现场总线技术与DCS系统技术

工业控制网络技术与计算机技术、网络技术和控制技术的发展息息相关，并且它是在现代化对工业生产的要求下提出与发展起来的。在20世纪60年代，模拟仪表被人们用微处理器和一些外围电路构成的数字仪表所取代，这种控制方式被称为直接数字控制（Direct Digital Control--DDC），提高了系统的控制精度和控制的灵活性。20世纪80年代中后期，控制回路进一步增多，简单的DDC系统已经不能满足当时的管理要求。于是，分层控制系统应运而生。之后由于计算机网络技术的飞速发展，同时生产过程和控制系统也进一步复杂化，计算机网络技术被应用到了控制系统的前置机之间和上位机的数据传输中。其中，前置机与上位机之间的数据传输更改为采用计算机网络实现。同时，上位机与普通站点，它们完成的逻辑功能不同。此外，上位机增加了网络的配置功能。这样的控制系统称为集散控制系统，即Distributed Control System—DCS。20世纪80年代后期，人们对DCS进行了改进，在DCS的基础上开始开发适用于工业环境的网络协议和网络结果，并且实现了传感器、控制器层的通信，即为现场总线（Field-Bus）。

随着时间的推移，人们对工业控制系统的要求越来越高，使得国际上许多著名的自动化公司开发出更为复杂的多层结构的工业控制网络。其中，工业控制网络是工业企业网的重要组成部分，也是工业企业网中不可或缺的一部分。

1 关于现场总线技术

1.1 现场总线的概念

根据国际电工委员会IEC61158标准的定义，现场总线是指应用在制造过程区域现场装置和控制室内自动控制装置之间的包括数字式、多点、串行通信的数据总线，即工业数据总线。是开放式、数字化、多点通信的底层通信网络。以现场总线为技术核心的工业控制系统，称为现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System），它是自20世纪80年代末发展起来的新型网络集成式全分布控制系统。

其中，现场总线系统一般被称为第五代控制系统。第一代控制系统为50年代前的气动信号控制系统PCS，第二代为4~20mA等电动模拟信号控制系统，第三代为数字计算机集中式控制系统，第四代为70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS。

1.2 现场总线技术

现场总线技术将专用的微处理器置入了传统的测量控制仪表，使其各自都具有了多多少少的数字计算和数字通信能力，成为能独立承担某些控制、通信任务的网络节点。它们通过普通双绞线、光纤、同轴电缆等多种途径进行信息传输，这样就能够形成以多个测量控制仪表、计算机等作为节点连接成的网络系统。该网络系统按照规范和公开的通信协议，在位于生产现场的多个微机化自控设备之间，以及现场仪表与用作管理、监控的远程计算机之间，实现数据传输与信息共享，进一步构成了各种适应实际需要的自动控制系统。

如图一所示，为一简单的现场总线系统。

1.3 现场总线的分类

典型的现场总线技术包括了基金会现场总线FF（Foudation Fieldbus），LonWork现场总线，Profibu现场总线，CAN现场总线以及HART现场总线。

1.4 现场总线技术的特点

现场总线技术具有系统的开放性，互可操作性与互用性，现场设备的智能化与功能自治性，系统结构的高度分散性以及对现场环境的适应性等。

其中开放系统是指通信协议的公开，不同厂家的设备之间也可以互联并互相交换信息。一个开放系统可以与任何遵守相同标准的其他设备、系统相连接。这样用户才可以按照自己的需要把来自不同供应厂商的产品自由组合。

除此之外，现场总线技术还具备以下优点：节省硬件数量与投资，节省安装费用，节省维护开销，用户具有高度的系统集成主动权以及提高了系统的准确性与可靠性。

2 关于DCS系统

2.1 DCS系统的概念

集散控制系统，英文为Total Distributed Control System，即为DCS系统。它是20世纪70年代中期发展起来的分散型计算机控制系统，并且以微处理器为基础，同时结合了控制技术、通信技术、计算机技术、网络技术和阴极射线管图形显示技术。该装置是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种全新的分布式计算机控制系统。

如图二所示，为DCS系统。

2.2 DCS系统的组成

迄今为止，全世界已经开发各种类型的DCS系统千余种。虽然各具特色，但是它们在系统组成和控制功能等方面，都有共同的特点。集散控制系统基本上都由分散过程监控装置、集中操作管理装置和通信系统三大部分组成。其结构如图三所示。

集散控制系统的基本结构图

2.3 DCS系统的基本功能

DCS系统虽然形式多样，但是其具备的功能基本上是一样的，包括