本文介绍了现场总线的概念，说明了现场控制系统FCS作为新一代网络集成式全分布控制系统的特点及其较集散控制系统DCS的优势，并介绍了如何实现DCS与 FCS的网络集成问题。
关键字：现场总线 现场控制系统 网络集成

　　前言 

　　随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂、企业，乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成了以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。现场总线的出现标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始。

　　1 现场总线简介

　　根据IEC标准和现场总线基金会的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式双向传输、多分支结构的通信网络。这个网络使用一对简单的双绞线传输现场总线仪表与控制室之间的通信信号，而且还可以对现场总线仪表[如：现场总线使用的智能传感器变迭器、智能执行器(如智能调节阀、电子马达)、可编程控制器、可编程调节器等装置均称为现场总线仪表]供电。
　　由于现场总线用全数字的双向通信代替了传统的4-20mA模拟信号，原来的点对点接线方式改用一根通信电缆同时连接多台设备，并且还能通过总线对设备供电。因此现场总线能够极大地简化布线和降低初装成本。现场总线使现场级的控制得到加强，实现控制功能的彻底分散。它通过一套标准的通信协议，将现场设备和控制系统完善地结合在一起，就像是为现场设备和控制系统定义了一种公共的数字化的语言，只要使现场设备和控制系统都能理解和运用这种语言。它们之间就能够进行良好的信息沟通，进而实现设备之间的相互操作。

　　2 现场总线构造了网络集成式全分布控制系统

　　现场总线导致了传统控制系统结构的变革，形成了新型网络集成式全分布控制系统即现场总线控制系统FCS。所谓的现场控制系统是指分散在各个工业现场的智能仪表通过数字现场的总线连为一体，并与控制室的控制器和监视器共同构成的控制系统。
　　这是继基地式控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散式控制系统DCS后的新一代控制系统，它顺应了控制系统的分散化、网络化、智能化的发展方向。 FCS的体系结构如图1所示。
　　它由3层网络组成，最后一层为低速现场总线Fiel—dbusH1连成的控制网络CNET中间的一层为高速现场总线FieldbusH2连成的系统网络SNET最上一层为普通商用管理网络MNET。最低层的H1现场总线连接着各类现场智能仪表，包括压力变法器、温度变法器、流量测量仪表及调节阀等。低速现场总线 Fieldbus H1通过耦台器连到高速现场总线FieldbusH2作为H2总线的一个节点。对FCS进行管理和运行控制的工程师站和操作站作为H2总线的节点，连接到FCS的H2总线上。如图1所示的FCS中， PLC和DCS通过接口单元作为高速现场总线的节点挂接到H2总线上。此外，FCS还通过网关接到上层管理网上，把工业现场的各种参数，数据传送到上级管理网络，为管理层决策提供第一手资料，从而实现管控的一体化。
 

如果希望连接更多的智能仪表或连接距离更远的现场仪表，可在总线上加中继器。一条H1现场总线最多可加4个中继器。加上4个中继器后，H1总线全长可达7．2km。一条 H1总线上连接的现场智能仪表最多可达126台。图1中的耦台器就是用来连接低速侧总线 H1和高速侧总线H2的。由于现场仪表有需要总线供电的，也有不需要总线供电的，有工作于本安区域的，也有工作于非本安区域的，所以锅台器的 H1连接侧具有3种接口电路，第1种是连接由总线供电工作于本安区域的现场仪表(可接2-6台)，第2种是总线供电工作于非本安区域的现场仪表(可接2-12台)，第3种是连接不需要总线供电工作于非本安区域的现场仪表(可接2-32台)。但当仅有少数几台现场仪表需要总线供电或具有本安要求时，可在进入现场一侧的安全区域加设供电电源或隔离式安全栅，这样还可以增加总线上挂接智能仪表的数量。
　　H2总线遵循profitbus-DP协议，数据传输出采用RS-485方式。每个H2总线上可以连接多个的H2/H1耦台器，H1总线通过耦合器把现场智能仪表的数据上传到H2总线上，由H2总线上的操作站对现场数据进行读取和保存。
　　通过工程师站可以在线对 FCS的各项配置进行组态和修改，通过在线下装可以把修改后的数据库传到各现场智能仪表。另外，通过上装功能可以把现场智能仪表的有关参数设置回读到工程师站上。操作员站主要完成对FCS各个部分的监视控制和管理，各操作员站的功能相同。

　　3 PCS的特点
　　3．1全数字化通信
　　在传统的DCS系统中，压力和温度变法器须将它们测量到的原始数字信号在送入DCS前要转换成4-20mA的模拟信号。而在现场总线控制系统中，从变法器的传感器到调节阀其信号一直保持数字性。在模拟系统中，工业现场环境十分恶劣，噪声及其它干扰信号的存在不易把信号检测出来，而这些噪音很难扭曲现场总线控制系统里的数字信号，也就是说数字信号有很强的抗干扰能力，数字信号的完整性使得过程控制的准确性和可靠性更高。
　　3．2通信线供电
　　通信线供电方式九许现场仪表直接从通信线上摄取能量，这种方式用于本质安全环境的低功耗现场仪表，与其配套的还有安全栅。
　　3．3开放式互联网络
　　现场总线为开放式互联网络，它既可以与同层网络相连，也可与不同层网络相连。当然，挂接在现场总线上的现场总线仪表、设备都必须是统一的标准数字化总线接口，遵循统一的通信协议。这样，不同制造厂家的产品可以十分方便地挂接在现场总线上而具有可互操作，避免因选择了某一品牌的产品而被框死了使用设备的选择范围。这样用户可以根据性能价格比选用最优的，不必在硬件和软件上保持任何修改，就可以构成所需的控制回路，自由地集成开放式控制系统。
　　3．4对现场环境的适应性
　　工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专门为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频线、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电和通信，并可满足本质安全防爆的要求等。

