現場總線與DCS的網絡集成
摘要：
新的基于現場總線技術的控制策略和網絡結構將對現有的儀表及控制系統產生革命性的影響。從現場總線技術的本質特征上分析了其對傳統分散控制系統DCS的沖擊，并結合DCS的網絡結構特點，給出了現場總線集成于DCS的3種實現方法。
工業控制從早期的就地控制、集中控制，已經發展到現在的集散控制(DCS)，在過去的20年中，過程工業對DCS系統及相關的儀表裝置進行了大量的投入，DCS系統的應用結果得到了用戶的肯定。4-20mA信號是DCS系統及現場設備相互連接的最本質特點，這是控制系統和儀表裝置發展的一大進步。
然而現在，數字化和網絡化成為當今控制網絡發展的主要方向。人們意識到傳統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的機制進行數字化和網絡化，應是其發展的必然趨勢。
現場總線在智能現場設備、自動化系統之間提供了一個全數字化的、雙向的、多節點的通信鏈接。現場總線的出現促進了現場設備的數字化和網絡化，并且使現場控制的功能更加強大。這一改進帶來了過程控制系統的開放性，使系統成為具有測量、控制、執行和—過程診斷的綜合能力的控制網絡。
1 現場總線對傳統DCS的沖擊
現場總線對傳統DCS的沖擊來源于其本質上優越于DCS系統的技術特征。根據國際電工委員會IEC和現場總線基金會FF的定義，現場總線技術具有以下5個主要特點：
①數字信號完全取代4-20mA模擬信號；
②使基本過程控制、報警和計算功能等完全分布在現場完成；
③使設備增加非控制信息，如自診斷信息、組態信息以及補償信息等；
④實現現場管理和控制的統一；
⑤真正實現系統開放性、互操作性。
現場總線技術不僅是一種通信技術，它實際上融人了智能化儀表、計算機網絡和開放系統互連(OSI)等技術的精粹。所有這些特點使得以現場總線技術為基礎的現場總線控制系統(FCS)相對于傳統DCS系統具有巨大的優越性：
①系統結構大大簡化，成本顯著降低；
②現場設備自治性加強，系統性能全面提高；
③提高了信號傳輸的可靠性和精度；
④真正實現全分散、全數字化的控制網絡；
⑤用戶始終擁有系統集成權。
這些優越性可從DCS和現場總線系統的網絡結構比較后得到驗證。
2 現場總線集成于DCS系統是現階段控制網絡的發展趨勢
盡管用戶對控制系統的結構改進表示歡迎，但他們并不希望對他們現有的儀表系統做大的改動。
目前在現場總線的發展初期，大多數用戶更傾向于對他們現有的儀表系統進行逐步的增添和替換；另一方面，DCS系統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。現階段最可行的方案是考慮如何使現場總線與傳統的DCS系統盡可能地協同工作，這種集成方案能夠得到靈活的系統組態，以適用于更廣泛的、富于實用價值的應用。
3 現場總線于DCS系統I/0總線上的集成
在DCS的結構體系中，自上而下大體可分為3層：管理層，監控操作層和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卡件用于連接現場4-20mA設備、離散量或PIC等現場信號，DCS控制器負責現場控制。
在DCS系統的I/O總線上集成現場總線的關鍵是通過一個現場總線接口卡掛在DCS的I/O總線上，實現現場總線系統中的數據信息映射成原有DCS的I/O總線上相對應的數據信息，如基本測量值、報警值或工藝設定值等，使得在DCS控制器所看到的現場總線來的信息就如同來自一個傳統的DCS設備卡一樣。這樣便實現了在I/O總線上的現場總線技術集成。
這種方案主要可用于DCS系統已經安裝并穩定運行，而現場總線首次引入系統的、規模較小的應用場合；此方案也可應用于PLC系統。
這種方案的優點是結構比較簡單，缺點是集成規模受到現場總線接口卡的限制。
Fisher-Rosemount公司推出的DCS系統DeltaV采用的就是此種集成方案。DeltaV系統在它的I/O卡件中專門開發設計了此種功能的接口卡——現場總線H1通信模塊(31．25kbit／s)，成功地將現場總線技術集成在DeltaV系統中，可實現與現場總線儀表相連，極大地節省了安裝、操作以及維護費用，同樣的控制器可兼容H1與傳統的I/O模塊，有利于從傳統的控制模．式向現場總線控制模式的過渡和轉變。
