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浅谈DCS集散控制系统产品开发（三）-4-8 14:12:00 五、DCS向FCS系统过渡及其发展方向前面我们介绍了，以后DCS系统发展必将是以在DCS基础上发展起来FCS替换现在DCS，因为FCS顺应了自动控制系统发展时尚。为了以后开发工作不迷失方向，我们有必需了解FCS关键组成、现实状况和未来发展方向，应该说，今天我们讨论DCS应该是以后FCS：1七十年代以前，控制系统中采取模拟量对传输及控制信号进行转换、传输，其精度差、受干扰信号影响大，所以整个控制系统控制效果及系统稳定性全部很差。七十年代末，伴随大规模集成电路出现，微处理器技术得到很大发展。微处理器功效强、体积小、可靠性高、经过合适接口电路用于控制系统，控制效果得到提升；不过尽管如此，还是属于集中式控制系统。伴随过程控制技术、自动化仪表技术和计算机网络技术成熟和发展，控制领域又发生了一次技术变革。这次变革使传统控制系统（如集散控制系统）不管在结构上还是在性能上全部发生了巨大飞跃，这次变革基础就是现场总线技术产生。2现场总线是连接现场智能设备和自动化控制设备双向串行、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，多种现场总线技术开始出现，大家要求对传统模拟仪表和控制系统变革呼声也越来越高，从而使现场总线成为一次世界性技术变革浪潮。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PROFIBUS和法国FIP等，多种现场总线标准陆续形成。其中关键有：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。不过，总线标准制订工作并非一帆风顺，因为行业和地域发展等历史原因，加上各企业和企业集团受本身利益驱使，致使现场总线国际化标准工作进展缓慢。不过不管怎样，制订单一开放国际现场总线标准是发展肯定。3目前流行几类现场总线（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含有良好发展前景一个技术。其前身是以美国Fisher Rosemount企业为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家企业制订ISP协议和以Honeywell企业为首，联合欧洲等地150家企业制订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，其传输信号采取曼切斯特编码。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通信模型对应层次，并在应用层上增加了用户层。用户层关键针对自动化测控应用需要，定义了信息存取统一规则，采取设备描述语言要求了通用功效块集。FF总线包含FF通信协议、ISO模型中27层通信协议通栈、用于描述设备特征及操作接口DDL设备描述语言、设备描述字典，用于实现测量、控制、工程量转换应用功效块，实现系统组态管理功效系统软件技术和构筑集成自动化系统、网络系统系统集成技术。（2）CAN总线 CAN总线最早是由德国Bosch企业推出，用于汽车内部测量和实施部件之间数据通信协议。其总线规范已被ISO国际标准组织制订为国际标准，而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，采取了其中物理层、数据链路层、应用层，提升了实时性。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，通信速率和总线长度相关。CAN总线采取短消息报文，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企业开发，并和Motorola和东芝企业共同提倡现场总线技术。它采取了OSI参考模型全部七层协议结构。LonWorks技术关键是含有通信和控制功效Neuron芯片。Neuron芯片实现完整LonWorksLonTalk通信协议。其上集成有三个8位CPU。一个CPU完成OSI模型第一和第二层功效，称为介质访问处理器。一个CPU是应用处理器，运行操作系统和用户代码。