計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，引起了自動化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，一種世界上新型的控制系統(tǒng)即現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）在上世紀(jì)九十年代走向?qū)嵱没?，并正以迅猛的勢頭快速發(fā)展?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是目前自動化技術(shù)中的一個熱點，正越來越受到國內(nèi)外自動化設(shè)備制造商與用戶的關(guān)注。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，將給自動化領(lǐng)域在過程控制系統(tǒng)上帶來又一次革命，其深度和廣度將超過歷史的任何一次，從而開創(chuàng)自動化的新紀(jì)元。

  FCS可以說是第五代過程控制系統(tǒng)，是由PLC（Programmable Controller）或DCS（Distributed Control System）發(fā)展而來的。FCS與PLC及DCS之間有千絲萬縷的聯(lián)系，又存在著本質(zhì)的差異。本文針對PLC、DCS、FCS三大控制系統(tǒng)的特點、性能和差異作一分析。

  1 PLC、DCS、FCS三大控制系統(tǒng)的基本特點

  目前，在連續(xù)型流程生產(chǎn)工業(yè)過程控制中，有三大控制系統(tǒng)，即PLC、DCS和FCS。它們各自的基本特點如下：

  1.1 PLC

  （1）從開關(guān)量控制發(fā)展到順序控制、運算處理，是從下往上的。

  （2）邏輯控制、定時控制、 計數(shù)控制、 步進(jìn)(順序)控制、連續(xù)PID控制、 數(shù)據(jù)控制-PLC具有數(shù)據(jù)處理能力、 通信和聯(lián)網(wǎng)等多功能。

  （3）可用一臺PC機為主站，多臺同型PLC為從站。

  （4）也可一臺PLC為主站，多臺同型PLC為從站，構(gòu)成PLC網(wǎng)絡(luò)。這比用PC機作主站方便之處是：有用戶編程時，不必知道通信協(xié)議，只要按說明書格式寫就行。

  （5）PLC網(wǎng)絡(luò)既可作為獨立DCS/TDCS，也可作為DCS/TDCS的子系統(tǒng)。

  （6）主要用于工業(yè)過程中的順序控制，新型PLC也兼有閉環(huán)控制功能。

  1.2 DCS

  （1）分散控制系統(tǒng)DCS與集散控制系統(tǒng)TDCS是集4C（Communication，Computer， Control、CRT）技術(shù)于一身的監(jiān)控技術(shù)，是第四代過程控制系統(tǒng)。既有計算機控制系統(tǒng)控制算式精度高、響應(yīng)速度快的優(yōu)點，又有儀表控制系統(tǒng)安全可靠、維護(hù)方便的要求。

  （2）從上到下的樹狀拓?fù)浯笙到y(tǒng)，其中通信（Communication）是關(guān)鍵。

  （3）是樹狀拓?fù)浜筒⑿羞B續(xù)的鏈路結(jié)構(gòu)，也有大量電纜從中繼站并行到現(xiàn)場儀器儀表。

  （4）模擬信號，A/D—D/A、帶微處理器的混合。是由幾臺計算機和一些智能儀表智能部件組成，并逐漸地以數(shù)字信號來取代模擬信號。

  （5）一臺儀表一對線接到I/O，由控制站掛到局域網(wǎng)LAN。

  （6）DCS是控制（工程師站）、操作（操作員站）、現(xiàn)場儀表（現(xiàn)場測控站）的3級結(jié)構(gòu)。缺點是成本高，各公司產(chǎn)品不能互換，不能互操作，大DCS系統(tǒng)是各家不同的。

  （7）用于大規(guī)模的連續(xù)過程控制，如石化、大型電廠機組的集中控制等。

  1.3 FCS

  （1）FCS是第五代過程控制系統(tǒng)，它是21世紀(jì)自動化控制系統(tǒng)的方向。是3C技術(shù)（Communication，Computer，Control）的融合。基本任務(wù)是：本質(zhì)（本征）安全、危險區(qū)域、易變過程、難于對付的非常環(huán)境。

  （2）全數(shù)字化、智能、多功能取代模擬式單功能儀器、儀表、控制裝置。

  （3）用兩根線聯(lián)接分散的現(xiàn)場儀表、控制裝置，取代每臺儀表的兩根線?！艾F(xiàn)場控制”取代“分散控制”；數(shù)據(jù)的傳輸采用“總線”方式。

