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浅谈DCS集散控制系统产品开发（三）
    进入论坛  2023-4-8 14:12:00

五、DCS向FCS系统的过渡及其发展方向
前面我们介绍了，此后DCS系统的发展必将是以在DCS的基础上发展起来的FCS替代现在的DCS，由于FCS顺应了自动控制系统的发展潮流。
为了此后的开发工作不迷失方向，我们有必要了解FCS的重要构成、现状和未来的发展方向，应当说，今天我们讨论的DCS应当是此后的FCS：
1．七十年代以前，控制系统中采用模拟量对传输及控制信号进行转换、传递，其精度差、受干扰信号影响大，因而整个控制系统的控制效果及系统稳定性都很差。七十年代末，随着大规模集成电路的出现，微解决器技术得到很大发展。微解决器功能强、体积小、可靠性高、通过适当的接口电路用于控制系统，控制效果得到提高；但是尽管如此，还是属于集中式控制系统。随着过程控制技术、自动化仪表技术和计算机网络技术的成熟和发展，控制领域又发生了一次技术变革。这次变革使传统的控制系统（如集散控制系统）无论在结构上还是在性能上都发生了巨大的奔腾，这次变革的基础就是现场总线技术的产生。
2．现场总线是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节点通信网络，它也被称为现场底层设备控制网络（INFRANET）。80年代以来，各种现场总线技术开始出现，人们规定对传统的模拟仪表和控制系统变革的呼声也越来越高，从而使现场总线成为一次世界性的技术变革浪潮。美国仪表协会(ISA)于1984年开始制订现场总线标准，在欧洲有德国的PROFIBUS和法国的FIP等，各种现场总线标准陆续形成。其中重要的有：基金会现场总线FF（Foundation Fieldbus）、控制局域网络CAN（Controller Area Network）、局部操作网络LonWorks（Local Operating Network）、过程现场总线PROFIBUS（Process Field Bus）和HART协议(Highway Addressable Remote Transducer)等。但是，总线标准的制定工作并非一帆风顺，由于行业与地区发展等历史因素，加上各公司和公司集团受自身利益的驱使，致使现场总线的国际化标准工作进展缓慢。但是不管如何，制定单一的开放国际现场总线标准是发展的必然。
3．当前流行的几类现场总线
（1）基金会现场总线FF
    基金会现场总线FF是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的一种技术。其前身是以美国Fisher Rosemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首，联合欧洲等地150家公司制定的World FIP协议。这两大集团于1994年9月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。
    基金会现场总线分为H1和高速H2两种通信速率。H1的传输速率为31.25Kbps，通信距离可达1.9km，可支持总线供电和本质安全防暴环境。H2的传输速率可为1Mbps和2.5Mbps两种，通信距离为750m和500m。物理传输介质可为双绞线、光缆和无线，其传输信号采用曼切斯特编码。基金会现场总线以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增长了用户层。用户层重要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。FF总线涉及FF通信协议、ISO模型中的2～7层通信协议的通栈、用于描述设备特性及操作接口的DDL设备描述语言、设备描述字典，用于实现测量、控制、工程量转换的应用功能块，实现系统组态管理功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。
（2）CAN总线
    CAN总线最早是由德国Bosch公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准，并且广泛应用于离散控制领域。它也是基于OSI模型，但进行了优化，采用了其中的物理层、数据链路层、应用层，提高了实时性。其节点有优先级设定，支持点对点、一点对多点、广播模式通信。各节点可随时发送消息。传输介质为双绞线，通信速率与总线长度有关。CAN总线采用短消息报文，每一帧有效字节数为8个；当节点犯错时，可自动关闭，抗干扰能力强，可靠性高。
（3）LonWorks总线