还有一个CPU为网络处理器，作为前二者中介，它进行网络变量寻址、更新、路径选择、网络通信管理等。由神经芯片组成节点之间能够进行对等通信。LonWorks支持多个物理介质并支持多个拓扑结构，组网方法灵活，其IS-78本安物理通道使得它能够应用于危险区域。LonWorks应用范围关键包含楼宇自动化、工业控制等，在组建分布式监控网络方面有较优越性能。（4）PROFIBUS总线PROFIBUS是符合德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50179现场总线，包含 PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA三部分。它也只采取了OSI模型物理层、数据链路层、应用层。PROFIBUS支持主从方法、纯主方法、多主多从通信方法。主站对总线含有控制权，主站间经过传输令牌来传输对总线控制权。取得控制权主站，可向从站发送、获取信息。PROFIBUS-DP用于分散外设间高速数据传输，适合于加工自动化领域。FMS型适适用于纺织、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总线类型。（5）HART总线 HART协议是由Rosemount企业于1986年提出通信协议。它是用于现场智能仪表和控制室设备间通信一个协议。它包含ISO/OSI模型物理层、数据链路层和应用层。HART通信能够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过渡产品，所以在目前过渡时期含有较强市场竞争力，在智能仪表市场上占有很大份额。4现场总线控制系统（FCS）结构和特点（1）结构伴随现场总线技术出现和成熟，促进了控制系统由集散控制系统（DCS）向现场总线控制系统（FCS）过渡。在通常FCS系统中，遵照一定现场总线协议现场仪表能够组成控制回路，使控制站部分控制功效下移分散到各个现场仪表中。从而减轻了控制站负担，使得控制站能够专职于实施复杂高层次控制算法。对于简单控制应用，甚至能够把控制站取消，在控制站位置代之以起连接现场总线作用网桥和集线器，操作站直接和现场仪表相连，组成份布式控制系统。（2）特点 分布式FCS系统比DCS系统愈加好地表现了“信息集中，控制分散”思想。和传统DCS 相比，FCS有其本身特点。FCS系统含有高度分散性，它能够由现场设备组成自治控制回路。现场仪表或设备含有高度智能化和功效自主性，可完成控制基础功效，并能够随时诊疗设备运行情况。另外，FCS结构比DCS简化。有FCS系统省略了DCS中控制站这一层，操作站直接和现场仪表相连。这些使FCS可靠性得到提升。 现场总线系统含有开放性。系统对相关标准含有一致性、公开性，强调对标准共识和遵从。通信协议一致公开，各不一样厂家设备之间可实现信息交换，经过现场总线可构筑自动化领域开放互连系统。系统开放性决定了它含有互操作性和互用性。互操作性指互连设备间、系统间信息传送和沟通；而互用则意味着不一样生产厂家性能类似设备可实现相互替换。作为工厂网络底层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，含有较强抗干扰能力。 因为结构上改变，FCS比DCS更节省硬件设备。使用FCS能够降低大量隔离器、端子柜、I/O卡及I/O端口，这么就节省了I/O装置及装置室空间；同时降低了大量电缆，能够极大地节省安装费用。和此同时，FCS比DCS性能有所提升。因为免去了D/A和A/D变换，使仪表精度得到极大提升；经过将PID功效植入到对应智能传感器中去，使控制周期大为缩短。现在FCS能够从DCS每秒调整25次增加到每秒调整1020次，改善了调整性能。FCS控制系统和DCS控制系统结构比较见图1。（3）现场总线优点 因为现场总线以上特点，尤其是其系统结构简化，使其从设计、安装、投运到正常生产运行及检修维护，全部表现出优越性。它不仅节省了硬件数量和投资，节省了安装费用，而且系统维护开销也大大地降低。现场总线控制系统不仅正确度和可靠性高，在方便使用和维护性方面，FCS也比DCS有优势。FCS使用统一组态方法，安装、运行、维修简便；利用智能化现场仪表，使维修预报（Predicted maintenance）成为可能；因为系统含有互操作性和互用性，用户能够自由选择不一样品牌设备达成最好系统集成，在设备出现故障时，能够自由选择替换设备，保障用户高度系统集成主动权。