　　4 现场总线控制系统的优越性
　　一般人们在论述FCS的优点时总是对DCS来说的。与DCS相比， FCS具有以下几个方面的优点：
　　4．1 FCS的可靠性比DCS高
　　这包括两方面的内容：
　　(1) FCS的系统的可靠性比DCS高。
　　(2)FCS传输出数字信号，抗干扰能力强、可靠性高。
由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量和控制的精确度，减少了传送误差。同时由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统工作的可靠性，
　　4．2结构性好： FCS可以把智能技术分散现场各点。
　　把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备实现基本控制功能。
　　4．3可控性强： FCS有较强的自诊断功能
　　数字通信使用户从控制室中查索所有设备的数据、组态、运行和诊断信息已成为现实。自诊断功能可以及时帮助用户分析问题是否发生在变法器。无需亲临现场观察后才得出结论。这样，即使设备发生故障，也可以很快地恢复生产。
　　4．4互操作性和互换性：标准化的智能仪表可方便互连、互组态和互换。
互操作性是实现互连设备间、系统问的信息传送与沟通。互换性是指不同生产厂家功能类似的设备之间可以进行相互替换。互操作和互换性是将系统升级为现场总线的关键动力之一。
　　4．5统一组态：现场总线采用功能块方式组态
　　现场总线已有大量可满足各种过程控制的功能模块。如输入、输出、PID调节等，一些模块还具有报警功能。
　　4．6开放性好：标准化的网络互连
在FCS中，用户可以把遵循相同协议不同品牌的产品集成到一个规模随意的系统里，使用户真正具有系统集成的主动权。可以说现场总线控制系统就是自动化领域的开设互联系统，它从根本上打破了DCS系统的封闭性，使企业与外界信息的沟通范围不断扩大，为企业实现信息化控制与管理创造了条件。
　　4．7数据库的一致性
　　现场总线采用完全分散的数据库概念，任何同现场总线接口的人机界面都可显示有关仪表与控制回路的信息。这样，便不会产生重复的、不一致的数据。在DCS系统中，操作站与仪表数据库之间的同步化无法保证。现场总线只使用一个数据库，也就是分散于现场仪表中的数据库，人机界面就是从该数据库中获取定标数据的，手持终端所查索的也是同一个数据库。
　　4．8节省开支：节省电缆和控制室面积，降低安装及维护的费用
与传统设备间点对点的接线方式相比，让多台设备共享一条总线的现场总线系统自然能够节省大量的电缆、端子、槽盒、桥架。连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上。这样既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。

　　5 实现DCS与PCS的网络集成

　现场总线系统要求作为网络节点的仪表具备数字通信能力，因而将导致传统模拟仪表的全面更新换代，给自动化仪表的行业发展带来新的生机和活力。但现场总线系统像任何新事物的发展那样，都要经历一个发展的过程。虽然FCS与DCS相比具有更多的优点，由FCS取代DCS是必然的趋势，但这需要一段时期的过渡。由于DCS目前在全世界应用广泛，能满足当前控制的基本要求。从经济上考虑。完全抛弃掉原来的DCS而换成全新的FCS并不合算，不能充分挥已有投资的效益。从技术上考虑，虽然 FCS采用的技术比较新，也比较先进，但近年来DCS在可靠性、开放性、标准化方面也大大进了一步。同时各厂家的DCS价格近年来也大幅度下降，是用户常用的控制平台。DCS如能顺应现场总线技术的发展方向与FCS技术相融合来改造自身，也会带来新的生机。也就是说DCS要受FCS的冲击是必然的。而新技术的发展又会迫使DCS进行技术改造，如能吸收现场总线的技术精华，使DCS向FCS的方向演化，顺应技术发展潮流，DCS仍然具有一定的生命力。会继续在控制领域中发挥自己的作用。根据目前的情况。在当前和今后一段时间内。工厂车间级网络将出现现场总线与DCS网络共存的局面。当DCS与现场总线网络共存时，容许采用不同的网络集成方案，可采用网关将DCS专用网络挂接在工厂高速网络上，其结构如图2所示。
　　如果某些工厂只有单独的DCS网络或现场控制层与监控层以DCS网络为主，而某些新扩建部分采用了现场总线时，则可使用特殊网关或通信控制器，将现场总 线系统挂接在DCS网络上，甚至还可以将现场总线网段挂接在DCS网络的I/O总线上。
　　在DCS网络中，各控制仪表或其它网络节点之间的信息交换一般需通过DCS主机进行。而在新型的FCS和企业网络系统中，DCS的角色发生了很大的变化，它从原来的控制系统中心的地位转变成为企业信息网络中的一个节点。在把一些底层的控制功能交由现场总线完成之后，更多地承担起系统维护和网络管理，并负责报告和组织现场设备的维护需要和请求，以及完成对现场设备的集中组态等。
　　在DCS向FCS的过渡阶段，国内外许多公司都在致力于开发融合现场总线技术的新型DCS。如Fish-Rose-mount公司DeltaV，以及中国和利时公司根据中国国情开发的新一代 DCS-FOCS(Field Open Control System)就是一例。这些产品可以连接普通模拟量及开关量的输入输出信号，并支持Hart协议。在DCS向FCS的过渡阶段显示出独特的技术优势与较强的生命力。  电磁流量计 压力变送器 测温枪