    LonWorks技术是美国ECHELON公司开发，并与Motorola和东芝公司共同提倡的现场总线技术。它采用了OSI参考模型所有的七层协议结构。LonWorks技术的核心是具有通信和控制功能的Neuron芯片。Neuron芯片实现完整的
LonWorks的LonTalk通信协议。其上集成有三个8位CPU。一个CPU完毕OSI模型第一和第二层的功能，称为介质访问解决器。一个CPU是应用解决器，运营操作系统与用户代码。尚有一个CPU为网络解决器，作为前两者的中介，它进行网络变量寻址、更新、途径选择、网络通信管理等。由神经芯片构成的节点之间可以进行对等通信。LonWorks支持多种物理介质并支持多种拓扑结构，组网方式灵活，其IS-78本安物理通道使得它可以应用于危险区域。LonWorks应用范围重要涉及楼宇自动化、工业控制等，在组建分布式监控网络方面有较优越的性能。
（4）PROFIBUS总线
PROFIBUS是符合德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50179的现场总线，涉及 PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA三部分。它也只采用了OSI模型的物理层、数据链路层、应用层。PROFIBUS支持主从方式、纯主方式、多主多从通信方式。主站对总线具有控制权，主站间通过传递令牌来传递对总线的控制权。取得控制权的主站，可向从站发送、获取信息。PROFIBUS-DP用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域。FMS型合用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。而PA型则是用于过程自动化的总线类型。
（5）HART总线 　　
HART协议是由Rosemount公司于1986年提出的通信协议。它是用于现场智能仪表和控制室设备间通信的一种协议。它涉及ISO/OSI模型的物理层、数据链路层和应用层。HART通信可以有点对点或多点连接模式。这种协议是可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡产品，因而在当前的过渡时期具有较强市场竞争力，在智能仪表市场上占有很大的份额。
4．现场总线控制系统（FCS）的结构与特点
（1）结构
随着现场总线技术的出现和成熟，促使了控制系统由集散控制系统（DCS）向现场总线控制系统（FCS）的过渡。在一般的FCS系统中，遵循一定现场总线协议的现场仪表可以组成控制回路，使控制站的部分控制功能下移分散到各个现场仪表中。从而减轻了控制站承担，使得控制站可以专职于执行复杂的高层次的控制算法。对于简朴的控制应用，甚至可以把控制站取消，在控制站的位置代之以起连接现场总线作用的网桥和集线器，操作站直接与现场仪表相连，构成分布式控制系统。
（2）特点
    分布式的FCS系统比DCS系统更好地体现了“信息集中，控制分散”的思想。与传统的DCS 相比，FCS有其自身的特点。FCS系统具有高度的分散性，它可以由现场设备组成自治的控制回路。现场仪表或设备具有高度的智能化与功能自主性，可完毕控制的基本功能，并可以随时诊断设备的运营情况。此外，FCS的结构比DCS简化。有的FCS系统省略了DCS中控制站这一层，操作站直接与现场仪表相连。这些使FCS的可靠性得到提高。
    现场总线系统具有开放性。系统对相关标准具有一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息互换，通过现场总线可构筑自动化领域的开放互连系统。系统的开放性决定了它具有互操作性和互用性。互操作性指互连设备间、系统间信息传送与沟通；而互用则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现互相替换。作为工厂网络底层的现场总线还对现场环境有较强地适应性。它支持双绞线、同轴电缆、光缆、无线和电力线等，具有较强的抗干扰能力。
    由于结构上的改变，FCS比DCS更节约硬件设备。使用FCS可以减少大量的隔离器、端子柜、I/O卡及I/O端口，这样就节省了I/O装置及装置室的空间；同时减少了大量电缆，可以极大地节省安装费用。与此同时，FCS比DCS性能有所提高。由于免去了D/A与A/D变换，使仪表精度得到极大的提高；通过将PID功能植入到相应的智能传感器中去，使控制周期大为缩短。目前FCS可以从DCS的每秒调节2～5次增长到每秒调节10～20次，改善了调节性能。FCS控制系统与DCS控制系统结构比较见图1。
（3）现场总线的优点
