摘 要：
新的基于現(xiàn)場總線技術(shù)的控制策略和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將對現(xiàn)有的儀表及控制系統(tǒng)產(chǎn)生革命性的影響。從現(xiàn)場總線技術(shù)的本質(zhì)特征上分析了其對傳統(tǒng)分散控制系統(tǒng)DCS的沖擊，并結(jié)合DCS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點，給出了現(xiàn)場總線集成于DCS的3種實現(xiàn)方法。
關(guān)鍵字：現(xiàn)場總線、DCS、網(wǎng)關(guān)、集成、控制
前言
工業(yè)控制從早期的就地控制、集中控制，已經(jīng)發(fā)展到現(xiàn)在的集散控制(DCS)，在過去的20年中，過程工業(yè)對DCS系統(tǒng)及相關(guān)的儀表裝置進(jìn)行了大量的投入，DCS系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)果得到了用戶的肯定。4-20mA信號是DCS系統(tǒng)及現(xiàn)場設(shè)備相互連接的最本質(zhì)特點，這是控制系統(tǒng)和儀表裝置發(fā)展的一大進(jìn)步。
然而現(xiàn)在，數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)今控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要方向。人們意識到傳統(tǒng)的模擬信號只能提供原始的測量和控制信息，而智能變送器在4-20mA信號之上附加信息的能力又受其低通信速率的制約，所以對整個過程控制系統(tǒng)的機制進(jìn)行數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，應(yīng)是其發(fā)展的必然趨勢。
現(xiàn)場總線在智能現(xiàn)場設(shè)備、自動化系統(tǒng)之間提供了一個全數(shù)字化的、雙向的、多節(jié)點的通信鏈接?，F(xiàn)場總線的出現(xiàn)促進(jìn)了現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，并且使現(xiàn)場控制的功能更加強大。這一改進(jìn)帶來了過程控制系統(tǒng)的開放性，使系統(tǒng)成為具有測量、控制、執(zhí)行和—過程診斷的綜合能力的控制網(wǎng)絡(luò)。
1 現(xiàn)場總線對傳統(tǒng)DCS的沖擊
現(xiàn)場總線對傳統(tǒng)DCS的沖擊來源于其本質(zhì)上優(yōu)越于DCS系統(tǒng)的技術(shù)特征。根據(jù)國際電工委員會IEC和現(xiàn)場總線基金會FF的定義，現(xiàn)場總線技術(shù)具有以下5個主要特點：
?、贁?shù)字信號完全取代4-20mA模擬信號；
?、谑够具^程控制、報警和計算功能等完全分布在現(xiàn)場完成；
?、凼乖O(shè)備增加非控制信息，如自診斷信息、組態(tài)信息以及補償信息等；
?、軐崿F(xiàn)現(xiàn)場管理和控制的統(tǒng)一；
?、菡嬲龑崿F(xiàn)系統(tǒng)開放性、互操作性。
現(xiàn)場總線技術(shù)不僅是一種通信技術(shù)，它實際上融人了智能化儀表、計算機網(wǎng)絡(luò)和開放系統(tǒng)互連(OSI)等技術(shù)的精粹。所有這些特點使得以現(xiàn)場總線技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)相對于傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)具有巨大的優(yōu)越性：
?、傧到y(tǒng)結(jié)構(gòu)大大簡化，成本顯著降低；
②現(xiàn)場設(shè)備自治性加強，系統(tǒng)性能全面提高；
?、厶岣吡诵盘杺鬏?shù)目煽啃院途龋?BR> ④真正實現(xiàn)全分散、全數(shù)字化的控制網(wǎng)絡(luò)；
?、萦脩羰冀K擁有系統(tǒng)集成權(quán)。
這些優(yōu)越性可從圖1中DCS和現(xiàn)場總線系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較后得到驗證。
2 現(xiàn)場總線集成于DCS系統(tǒng)是現(xiàn)階段控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢
盡管用戶對控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)表示歡迎，但他們并不希望對他們現(xiàn)有的儀表系統(tǒng)做大的改動。目前在現(xiàn)場總線的發(fā)展初期，大多數(shù)用戶更傾向于對他們現(xiàn)有的儀表系統(tǒng)進(jìn)行逐步的增添和替換；另一方面，DCS系統(tǒng)及其儀表的消失或完全被取代，對于費用或人力而言也都是不合理的。現(xiàn)階段最可行的方案是考慮如何使現(xiàn)場總線與傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)盡可能地協(xié)同工作，這種集成方案能夠得到靈活的系統(tǒng)組態(tài)，以適用于更廣泛的、富于實用價值的應(yīng)用。
3 現(xiàn)場總線于DCS系統(tǒng)I/0總線上的集成
在DCS的結(jié)構(gòu)體系中，自上而下大體可分為3層：管理層，監(jiān)控操作層和I/O測控層。在I/O測控層的I/O總線上，掛有DCS控制器和各種I/O卡件，I/O卡件用于連接現(xiàn)場4-20mA設(shè)備、離散量或PIC等現(xiàn)場信號，DCS控制器負(fù)責(zé)現(xiàn)場控制。
