现场总线控制系统的应用优势

姜涛 （天津渤海职业技术学院 天津300402）

现场总线控制系统的应用优势

姜涛 （天津渤海职业技术学院 天津300402）

从分析现场总线系统产生的原因入手，总结其发展历程，阐述了现场总线系统的应用优势；结合实用总线设备和现场总线系统的集成，论述了现场总线控制系统的结构和组成。指出现场总线系统在工业控制中的应用，保证了控制计算和作用的网络化实现，并使得控制系统的系统结构趋于扁平化，为系统组织重构和工作协调的实施提供了可能。

现场总线 现场总线控制系统FCS 组织重构化 工作协调化

1 现场总线控制系统的发展

1.1 现场总线的产生

现场总线是用于现场仪表与控制系统、控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点和多站的通讯系统。它嵌入在各种仪表和设备中，可靠性高，稳定性好，抗干扰能力强，通讯速率快，系统安全，符合环境保护要求，造价低廉，维护成本低。

现场总线的出现和产生，是在与传统计算机控制系统相比较的过程中由其独特的优势所决定的。现行的DCS系统结构和数据格式封闭，不同厂商产品间的互联性和互换性较差，在控制系统网络化的发展过程中不能很好地满足系统的开放和互联要求。加之用户对现场总线技术的需求和实际市场竞争的需要，促进了现场总线技术在实际中的应用。

1.2 现场总线控制系统特征

显然，现场总线系统是现场通讯网络与控制系统的集成，其节点是现场设备或现场仪表，如传感器、变送器、执行器和控制器等，将这些进行网络化处理的现场设备和现场仪表通过现场总线连接起来，实现一定控制作用的系统就是现场总线控制系统。

现场总线控制系统FCS是在集散控制系统DCS的基础上发展而成的，它继承了DCS的分布式特点，但在各功能子系统之间，尤其是在现场设备和仪表之间的连接上，采用了开放式的现场网络，从而使得系统现场级设备的连接形式发生了根本性的变化，具有许多自己所特有的性能和特征。

全网络化、全分散式、可互操作、开放式和全开放是现场总线控制系统FCS相对于DCS的基本特征。具体内容包括：①系统的彻底网络化，从最底层的传感器和执行器均通过现场总线网络实现连接，逐步向上直至最高层均与通讯网络互联；②全分散式的系统结构，FCS废弃了DCS的输入输出单元和控制站，由现场设备或现场仪表取而代之，即把DCS控制站的功能化整为零，分散到了各种现场仪表中，从而构成了虚拟控制站，实现了系统的彻底分散控制；③现场设备的互操作性，不同厂商的设备既可互联也可互换，现场设备间可实现互操作，通过进行结构的重组即统一组态，可实现系统任务的灵活调整，从而彻底改变了DCS控制层的专用性；④开放式互联网络，既可以与同层网络互联，也可与不同层的网络互联，还可极方便地共享网络资源；⑤技术和标准的全开放，从总线标准、产品检验到信息发布均是公开的，无专利许可要求，面向世界任意制造商和用户，可供任何用户使用。

由于现场总线控制系统FCS的核心是现场网络系统，而现场总线系统又是计算机技术、网络通讯技术和控制技术的综合集成，因而它的出现从根本上改变了传统的控制系统，包括系统结构、信号标准、通讯标准和系统标准，使得现代自动控制系统在体系结构、设计方法、安装调试和产品结构上，都发生了革命性的变化。这点在现场总线控制系统应用的短短几年中，已是不争的事实。

显然，与现场总线相比，传统仪表单元存在一些难以解决的问题：①一对一结构，即一台仪表、一对传输线、单向传输一个信号，是传统仪表单元的特征，它造成系统接线庞杂、工程周期长、安装费用高和维护困难的问题；②模拟信号传输精度低、易受干扰是传统仪表单元的另一特点，它要求提供抗干扰的措施和提高精度的办法，却无形中增加了成本；③同时操作员不能方便地了解现场仪表单元的运行情况，不利于控制调节作用的实施。