  （4）從控制室到現(xiàn)場設(shè)備的雙向數(shù)字通信總線，是互聯(lián)的、雙向的、串行多節(jié)點、開放的數(shù)字通信系統(tǒng)取代單向的、單點、并行、封閉的模擬系統(tǒng)。

  （5）用分散的虛擬控制站取代集中的控制站。

  （6）把微機處理器轉(zhuǎn)入現(xiàn)場自控設(shè)備，使設(shè)備具有數(shù)字計算和數(shù)字通信能力，信號傳輸精度高，遠(yuǎn)程傳輸。實現(xiàn)信號傳輸全數(shù)字化、控制功能分散、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一全開放。

  （7）可上局域網(wǎng)，再可與internet相通。既是通信網(wǎng)絡(luò)，又是控制網(wǎng)絡(luò)。

  （8）3類FCS的典型應(yīng)用：1) 連續(xù)的工藝過程自動控制如石油化工，其中“本安防爆”技術(shù)是很重要的；2）分立的工藝動作自動控制如汽車制造機器人、汽車；3）多點控制如樓宇自動化。

  這三大控制系統(tǒng)，尤其是DCS、PLC，都在電站得到了廣泛應(yīng)用，而且效果也非常好。

  2 三大控制系統(tǒng)之間的差異

  2.1 差異

  2.1.1 DCS或PLC

  PLC系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)差異不大，只是在功能的著重點上的不同，DCS著重于閉環(huán)控制及數(shù)據(jù)處理。PLC著重于邏輯控制及開關(guān)量的控制，也可實現(xiàn)模擬量控制。

  DCS或PLC系統(tǒng)的關(guān)鍵是通信。也可以說數(shù)據(jù)公路是分散控制系統(tǒng)DCS及PLC的脊柱。由于它的任務(wù)是為系統(tǒng)所有部件之間提供通信網(wǎng)絡(luò)，因此，數(shù)據(jù)公路自身的設(shè)計就決定了總體的靈活性和安全性。數(shù)據(jù)公路的媒體可以是：一對絞線、同軸電纜或光纖電纜。

  DCS的特點是：（1）控制功能強。可實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，如串級、前饋、解耦、自適應(yīng)和非線性控制等。也可實現(xiàn)順序控制。（2）系統(tǒng)可靠性高。（3）采用CRT操作站有良好的人機界面。（4）軟硬件采用模塊化積木式結(jié)構(gòu)。（5）系統(tǒng)容易開發(fā)。（6）用組態(tài)軟件，編程簡單，操作方便。（7）有良好的性價比。

  通過數(shù)據(jù)公路的設(shè)計參數(shù)，基本上可以了解一個特定DCS或PLC系統(tǒng)的相對優(yōu)點與弱點。

  （1）系統(tǒng)能處理多少I/O信息。

  （2）系統(tǒng)能處理多少與控制有關(guān)的控制回路的信息。

  （3）能適應(yīng)多少用戶和裝置（CRT、控制站等）。

  （4）傳輸數(shù)據(jù)的完整性是怎樣檢查的。

  （5）數(shù)據(jù)公路的允許長度是多少。

  （6）數(shù)據(jù)公路能支持多少支路。

  （7）數(shù)據(jù)公路是否能支持由其它制造廠生產(chǎn)的硬件（可編程序控制器、計算機、數(shù)據(jù)記錄裝置等）。為保證通信的完整，大部分DCS或PLC廠家都能提供冗余數(shù)據(jù)公路。

  為了保證系統(tǒng)的安全性，使用了復(fù)雜的通信規(guī)約和檢錯技術(shù)。所謂通信規(guī)約就是一組規(guī)則，用以保證所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)接收與發(fā)送。

  目前在DCS和PLC系統(tǒng)中一般使用兩類通信手段，即同步的和異步的，同步通信依靠一個時鐘信號來調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)的傳輸和接收，異步網(wǎng)絡(luò)采用沒有時鐘的報告系統(tǒng)。

  2.1.2 FCS

  FCS具有（1）很好的開放性、互操作性和互換性。（2）全數(shù)字通信。（3）智能化與功能自治性。（4）高度分散性。（5）很強的適用性。

  FCS的關(guān)鍵要點有三點：

  （1）FCS系統(tǒng)的核心是總線協(xié)議，即總線標(biāo)準(zhǔn)。

  采用雙絞線、光纜或無線電方式傳輸數(shù)字信號，減少大量導(dǎo)線，提高了可靠性和抗干擾能力。FCS從傳感器、變送器到調(diào)節(jié)器一直是數(shù)字信號，這就使我們很容易地處理更復(fù)雜、更精 確的信號，同時數(shù)字通信的差錯功能可檢出傳輸中的誤碼。

