現(xiàn)。使用DCS 集散控制系統(tǒng)后， 非常方便靈活，這給控制領(lǐng)域帶來(lái)了質(zhì)的飛躍。但是從發(fā)展的眼光來(lái)看， 現(xiàn)在DCS已經(jīng)暴露出來(lái)了它自身的弱點(diǎn)。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS） 的興起， 擁有DCS產(chǎn)品的各大公司競(jìng)相開(kāi)發(fā)新一代產(chǎn)品， 已確保在新的市場(chǎng)中不被淘汰。相比較于完全取代DCS系統(tǒng)，充分利用已有的DCS設(shè)施， 用現(xiàn)有DCS的布線以及成熟的DCS控制管理方式來(lái)實(shí)現(xiàn)FCS系統(tǒng)是首選之途。

2 系統(tǒng)集成的必要性

在現(xiàn)階段，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS與集散控制系統(tǒng)DCS 相互兼容有如下的必要性：

（1）從工程角度看， 現(xiàn)場(chǎng)總線具有良好的互操作性，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 布線費(fèi)用低，控制功能分散，并且靈活可靠。然而如果企業(yè)建立有完善的DCS， 要集成FCS， 則必須仔細(xì)考慮現(xiàn)有投資對(duì)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的回報(bào)率。

（2）從技術(shù)的繼承及控制手段上，也要求FCS與DCS應(yīng)相互兼容。FCS實(shí)現(xiàn)控制功能下移至現(xiàn)場(chǎng)層，使得DCS多層網(wǎng)絡(luò)扁平化，各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)的獨(dú)立功能得以加強(qiáng)。因此，在FCS中有必要增加和完善子層設(shè)備間的數(shù)據(jù)通訊功能。

3 系統(tǒng)集成分析

FCS與DCS集成主要體現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)通信協(xié)議的相容和組態(tài)、監(jiān)控、操作軟件的統(tǒng)一，即FCS實(shí)現(xiàn)基本的測(cè)控回路，DCS作為高一層的管理協(xié)調(diào)者實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的先進(jìn)控制和優(yōu)化功能。FCS實(shí)現(xiàn)基本的測(cè)控回路，是控制系統(tǒng)獲得原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，在控制系統(tǒng)中至關(guān)重要。而對(duì)于不同的DCS系統(tǒng)必然要求不同的FCS型態(tài)，F(xiàn)CS的型態(tài)關(guān)系到集成性能的優(yōu)劣，所以集成之前FCS的選型問(wèn)題顯得尤其突出。選擇FCS時(shí)要綜合各種影響因素，應(yīng)著重從以下方面給予考察：

（1）布線安裝

現(xiàn)場(chǎng)總線能節(jié)約大量布線和安裝費(fèi)用， 但必須結(jié)合具體情況區(qū)別對(duì)待。對(duì)于一個(gè)新建的控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)總線的確能節(jié)省大量的電纜、接線端子和I/ O接口卡，但是對(duì)于一個(gè)改建工程， 更新已有的電纜和設(shè)備就不太經(jīng)濟(jì)了，這時(shí)應(yīng)考慮如何最大限度地利用現(xiàn)有的裝置設(shè)施。此外，還應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況采用合理的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。FCS的初期投資中，布線安裝費(fèi)用占了相當(dāng)一部分，因此對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)充分合理地利用已有的結(jié)構(gòu)和配置，以降低成本，優(yōu)化系統(tǒng)性能。