因而与传统的仪表单元相比，现场总线除具有上述特征外，还具有如下优点：①一对N结构，即一对传输线，N台仪表单元，双向传输多个信号，接线简单，工程周期短，安装费用低，维护容易；②可靠性高，数字信号传输抗干扰强，精度高，无需采用抗干扰措施，可有效减少系统成本；③操作性好，操作员在控制室即可了解仪表单元的运行情况，从而可以实现对仪表单元的参数调整、故障诊断和控制过程监控；④综合功能强，现场仪表单元可同时提供检测、变换和补偿功能，实现一表多用，扩展了现场总线仪表单元的应用范围；⑤统一组态，由于现场仪表单元在软件实现上采用了功能模块结构，各种仪表单元在相互连接后即可实现统一组态。

2 现场总线控制系统

2.1 现场总线单元设备

现场总线系统的节点设备称为现场设备或现场仪表。节点设备的名称及功能由厂商所确定，但一般地用于过程自动化并构成现场总线控制系统FCS的基本设备分如下几类：

2.1.1 变送器 常用的现场总线变送单元有温度、压力、流量、物位和分析5大类，每类又有多个品种。与电动单元组合仪表的变送器不同，现场总线变送单元既有检测、变换和非线性补偿功能，同时还常嵌有PID控制和运算功能。

2.1.2 执行器 常用的现场总线执行单元有电动和气动两大类，每类又有多个品种。现场总线执行单元除具有驱动和执行的基本功能，以及内含调节阀输出特性补偿外，还嵌有PID控制和运算功能；另外，某些执行器还具有阀门特性自检验和自诊断功能。

2.1.3 服务器和网桥 指例如用于FF现场总线系统的服务器和网桥。在FF的服务器下可连接H1和H2总线系统，而网桥用于H1和H2之间的连通。

2.1.4 辅助设备 指现场总线系统中的各种转换器、安全栅、总线电源和便携式编程器等。

2.1.5 监控设备 指供工程师对各种现场总线系统进行组态的设备，供操作员对工艺操作与监视的设备，以及用于系统建模、控制和优化调度的计算机工作站等。

这里所说的各种现场总线设备和仪表，除专门用于各种现场总线系统的网络设备、辅助设备和监控设备外，其他设备或仪表单元均是在原有的电动单元组合仪表的基础上发展而成的。该升级过程主要包括原有仪表单元的数字化或微机化，增加支持各种现场总线系统的接口卡以及编制支持该种现场总线系统通讯协议的运行程序。

基于任何一种现场总线系统的、由现场总线变送单元和执行单元组成的网络系统可表示为如图1所示的结构。

图1 由现场总线仪表单元组成的网络系统

由于微计算机（单片机）在仪表单元的应用，传统的检测单元和变送单元常常合二为一，即将传感器和变送单元集成在一起，共同完成相应的工作。所以，现场总线变送单元首先依靠传感器检测被测变量的信息，送信号处理单元进行必要的转换或补偿，然后再由微计算机按内嵌的程序，根据现场总线网络所要求的通讯协议实现信息的上传。现场总线执行单元则与变送单元的工作顺序正好相反，它由微计算机根据现场总线系统的网络通讯协议从总线上获得所需的信息，经信号驱动单元的驱动后，交执行机构实施控制作用，以达到对被控变量的调节作用。

这里需要指出的是，这种分散到变送器和执行器中的PID控制，同样可以方便地组成诸如串级、比值和前馈等多回路控制系统。当然如控制系统中所采用的PID控制规律复杂，或采用的是非PID控制规律时，嵌入式PID运算单元将难以胜任，一般可由位于现场总线网络上的监控计算机完成。

与现场总线变送单元和执行单元相对应，除以上所列的现场设备和现场仪表外，其他的传统仪表单元如显示单元、记录单元和打印单元等均可由相应的软件由网络上的监控计算机来完成。只有在有特殊要求的情况下，现场总线显示单元、记录单元和打印单元才被使用。

2.2 现场总线控制系统结构（见图2）

图2 几种典型的控制系统结构比较

现场总线控制系统FCS是在集散控制系统DCS的思想上，集成了新一代的网络技术而产生的。它将传统的仪表单元微计算机化，并用现场总线网络的方式代替了点对点的传统连接方式，从根本上改变了控制系统的结构和关联方式。