  FCS可以將PID控制分散到現(xiàn)場設(shè)備（Field Device）中?；诂F(xiàn)場總線的FCS又是全分散、全數(shù)字化、全開放和可互操作的新一代生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)，它將取代現(xiàn)場一對一的4～20mA模擬信號線，給傳統(tǒng)的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)帶來革命性的變化。

  根據(jù)IEC61158的定義，現(xiàn)場總線是安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線使測控設(shè)備具備了數(shù)字計算和數(shù)字通信能力，提高了信號的測量、傳輸和控制精度，提高了系統(tǒng)與設(shè)備的功能、性能。IEC/TC65的SC65C/WG6工作組于1984年開始致力于推出世界上單一的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)工作，走過了16年的艱難歷程，于1993年推出了IEC61158-2，之后的標(biāo)準(zhǔn)制定就陷于混亂。2000年初公布的IEC61158現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)子集有八種，分別為：

  ①類型1 IEC技術(shù)報告（FFH1）；②類型2 Control-NET（美國Rockwell公司支持）；③類型3 Profibus（德國Siemens公司支持）；④類型4 P-NET（丹麥Process Data公司支持）；⑤類型5 FFHSE（原FFH2）高速以太網(wǎng)（美國Fisher Rosemount公司支持）；⑥類型6 Swift-Net（美國波音公司支持）；⑦類型7 WorldFIP（法國Alsto公司支持）；⑧類型8 Interbus（美國Phoenix Contact公司支持）。

  除了IEC61158的8種現(xiàn)場總線外，IEC TC17B通過了三種總線標(biāo)準(zhǔn)：SDS（Smart Distributed System）；ASI（Actuator Sensor Interface）；Device NET。另外，ISO公布了ISO 11898 CAN標(biāo)準(zhǔn)。其中Device NET于2002年10月8日被中國批準(zhǔn)為國 家標(biāo)準(zhǔn)，并于2003年4月1日開始實施。

  所以，要實現(xiàn)這些總線類型的相互兼容和互操作，就目前狀態(tài)而言，幾乎是不可能的。開放的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的互操作性，就一個特定類型的現(xiàn)場總線而言，只要遵循同一類型現(xiàn)場總線的總線協(xié)議，對其產(chǎn)品是開放的，并具有互操作性。換句話說，不論什么廠家的產(chǎn)品，也不一家是該現(xiàn)場總線公司的產(chǎn)品，只要遵循同一類型總線的總線協(xié)議，產(chǎn)品之間是開放的，并具有互操作性，就可以組成總線網(wǎng)絡(luò)。

  另外，F(xiàn)CS還可以通過網(wǎng)關(guān)和企業(yè)的上級管理網(wǎng)絡(luò)相連，以便管理者掌握第一手資料，為決策提供依據(jù)。所以現(xiàn)場總線具有開放性、互操作性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性、靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、現(xiàn)場設(shè)備的高度智能化、對環(huán)境的高度適應(yīng)性等諸多突出特點。

  （2）FCS系統(tǒng)的基礎(chǔ)是數(shù)字智能現(xiàn)場裝置

  控制功能下放到現(xiàn)場儀表中，控制室內(nèi)儀表裝置主要完成數(shù)據(jù)處理、監(jiān)督控制、優(yōu)化控制、協(xié)調(diào)控制和管理自動化等功能。

  數(shù)字智能現(xiàn)場裝置是FCS系統(tǒng)的硬件支撐，是基礎(chǔ)；道理很簡單，F(xiàn)CS系統(tǒng)執(zhí)行的是自動控制裝置與現(xiàn)場裝置之間的雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號制?，F(xiàn)場裝置必須遵循統(tǒng)一的總線協(xié)議，即相關(guān)的通訊規(guī)約，具備數(shù)字通信功能，能實現(xiàn)雙向數(shù)字通。再一點，現(xiàn)場總線的一大特點就是要增加現(xiàn)場一級控制功能。

  （3）FCS系統(tǒng)的本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場化

  對于一個控制系統(tǒng)，無論是采用DCS還是采用現(xiàn)場總線，系統(tǒng)需要處理的信息量至少是一樣多的。實際上，采用現(xiàn)場總線后，可以從現(xiàn)場得。