在DeltaV系統的現場總線H1通信模塊中具有特定的Driver，用以實現現場總線系統數據信息與I/O總線上對應信息的映射。
4 現場總線于DCS系統網絡層的集成
除了在I/O總線上的集成方案，還可以在更高一層——DCS網絡層上集成現場總線系統。在這種方案中，現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。
在這種方案中，現場總線控制執行信息、測量以及現場儀表的控制功能均可在DCS操作站進行瀏覽并修改。它的優點是原來必須由DCS主計算機完成的一些控制和計算功能，現在可下放到現場儀表實現，并且可以在DCS操作員界面上得到相關的參數或數據信息；它的另一個優點是不需要對DCS控制站進行改動，對原有系統影響較小。
這種集成方案在工程實際中也有應用。如Smar公司的302系列現場總線產品可以實現在DCS系統網絡層集成其現場總線功能。
5 現場總線通過網關與DCS系統并行集成
若在一個工廠中并行運行著DCS系統和現場總線系統，則還可以通過一個網關來網接兩者，安裝網關以完成DCS系統與現場總線高速網絡之間的信息傳遞。
在這一結構中，DCS系統的信息能夠在新的操作員界面上得到并顯示。通過使用拋網橋可以安裝大量的H1低速總線。現場總線接口單元可提供控制協調、報警管理和短時趨勢收集等功能。
現場總線與DCS的并行集成，完成整個工廠的控制系統和信息系統的集成統一，并可以通過Web服務器實現Infranet與Inernet的互連。這種方案的優點是豐富了網絡的信息內容，便于發揮數據信息和控制信息的綜合優勢；另外，在這種集成方案中，現場總線系統與通過網關而集成在一起的DCS系統是相互獨立的。
6 結論
綜上所述，我們相信現場總線系統將廣泛地應用到過程工業控制中，通過對過程控制系統進行一些必要的修改，將現場總線技術引入到DCS中，將會給用戶帶來大量的收益；另一方面，即使大多數的連續控制環路將由現場總線系統來完成，DCS系統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。現階段現場總線與DCS系統的共存將使用戶擁有更多的選擇，以實現更合理的控制系統。
新的基于現場總線技術的控制策略和網絡結構將對現有的儀表及控制系統產生革命性的影響。從現場總線技術的本質特征上分析了其對傳統分散控制系統DCS的沖擊，并結合DCS的網絡結構特點，給出了現場總線集成于DCS的3種實現方法。
工業控制從早期的就地控制、集中控制，已經發展到現在的集散控制(DCS)，在過去的20年中，過程工業對DCS系統及相關的儀表裝置進行了大量的投入，DCS系統的應用結果得到了用戶的肯定。4-20mA信號是DCS系統及現場設備相互連接的最本質特點，這是控制系統和儀表裝置發展的一大進步。
然而現在，數字化和網絡化成為當今控制網絡發展的主要方向。人們意識到傳統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的機制進行數字化和網絡化，應是其發展的必然趨勢。
現場總線在智能現場設備、自動化系統之間提供了一個全數字化的、雙向的、多節點的通信鏈接。現場總線的出現促進了現場設備的數字化和網絡化，并且使現場控制的功能更加強大。這一改進帶來了過程控制系統的開放性，使系統成為具有測量、控制、執行和—過程診斷的綜合能力的控制網絡。
1 現場總線對傳統DCS的沖擊
現場總線對傳統DCS的沖擊來源于其本質上優越于DCS系統的技術特征。根據國際電工委員會IEC和現場總線基金會FF的定義，現場總線技術具有以下5個主要特點：
①數字信號完全取代4-20mA模擬信號；
②使基本過程控制、報警和計算功能等完全分布在現場完成；
③使設備增加非控制信息，如自診斷信息、組態信息以及補償信息等；
④實現現場管理和控制的統一；
⑤真正實現系統開放性、互操作性。
現場總線技術不僅是一種通信技術，它實際上融人了智能化儀表、計算機網絡和開放系統互連(OSI)等技術的精粹。所有這些特點使得以現場總線技術為基礎的現場總線控制系統(FCS)相對于傳統DCS系統具有巨大的優越性：
①系統結構大大簡化，成本顯著降低；
②現場設備自治性加強，系統性能全面提高；
③提高了信號傳輸的可靠性和精度；
④真正實現全分散、全數字化的控制網絡；
⑤用戶始終擁有系統集成權。
這些優越性可從DCS和現場總線系統的網絡結構比較后得到驗證。