另外，它还含有设计简单，易于重构等特点。（4）发展趋向 传统集散控制系统（DCS系统）含有集中监控、分散控制、操作方便特点。不过，在实际应用中也发觉DCS结构存在部分不足之处，如控制不能做到根本分散，危险仍然相对集中；因为系统不开放性，不一样厂家产品不能交换、互联，限制了用户选择范围。利用现场总线技术，开发FCS系统目标是针对现存DCS一些不足，改善控制系统结构，提升其性能和通用性。 FCS想要在实际中替换DCS，既要含有DCS所含有功效，又要能克服DCS缺点。FCS因为采取了现场总线技术，在开放性、控制分散等方面优于传统DCS。不过因为它是一个新技术，现在连标准本身全部还没有制订统一，所以FCS和成熟DCS相比，还存在下列部分欠缺。1）因为现场总线标准本身尚在发展中，从而给产品开发和测试带来难度。这在一定程度上造成产品开发商、生产商少，产品品种单一而且价格昂贵。2）在一些场所中，FCS还无法提供DCS已经有控制功效。因为软硬件水平限制，其功效块功效还不是很强，品种也不够齐全；用现场仪表还只能组成通常控制回路如单回路、串级、百分比控制等，对于复杂、优异控制算法还无法在仪表中实现，对于单回路内有多输入、多输出情况缺乏好处理方案。3）现在FCS成功应用实例不多，难以评定实际应用效果。 因为以上这些原因，FCS替换DCS将是一个逐步过程。在这一过程中，会出现部分过渡型系统结构，如在DCS中以FCS替换DCS中一些子系统。用户将现场总线设备连接到独立现场总线网络服务器，服务器配有DCS中连接操作站上层网络接口，和操作站直接通信。在DCS软件系统中可增添对应通信和管理软件。这么不需要对原有控制系统作结构上重大变动。4）目前，多种形式现场总线协议并存于控制领域。在楼宇自控领域，Lonworks和CAN网络含有一定优势；在过程自动化领域，关键有过渡型HART协议、得到广泛支持FF现场总线协议和一样较有竞争力PROFIBUS协议。HART协议将是现在几年内智能化仪表关键通信协议；基金会现场总线是过程自动化领域中较有前途一个现场总线，得到很多自动化仪表设备厂商支持；因为Lonworks技术开放性，中国出现了利用它开发控制系统很多开发商。考虑到统一开放式现场总线协议标准制订长久性和艰巨性，传统DCS退出将是一个渐进过程。在一段时期内，会出现多个现场总线共存、同一生产现场有多个异构网络互连通讯局面。不过，发展共同遵从统一标准规范，真正形成开放式互连系统，是大势所趋。六、DCS硬件系统及其发展方向 相关硬件系统，我们还没有更深入讨论。不过，DCS或是以后FCS硬件肯定会大量采取单片嵌入式软硬件系统。这是因为：1不管是DCS智能模件还是以后FCS现场模块，必需含有自我诊 断、数据交换等功效；2因为DCS和以后FCS全部会将控制、采集任务下达给远端绝大部分 模件或模块，以让其分散系统任务，故该类模件或模块必需含有状态或数据采集、或进行PID控制。所以，它不能缺乏MCU；3因为通讯功效增强，有必需加强通讯协议认可、总线设备地址 辨识、误码智能判定及对应错误纠正等。 所谓单片嵌入式软硬件系统是指含有可安装和PCB（印制板）还仪器、仪表、专业模块设备内计算机系统。它并不包含我们常说PC计算机。（一）采取单片微处理器嵌入式软硬件系统 这种系统即是我们常说单片计算机系统。它往往采取一片单片机加外围芯片组成。关键有AD、DA、DI、DO芯片作为和外部设备交换传统模拟量信号和开关量信号。并增加和外部通讯接口电路、完成所谓RS485物理接口并配合通讯协议在控制总线或现场总线上和主计算机或其它设备交换数据。 因为传统单片机功效有限，往往还加入了大量逻辑处理单元和大容量存放器。比如：采取PAL、GAL、CPLD等。也有采取FPGA以完成逻辑、译码、存放、通讯控制和特殊布尔计算。 必需指出，单片计算机计术仍然在不停发展。很多单片机采取RISC精简指令集和CPLD、FPGA或是DSP技术，能够片内带FLASH MEMORY，并有JTAG接口，能够在线完成程序擦除、下载、调试等工作。工业控制领域以16BIT单片机为主，逐步采取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：因为因特网接入需求为8位MCU带来新活力。这表现在8位单片机供给商纷纷采取方法推出增强因特网接入功效新型8位MCU，这给原来因为常规8位单片机极高市场需求又注入新活力。