（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

FCS系統(tǒng)具有兩層結(jié)構(gòu)，即控制層和執(zhí)行層，而DCS系統(tǒng)是三層結(jié)構(gòu)，即過(guò)程控制層、控制管理層和生產(chǎn)管理層。FCS中大量數(shù)據(jù)在執(zhí)行層之間傳遞，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的很多狀態(tài)和診斷信息要向上位監(jiān)控機(jī)傳送，因此對(duì)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性要求很高，在數(shù)據(jù)量很大的情況下可能會(huì)出現(xiàn)阻塞； DCS更多的信息是在層與層之間傳輸，容易實(shí)現(xiàn)遞階控制以及子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)，但數(shù)據(jù)傳輸速度較慢。用戶在選擇時(shí)應(yīng)就上述FCS與DCS的結(jié)構(gòu)差異認(rèn)真考慮，不能盲目放棄已有的DCS系統(tǒng)。

（3）可用性與兼容性

可用性指系統(tǒng)是否包括完整的系列產(chǎn)品以滿足用戶特定的需求以及具體產(chǎn)品的使用特性。具體到FCS， 就要考慮廠家是否提供從現(xiàn)場(chǎng)智能變送器、執(zhí)行器到網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換接口、人機(jī)接口界面的全系列產(chǎn)品。如果系統(tǒng)構(gòu)成不完整，會(huì)給用戶的系統(tǒng)集成和實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)很大不便。此外， 還要考慮所選系統(tǒng)的向上和向下的兼容性，向下兼容性是對(duì)原有DCS系統(tǒng)的兼容性， 這對(duì)改建項(xiàng)目的用戶尤其重要； 向上兼容性則是對(duì)后續(xù)FCS系統(tǒng)的兼容性， 即提供相應(yīng)的接口設(shè)備支持先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

（4）開(kāi)放性與互操作性

FCS最大的特點(diǎn)是采用統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，因此具有很強(qiáng)的開(kāi)放性和互操作性。雖然統(tǒng)一的協(xié)議是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展方向，但是目前各廠家支持不同的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，即已有的FCS 產(chǎn)品只能實(shí)現(xiàn)有限的開(kāi)放性，因此用戶在實(shí)施FCS時(shí)，需要在其中做出選擇，詳細(xì)考查廠家所提供的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品和現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備是否通過(guò)權(quán)威機(jī)構(gòu)的一致性和互操作性認(rèn)證，是否能真正實(shí)現(xiàn)與其他廠家同協(xié)議產(chǎn)品的互連和互操作。在當(dāng)前多種現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)林立的情況下，用戶應(yīng)選擇能最大限度地提供一致性和互操作性保證的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品。

（5）控制策略

FCS 更多地從網(wǎng)絡(luò)硬件上考慮對(duì)DCS的改進(jìn)，對(duì)于控制策略的加強(qiáng)，F(xiàn)CS效果不明顯。DCS在先進(jìn)控制方面已有多年應(yīng)用，技術(shù)成熟。現(xiàn)場(chǎng)總線的功能模塊一般只能解決基本的控制問(wèn)題，如果用戶希望通過(guò)FCS解決一些先進(jìn)控制的難題，可以將FCS 集成到原有的DCS中，F(xiàn)CS實(shí)現(xiàn)基本的測(cè)控回路，DCS作為高一層的管理協(xié)調(diào)者實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的先進(jìn)控制和優(yōu)化功能。

4 結(jié)論

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS與集散控制系統(tǒng)DCS相比，具有價(jià)格低、性能好以及更加靈活等優(yōu)勢(shì)。但從工業(yè)控制領(lǐng)域現(xiàn)狀來(lái)看，更多地考慮FCS與DCS的集成， 這樣一方面保留了DCS豐富的監(jiān)控、協(xié)調(diào)管理功能，另一方面也發(fā)揮了FCS網(wǎng)絡(luò)化、分散化控制的優(yōu)勢(shì)，從而以較低的成本應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線新技術(shù)，提高生產(chǎn)過(guò)程的綜合自動(dòng)化水平。■

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作者簡(jiǎn)介：張新亮，（1981.1--）男，漢族，重慶渝北人，碩士，講師，研究方向：智能制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)與數(shù)控系統(tǒng)、PLC應(yīng)用、金屬熱處理、材料成型技術(shù)。