图2给出了DDC、DCS和FCS 3种控制系统的典型结构图。由此可以看出，DCS的出现解决了DDC控制过于集中，系统危险性也过于集中的问题；同时伴随控制分散的过程，也使得控制算法得到了简化。但控制系统的接线仍然复杂和繁琐，危险性在一定程度上还是相对集中，尤其是现场控制单元的固有结构限制了DCS的灵活性，无法实现根据控制任务的需要对控制单元进行组态的功能。现场总线控制系统FCS的出现，则从根本上解决了控制系统接线的问题，采用双绞线即可将所有的现场总线仪表单元连接在一起。它一方面大大地简化了接线，减少了不少系统成本；另一方面还使控制系统的灵活组态得以实现。此外，在FCS中系统的危险性也降到了最低，在现场总线仪表单元出现故障时，可方便地启动备用单元；同时此种结构的实现方式还可大大减少作为保证系统可靠性而配置的热备份设备的数量。

图3 基于FF现场总线的典型FCS结构图

以FF现场总线系统为例，图3给出了实现典型控制的现场总线控制系统FCS的结构。从网络结构图中可以看到，基于FF现场总线系统的FCS将现场总线仪表单元分成两类。通讯数据较多，通讯速率要求较高的现场总线仪表单元直接连接在H2总线系统上；而其他要求数据通讯较慢，或实时性要求不高的现场总线仪表单元则全部连接在H1总线系统上。由于每个H1总线系统所能够驱动的现场总线仪表单元有限，最多只能到32台，因而多个H1总线系统还可通过网桥连接到H2总线系统上，以提高整体的通讯速率，保证整个系统的实时性要求和控制需要。

2.3 现场总线系统集成与扩展

现场总线控制系统FCS是现场通讯网络与控制的集成，其节点是现场仪表单元或现场设备。现场仪表单元如基于现场总线的传感器、变送器、执行器和控制器等；而可用于现场总线的现场设备则较广，只要带有现场总线接口的控制设备均可使用，传统的设备包括DCS、PLC、通用模拟单元和通用数字单元等。将这些进行了网络化处理的现场设备和现场仪表通过现场总线连接起来，实现一定控制作用的系统就是现场总线系统集成的过程和目的。

在现场总线控制系统FCS的构成中，除需将现有的DCS和PLC等控制装置以及完成检测、变送、控制计算、执行和显示等常规的现场总线仪表单元集成到系统中外，为保证系统的正常运行、运行状态的实时监视和分析以及故障时的紧急操作途径，还需将用于控制系统的分析监测、组态维护、手动操作等硬件设备集成到系统中。较为全面的集成系统如图4所示，其中I／O接口、检测仪表单元、执行机构和监控显示器是常规仪表单元，而分析监测、组态维护、手动操作和数控装置则是专用或特殊设备。

图4 现场总线单元设备集成系统结构图

此外，现场总线控制系统FCS是一般工业控制系统的基础，随着控制系统规模的增大，控制任务的扩展，实际生产常要求在完成常规控制任务的同时，进行企业生产管理的自动化和协调化。因而，为完成较大控制任务和实现对控制过程的全面管理，还必须将其与上层控制系统有机地结合在一起。这是工业控制系统发展的需要，也是企业综合自动化的必然。

于是，将现场总线控制系统FCS与上层网络和控制系统相集成，就形成了控制管理一体化的新的控制系统体系机构，即如前面所描述的具有两层网络结构的新一代计算机控制系统。从而使得控制系统的底层与上层之间的联系变得紧密，有利于上下两个网络层控制任务的协调。

图5所示的就是基于现场总线系统和LAN网络实现的现代控制管理系统信息关系示意图。其中底层是单元组合式的数字化检测装置和执行机构，中层是开放式的标准化生产管理系统，而上层则是开放式的面向用户服务的一体化管理信息系统。底层与中层之间通过现场总线网络将底层信息集成和管理起来，中层与上层之间则通过LAN网络实现高层次信息的共享，同时还可根据需要连接到Internet和广域网上。