市场估计从90亿美元增加到160亿美元。而16位、32位MCU加起来还不到8位MCU二分之一。完全打破一些教授和企业估计16位MCU将在短时间内替换8位MCU。她们依据8位MCU是没有能力实现和因特网连接。然而，这些预言是错误。基于8位MCU低价格性和软件嵌入式操作系统支持，加上单片机上集成硬件TCP/IP控制协处理器。这比采取16位甚至32位MCU要可靠、经济。假如说世界各大厂商在采取8位MCU完成通讯功效、而你却想用16位MCU，这除非是你产品成本比她人低得多，不然无法和她人竞争。 单片机系统配置TCP/IP通讯协议完成以太网接口是现在单片机热点。国外甚至推出能够发E_mail、上Web浏览单片机系统。所以，上网冲浪不再是PC 计算机专利。只有充足享受网上资源一切设备才是大家所追求目标。这种技术大量使用，无疑给未来工业以太网探明道路。（二）采取DSP数字处理器嵌入式软硬件系统 DSP数字处理器是最近发展起来新技术。它实际上也是单片计算机。通常单片机内部总线采取程序区和存放器区共用冯-诺依曼结构。程序按步进行，必需完成取指、运算、实施才能完成一个指令。而DSP采取哈佛结构，程序区和存放器区完全分开，取指、运算能够完全分开，即在运算阶段时能够进行取下一条指令操作。故能够高速、并行工作。因为集成大量存放器和布尔处理器、复杂逻辑阵列及特殊算法功效块，能够高速处理大量数据甚至轻而易举地完成模糊控制或自适应控制等，是未来嵌入式系统发展方向。 TMS320系列DSP是美国德州企业产品。因其内部能够并行运行多个程序故能够处理更复杂问题，对应程序实施速度得以大大提升。因为硬件回路功效较强，甚至AD、DA转换器也能够直接选择DSP一些接口来组成。对于需要愈加快处理速度（和纯硬件实施速度相当）一些设计完全能够由FPGA组成硬件，而采取VHDL设计语言来满足系统要求。则其实施方法完全并行工作，实施指令也完全和常规us/步不一样，因为它不是按每个功效需要多少个实施周期来完成，而是每个功效由多少个“硬件”组成，它总共延时多少ns。这个“硬件”是由软件来描述，而完成功效确实内部硬件进行。能够说，它如同一个半导体厂定制ASIC电路。内部功效由专用硬件组成（不过是看不见硬件），而生成硬件却是由软件进行描述而生成。未来DSP最终会向FPGA过渡。（三）DCS模件向FCS模块演变常规DCS是由若干个机柜中安装多种模件或是板卡所组成。它们相对集中而且经过内部通讯、控制总线和各个模件相连接。因为DCS已经发展很久，但其总体结构改变不大。不过，这种结构已经显著显示出不足：1因为各板卡集中于多个机柜中，各自通讯联络采取专用协议，故属于封闭式，无法直接和第三方设备交换数据，必需进行相互接口、通讯协议转换。开放性较差；2全部模件接口采取传统DI、DO、AI、AO，需要大量电缆和现场设备相连接。直接造成安装复杂、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模块强调能够现场安装，高可靠性和恶劣环境下高防护等级能够直接安装于现场。而相互连接能够经过冗余通讯电缆连接，全部连接在通讯总线上设备能够共享信息，最终实现控制功效下移至现场层。七、结束语 总而言之，DCS系统最终向FCS系统发展，我们到底是使用她人产品或是自己开发，是开发DCS还是FCS这要依据我们本身实力和情况定。依据技术发展方向和市场需求，我认为：假如需要开发DCS产品应该顺应技术发展方向和市场需求进行。换句话说，应该结合现在现有品牌DCS并有所扩展，带FCS模块以逐步向FCS系统过渡即寻求开发捷径。 依据世界上成功合作例子，有很多厂商之间相互合作，比如美国GE企业和香港Fanuc组成GE FANUC品牌90XX系列PLC。她们不再是简单OEM组装，而是进入了较高层次再开发，在亚洲市场上取得了巨大成功。我们能否也借鉴这类方法合作。而不要采取成套购入她人硬件OEM简单生产方法，共同投入技术，维护、发展产品。这么合作方法当然取决和对方是否愿意。比如，取得ABB同意，共同推出适合电站系统INFI-DF DCS系统，并部分采取自己硬件和软件系统，取得商标、硬件、软件使用权，能够在早期按技术合作入股、分成等方法，在东汽生产模件并投入物力、人力开发和FCS相适应现场总线模块扩展DCS应用范围。 假如这类方法遭到断然拒绝，那我们只有独立开发自己DCS系统了。