圖2給出了在DCS系統(tǒng)的I/O總線上集成現(xiàn)場總線的原理圖。其關(guān)鍵是通過一個現(xiàn)場總線接口卡掛在DCS的I/O總線上，實現(xiàn)現(xiàn)場總線系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息映射成原有DCS的I/O總線上相對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，如基本測量值、報警值或工藝設(shè)定值等，使得在DCS控制器所看到的現(xiàn)場總線來的信息就如同來自一個傳統(tǒng)的DCS設(shè)備卡一樣。這樣便實現(xiàn)了在I/O總線上的現(xiàn)場總線技術(shù)集成。
這種方案主要可用于DCS系統(tǒng)已經(jīng)安裝并穩(wěn)定運行，而現(xiàn)場總線首次引入系統(tǒng)的、規(guī)模較小的應(yīng)用場合；此方案也可應(yīng)用于PLC系統(tǒng)。
這種方案的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)比較簡單，缺點是集成規(guī)模受到現(xiàn)場總線接口卡的限制。
Fisher-Rosemount公司推出的DCS系統(tǒng)DeltaV采用的就是此種集成方案。DeltaV系統(tǒng)在它的I/O卡件中專門開發(fā)設(shè)計了此種功能的接口卡——現(xiàn)場總線H1通信模塊(31．25kbit／s)，成功地將現(xiàn)場總線技術(shù)集成在DeltaV系統(tǒng)中，可實現(xiàn)與現(xiàn)場總線儀表相連，極大地節(jié)省了安裝、操作以及維護(hù)費用，同樣的控制器可兼容H1與傳統(tǒng)的I/O模塊，有利于從傳統(tǒng)的控制模．式向現(xiàn)場總線控制模式的過渡和轉(zhuǎn)變。
DeltaV的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
在DeltaV系統(tǒng)的現(xiàn)場總線H1通信模塊中具有特定的Driver，用以實現(xiàn)現(xiàn)場總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息與I/O總線上對應(yīng)信息的映射，其功能方塊圖如圖4所示。
4現(xiàn)場總線于DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層的集成
除了在I/O總線上的集成方案，還可以在更高一層——DCS網(wǎng)絡(luò)層上集成現(xiàn)場總線系統(tǒng)。在這種方案中，現(xiàn)場總線接口卡不是掛在DCS的I/O總線上，而是在DCS的上層LAN上，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。
在這種方案中，現(xiàn)場總線控制執(zhí)行信息、測量以及現(xiàn)場儀表的控制功能均可在DCS操作站進(jìn)行瀏覽并修改。它的優(yōu)點是原來必須由 DCS主計算機完成的一些控制和計算功能，現(xiàn)在可下放到現(xiàn)場儀表實現(xiàn)，并且可以在DCS操作員界面上得到相關(guān)的參數(shù)或數(shù)據(jù)信息；它的另一個優(yōu)點是不需要對DCS控制站進(jìn)行改動，對原有系統(tǒng)影響較小。
這種集成方案在工程實際中也有應(yīng)用。如Smar公司的302系列現(xiàn)場總線產(chǎn)品可以實現(xiàn)在DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層集成其現(xiàn)場總線功能，其具體集成方案如圖6所示。
5 現(xiàn)場總線通過網(wǎng)關(guān)與DCS系統(tǒng)并行集成
若在一個工廠中并行運行著DCS系統(tǒng)和現(xiàn)場總線系統(tǒng)，則還可以通過一個網(wǎng)關(guān)來網(wǎng)接兩者(如圖7所示)，安裝網(wǎng)關(guān)以完成DCS系統(tǒng)與現(xiàn)場總線高速網(wǎng)絡(luò)之間的信息傳遞。在這一結(jié)構(gòu)中，DCS系統(tǒng)的信息能夠在新的操作員界面上得到并顯示。通過使用拋網(wǎng)橋可以安裝大量的H1低速總線?，F(xiàn)場總線接口單元可提供控制協(xié)調(diào)、報警管理和短時趨勢收集等功能。
現(xiàn)場總線與DCS的并行集成，完成整個工廠的控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的集成統(tǒng)一，并可以通過Web服務(wù)器實現(xiàn)Infranet與Inernet的互連。這種方案的優(yōu)點是豐富了網(wǎng)絡(luò)的信息內(nèi)容，便于發(fā)揮數(shù)據(jù)信息和控制信息的綜合優(yōu)勢；另外，在這種集成方案中，現(xiàn)場總線系統(tǒng)與通過網(wǎng)關(guān)而集成在一起的DCS系統(tǒng)是相互獨立的。
6 結(jié)論
綜上所述，我們相信現(xiàn)場總線系統(tǒng)將廣泛地應(yīng)用到過程工業(yè)控制中，通過對過程控制系統(tǒng)進(jìn)行一些必要的修改，將現(xiàn)場總線技術(shù)引入到DCS中，將會給用戶帶來大量的收益；另一方面，即使大多數(shù)的連續(xù)控制環(huán)路將由現(xiàn)場總線系統(tǒng)來完成，DCS系統(tǒng)仍將在許多諸如實時要求較高的控制場合扮演重要的角色。現(xiàn)階段現(xiàn)場總線與DCS系統(tǒng)的共存將使用戶擁有更多的選擇，以實現(xiàn)更合理的控制系統(tǒng)。
（轉(zhuǎn)載）