    由于现场总线的以上特点，特别是其系统结构的简化，使其从设计、安装、投运到正常生产运营及检修维护，都体现出优越性。它不仅节省了硬件数量与投资，节省了安装费用，并且系统的维护开销也大大地减少。现场总线控制系统不仅精确度与可靠性高，在方便使用和维护性方面，FCS也比DCS有优势。FCS使用统一的组态方式，安装、运营、维修简便；运用智能化现场仪表，使维修预报（Predicted maintenance）成为也许；由于系统具有互操作性和互用性，用户可以自由选择不同品牌的设备达成最佳的系统集成，在设备出现故障时，可以自由选择替换的设备，保障用户的高度系统集成积极权。
此外，它还具有设计简朴，易于重构等特点。
（4）发展趋向
    传统的集散控制系统（DCS系统）具有集中监控、分散控制、操作方便的特点。但是，在实际应用中也发现DCS的结构存在一些局限性之处，如控制不能做到彻底分散，危险仍然相对集中；由于系统的不开放性，不同厂家的产品不能互换、互联，限制了用户的选择范围。运用现场总线技术，开发FCS系统的目的是针对现存的DCS的某些局限性，改善控制系统的结构，提高其性能和通用性。
     FCS想要在实际中取代DCS，既要具有DCS所具有的功能，又要能克服DCS的缺陷。FCS由于采用了现场总线技术，在开放性、控制分散等方面优于传统DCS。但是由于它是一种新技术，目前连标准自身都还没有制定统一，因此FCS与成熟的DCS相比，还存在下列的一些欠缺。
1）由于现场总线标准自身尚在发展中，从而给产品的开发和测试带来难度。这在一定限度上导致产品开发商、生产商少，产品品种单一并且价格昂贵。
2）在某些场合中，FCS还无法提供DCS已有的控制功能。由于软硬件水平的限制，其功能块的功能还不是很强，品种也不够齐全；用现场仪表还只能组成一般的控制回路如单回路、串级、比例控制等，对于复杂的、先进的控制算法还无法在仪表中实现，对于单回路内有多输入、多输出的情况缺少好的解决方案。
3）目前FCS成功的应用实例不多，难以评估实际应用效果。
    由于以上这些因素，FCS取代DCS将是一个逐渐的过程。在这一过程中，会出现一些过渡型的系统结构，如在DCS中以FCS取代DCS中的某些子系统。用户将现场总线设备连接到独立的现场总线网络服务器，服务器配有DCS中连接操作站的上层网络接口，与操作站直接通信。在DCS的软件系统中可增添相应的通信与管理软件。这样不需要对原有控制系统作结构上的重大变动。
4）当前，各种形式的现场总线协议并存于控制领域。在楼宇自控领域，Lonworks和CAN网络具有一定的优势；在过程自动化领域，重要有过渡型的HART协议、得到广泛支持的FF现场总线协议以及同样较有竞争力的PROFIBUS协议。HART协议将是目前几年内智能化仪表的重要通信协议；基金会现场总线是过程自动化领域中较有前程的一种现场总线，得到许多自动化仪表设备厂商的支持；由于Lonworks技术的开放性，国内出现了运用它开发控制系统的许多开发商。考虑到统一的开放式现场总线协议标准制定的长期性和艰巨性，传统DCS的退出将是一个渐进过程。在一段时期内，会出现几种现场总线共存、同一生产现场有几种异构网络互连通讯的局面。但是，发展共同遵从的统一的标准规范，真正形成开放式互连系统，是大势所趋。
六、DCS的硬件系统及其发展方向
    关于硬件系统，我们还没有更进一步的讨论。但是，DCS或者是此后的FCS硬件肯定会大量采用单片嵌入式软硬件系统。这是由于：
1．无论是DCS的智能模件还是此后FCS的现场模块，必须具有自我诊
断、数据互换等功能；
2．由于DCS和此后的FCS都会将控制、采集任务下达给远端绝大部分
的模件或模块，以让其分散系统任务，故该类模件或模块必须具有状态或数据采集、或者进行PID控制。因此，它不能缺少MCU；
3．由于通讯功能的增强，有必要加强通讯协议的认可、总线设备地址的
辨识、误码的智能判断及相应错误的纠正等。
    所谓单片嵌入式软硬件系统是指具有可安装与PCB（印制板）还仪器、仪表、专业模块设备内的计算机系统。它并不涉及我们常说的PC计算机。
（一）采用单片微解决器的嵌入式软硬件系统
    这种系统即是我们常说的单片计算机系统。它往往采用一片单片机加外围芯片构成。重要有AD、DA、DI、DO芯片作为与外部设备互换传统的模拟量信号和开关量信号。并增长与外部的通讯接口电路、完毕所谓的RS485物理接口并配合通讯协议在控制总线或现场总线上与主计算机或其他设备互换数据。
    由于传统的单片机功能有限，往往还加入了大量的逻辑解决单元和大容量存储器。例如：采用PAL、GAL、CPLD等。也有采用FPGA以完毕逻辑、译码、存储、通讯控制和特殊布尔计算。