2 現場總線集成于DCS系統是現階段控制網絡的發展趨勢
盡管用戶對控制系統的結構改進表示歡迎，但他們并不希望對他們現有的儀表系統做大的改動。
目前在現場總線的發展初期，大多數用戶更傾向于對他們現有的儀表系統進行逐步的增添和替換；另一方面，DCS系統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。現階段最可行的方案是考慮如何使現場總線與傳統的DCS系統盡可能地協同工作，這種集成方案能夠得到靈活的系統組態，以適用于更廣泛的、富于實用價值的應用。
3 現場總線于DCS系統I/0總線上的集成
在DCS的結構體系中，自上而下大體可分為3層：管理層，監控操作層和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卡件用于連接現場4-20mA設備、離散量或PIC等現場信號，DCS控制器負責現場控制。
在DCS系統的I/O總線上集成現場總線的關鍵是通過一個現場總線接口卡掛在DCS的I/O總線上，實現現場總線系統中的數據信息映射成原有DCS的I/O總線上相對應的數據信息，如基本測量值、報警值或工藝設定值等，使得在DCS控制器所看到的現場總線來的信息就如同來自一個傳統的DCS設備卡一樣。這樣便實現了在I/O總線上的現場總線技術集成。
這種方案主要可用于DCS系統已經安裝并穩定運行，而現場總線首次引入系統的、規模較小的應用場合；此方案也可應用于PLC系統。
這種方案的優點是結構比較簡單，缺點是集成規模受到現場總線接口卡的限制。
Fisher-Rosemount公司推出的DCS系統DeltaV采用的就是此種集成方案。DeltaV系統在它的I/O卡件中專門開發設計了此種功能的接口卡——現場總線H1通信模塊(31．25kbit／s)，成功地將現場總線技術集成在DeltaV系統中，可實現與現場總線儀表相連，極大地節省了安裝、操作以及維護費用，同樣的控制器可兼容H1與傳統的I/O模塊，有利于從傳統的控制模．式向現場總線控制模式的過渡和轉變。
在DeltaV系統的現場總線H1通信模塊中具有特定的Driver，用以實現現場總線系統數據信息與I/O總線上對應信息的映射。
4 現場總線于DCS系統網絡層的集成
除了在I/O總線上的集成方案，還可以在更高一層——DCS網絡層上集成現場總線系統。在這種方案中，現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。
在這種方案中，現場總線控制執行信息、測量以及現場儀表的控制功能均可在DCS操作站進行瀏覽并修改。它的優點是原來必須由DCS主計算機完成的一些控制和計算功能，現在可下放到現場儀表實現，并且可以在DCS操作員界面上得到相關的參數或數據信息；它的另一個優點是不需要對DCS控制站進行改動，對原有系統影響較小。
這種集成方案在工程實際中也有應用。如Smar公司的302系列現場總線產品可以實現在DCS系統網絡層集成其現場總線功能。
5 現場總線通過網關與DCS系統并行集成
若在一個工廠中并行運行著DCS系統和現場總線系統，則還可以通過一個網關來網接兩者，安裝網關以完成DCS系統與現場總線高速網絡之間的信息傳遞。
在這一結構中，DCS系統的信息能夠在新的操作員界面上得到并顯示。通過使用拋網橋可以安裝大量的H1低速總線。現場總線接口單元可提供控制協調、報警管理和短時趨勢收集等功能。
現場總線與DCS的并行集成，完成整個工廠的控制系統和信息系統的集成統一，并可以通過Web服務器實現Infranet與Inernet的互連。這種方案的優點是豐富了網絡的信息內容，便于發揮數據信息和控制信息的綜合優勢；另外，在這種集成方案中，現場總線系統與通過網關而集成在一起的DCS系統是相互獨立的。
6 結論
綜上所述，我們相信現場總線系統將廣泛地應用到過程工業控制中，通過對過程控制系統進行一些必要的修改，將現場總線技術引入到DCS中，將會給用戶帶來大量的收益；另一方面，即使大多數的連續控制環路將由現場總線系統來完成，DCS系統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。現階段現場總線與DCS系統的共存將使用戶擁有更多的選擇，以實現更合理的控制系統。
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