图5 控制管理系统信息关系示意图

在现场总线控制系统FCS自身集成的基础上，再将上层的管理和协调集成在一起的控制系统如图6所示。

现场总线控制系统FCS是20世纪90年代中期，随着现场总线技术的完善而产生的。尽管FCS的发展时间不长，但由于现场总线技术所具有的特性，以及给传统控制系统所带来的革命性的变化，使得FCS的应用和推广如日中天，必将在自动控制领域开辟出一个新的纪元。

图6 基于FCS的现代控制管理系统结构图

从系统网络结构图可以看出，用于生产管理的计算机同时连接在上层和现场总线网络上，一方面负责实施下层的生产管理，同时也与上层的商务计算机相连接，进行生产信息的交换和实现系统范围内的信息共享。

3 现场总线控制系统发展趋势

我们知道计算机控制系统的两大发展趋势，即控制系统的控制网络化和系统扁平化。而在现场总线控制系统得到发展的今天，这两大发展趋势将进一步促进现场总线控制系统的完善，从而为实现控制系统的组织重构和工作协调奠定基础。尤其是控制系统扁平化的实现，保证了各种控制系统的开发性和互联性，使得控制系统的组织重构和工作协调成为了可能。

3.1 控制系统的组织重构化

所谓控制系统的组织重构，就是指用于实现各种控制作用的子系统或单元能够根据不同工作的需要，进行重新组织和调整，以适应实际生产的需要和变化。

在传统的计算机控制系统中，由于系统结构上的限制，各种控制用仪表单元的安装和连接都是相对固定的，各种系统的功能实现也是相对固化的，很难根据工作任务的变化进行重新组织和调整。以回路控制系统为例，由于每个仪表单元须与固定的接口连接，一旦形成完成某种控制功能的回路系统后，就不能简单地变更其连接方式以构成新的回路系统。但在新一代计算机控制系统中，由于系统得到了扁平化处理，各个子系统和仪表单元均只分属上下两层网络系统，而且其连接相对灵活，因而只要对其相应配置进行适当的调整，即可实现功能系统和仪表单元的重组。体现在回路控制系统的构成上，就是只要改变回路控制系统的配置文件，根据控制任务的需要重新定义构成回路控制系统的有关仪表单元，即可方便地实现功能子系统和仪表单元的重组。

如果计算机控制系统实现了组织重构的目的，即可方便地实现如下功能：①提高控制系统的灵活性，可根据工作需要灵活改变系统中各功能子系统和仪表单元的连接形式；②增强控制系统的适应性，可适应控制任务的变化，提高系统完成控制任务的柔性程度；③改善控制系统的可靠性，可通过系统重构进行结构调整，及时和方便地更替故障单元，保证系统的正常运行；④为系统从事控制任务的协同提供了支持平台和条件。

3.2 控制系统的工作协调化

计算机支持的协同工作（Computer Supported Collaborative Works，CSCW）是近年来发展极为迅速和倍受关注的技术。它主要用于基于计算机环境下的较大规模任务的协同完成，具体应用包括异地设计、并行工程、协调控制和企业管理等，新近发展起来的电子商务也受CSCW的支持，其中控制系统的协调工作是其在企业中的重要应用之一。

控制系统的协调工作包括多种任务目标的群决策、多个部门间的工作协作、信息的共享和管理以及复杂系统多目标的协调控制等等。它们是基于控制系统的实时信息，由任务需求来确定的。必要的实时信息是进行企业控制系统协调工作的基础，而系统内部组织机构的重组则是协调工作得以实现的必备条件。

如前所述，现场总线控制系统的应用优势说明，现场总线控制系统实现了从底层仪表控制单元到上层功能子系统的整体网络化，形成了由企业网和现场总线网络组成的两层系统结构，从而使整体系统出现了扁平化的结构形式，并在此基础上可实现内部底层仪表控制单元和上层功能子系统的重组。系统结构的扁平化实现保证了实时信息的快速沟通和共享，为工作的协调提供了必须的信息来源和保证；控制系统组织的可重构又为协调工作的具体实施提供了可能。■

[1]历玉鸣.化工仪表与自动化[M].北京：化学工业出版社，2009．

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2010-11-04