    必须指出，单片计算机计术仍然在不断发展。很多单片机采用RISC精简指令集和CPLD、FPGA或者是DSP技术，可以片内带FLASH MEMORY，并有JTAG接口，可以在线完毕程序擦除、下载、调试等工作。工业控制领域以16BIT单片机为主，逐步采用32BIT甚至64BIT单片机，而应用于通讯领域中以8BIT单片机为多。据《电子工程专辑》报道：由于因特网的接入需求为8位MCU带来新的活力。这表现在8位单片机供应商纷纷采用措施推出增强因特网接入功能的新型8位MCU，这给本来由于常规8位单片机极高的市场需求又注入新的活力。市场预计从2023年的90亿美元增长到2023年的160亿美元。而16位、32位MCU加起来还不到8位MCU的一半。完全打破某些专家和公司预计的16位MCU将在短时间内替代8位MCU。他们的依据8位MCU是没有能力实现与因特网连接。然而，这些预言是错误的。基于8位MCU的低价格性和软件嵌入式操作系统的支持，加上单片机上集成硬件的TCP/IP控制协解决器。这比采用16位甚至32位MCU要可靠、经济。假如说世界各大厂商在采用8位MCU完毕通讯功能、而你却想用16位MCU，这除非是你的产品成本比别人低得多，否则无法与别人竞争。
    单片机系统配备TCP/IP通讯协议完毕以太网接口是目前单片机的热点。国外甚至推出可以发E_mail、上Web浏览的单片机系统。因此，上网冲浪不再是PC 计算机的专利。只有充足享受网上资源的一切设备才是人们所追求的目的。这种技术的大量使用，无疑给未来的工业以太网探明道路。
（二）采用DSP数字解决器的嵌入式软硬件系统
    DSP数字解决器是近来发展起来的新技术。它事实上也是单片计算机。一般的单片机内部总线采用程序区和存储器区共用的冯-诺依曼结构。程序按步进行，必须完毕取指、运算、执行才干完毕一个指令。而DSP采用哈佛结构，程序区和存储器区完全分开，取指、运算可以完全分开，即在运算阶段时可以进行取下一条指令操作。故可以高速、并行工作。由于集成大量的存储器和布尔解决器、复杂逻辑阵列及特殊算法功能块，可以高速解决大量数据甚至轻而易举地完毕模糊控制或自适应控制等，是未来嵌入式系统的发展方向。
    TMS320系列DSP是美国德州公司的产品。因其内部可以并行运营多个程序故可以解决更复杂的问题，相应程序执行速度得以大大提高。由于硬件回路功能较强，甚至AD、DA转换器也可以直接选择DSP某些接口来构成。
对于需要更快的解决速度（与纯硬件执行速度相称）某些设计完全可以由FPGA组成硬件，而采用VHDL设计语言来满足系统规定。则其执行方式完全并行工作，执行指令也完全与常规的us/步不同，由于它不是按每个功能需要多少个执行周期来完毕，而是每个功能由多少个“硬件”构成，它总共延时多少ns。这个“硬件”是由软件来描述，而完毕功能的确内部的硬件进行。可以说，它如同一个半导体厂定制的ASIC电路。内部功能由专用硬件构成（但是是看不见硬件），而生成的硬件却是由软件进行描述而生成的。
未来的DSP最终会向FPGA过渡。
（三）DCS模件向FCS模块的演变
常规的DCS是由若干个机柜中安装各种模件或者是板卡所构成。它们相对集中并且通过内部的通讯、控制总线与各个模件相连接。由于DCS已经发展很久，但其总体结构变化不大。但是，这种结构已经明显显示出局限性：
1．由于各板卡集中于几个机柜中，各自的通讯联络采用专用的协议，故属于封闭式，无法直接与第三方设备互换数据，必须进行互相接口、通讯协议转换。开放性较差；
2．所有的模件接口采用传统的DI、DO、AI、AO，需要大量的电缆与现场设备相连接。直接导致安装复杂、成本居高不下，故障点增多；
3．模件抗干扰能力、防静电能力差。
而FCS模块强调可以现场安装，高可靠性和恶劣的环境下高防护等级可以直接安装于现场。而互相连接可以通过冗余的通讯电缆连接，所有连接在通讯总线上的设备可以共享信息，最终实现控制功能下移至现场层。
七、结束语
    综上所述，DCS系统最终向FCS系统发展，我们究竟是使用别人的产品或是自己开发，是开发DCS还是FCS这要根据我们自身的实力和情况定。根据技术的发展方向和市场的需求，我认为：假如需要开发DCS产品应当顺应技术的发展方向和市场的需求进行。换句话说，应当结合目前现有品牌DCS并有所扩展，带FCS的模块以逐步向FCS系统过渡即寻找开发的捷径。
    根据世界上成功合作例子，有许多厂商之间互相合作，例如美国GE公司与香港Fanuc组成GE FANUC品牌的90XX系列PLC。他们不再是简朴的OEM组装，而是进入了较高层次的再开发，在亚洲市场上取得了巨大成功。我们能否也借鉴此类方式合作。而不要采用成套购入别人硬件OEM简朴的生产方式，共同投入技术，维护、发展产品。这样的合作方式当然取决与对方是否乐意。例如，征得ABB的批准，共同推出适合电站系统的INFI-DF DCS系统，并部分采用自己的硬件和软件系统，获得商标、硬件、软件的使用权，可以在初期按技术合作入股、提成等方式，在东汽生产模件并投入物力、人力开发与FCS相适应的现场总线模块扩展DCS应用范围。
    假如此类方式遭到断然拒绝，那我们只有独立开发自己的DCS系统了。