現場總線與控制系統
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在現代測控領域，“開放系統”、“現場總線”這 2個詞頻繁出現。在自控界討論的仍然是 DCS(distribute control system),FCS(fieldbus controlystem)誰將最終成為主流控制系統，這場爭論的實質是利益和市場的競爭，一些既得利益者一方面要維護 DCS/ PL C的市場份額，另一方面又怕趕不上FCS的潮流，因而在自己的 DCS/ PL C系統中加入自己的現場總線；而另外一些硬、軟件生產商由于沒有歷史包袱，追求的是全新的控制系統模式，包括統一的現場總線標準及軟、硬件平臺，以引導和占領未來的市場。這些控制系統的區別有多大，有無共同的特征，未來控制系統的發展方向是什么，本文試圖在這些方面做一些探討。
1我國控制系統結構的發展
一個控制系統由 I/ O設備 (傳感器和執行器 )、控制硬件、控制軟件、人機接口及與信息系統的連接等組成，如圖 1所示 [1]。設備級現場總線使 I/O模件和控制箱得以分開，以太網使得現場采集的數據集成到企業應用中。
圖 1控制系統簡圖
80年代初期，當微機控制系統用于電站自動化領域時，多使用以單板機組成的微機控制裝置,與上位機系統連接多采用串行通信方式，所有模件集中布置在一個或幾個機柜中。由這些裝置構成的系統多為集中式控制系統或分層控制系統。這種系統為我國電站自動化控制系統發揮了重要作用,其開拓性的實踐是今天控制系統豐富多彩的基礎。但是，這類系統技術上已經落后，不符合控制系統分布、開放的發展趨勢。
1.2 DCS控制系統
DCS在我國電力行業特別是火電廠機組控制系統中得到了廣泛的應用。傳統的DCS主要有4層結構 ：第1層是I/ O層；第2層是控制器層；第3層是人機接口層；第 4層是企業信息系統層。這種結構與圖 1相近，但除在第3層、第4層之間采用以太網外，其他都是專用網絡，控制設備及軟件也是專用的，開放程度不夠，給系統維護及升級帶來不便。DCS在設備配置上還要求網絡、控制器、電源甚至模件等都為冗余結構，支持無擾切換和帶電插拔，由于設計上的高要求，導致 DCS成本太高。
1.3 PL C可編程邏輯控制器
嚴格說來，單獨的PLC因缺少人機接口及信息系統等部分，不是一個控制系統。PLC由于其高可靠性及使用的方便性，占領著很大的市場份額。從控制系統結構來看，傳統的 PLC相當于通用化的微機監控裝置，由電源模件、CPU模件、I/O模件、槽板及擴展插箱組成，使用廠家提供的梯形圖邏輯語言進行編程。但隨著市場的需要及 DCS的挑戰，PL C家族在以下幾方面得到了發展 ：1分布式 I/ O連接能力方面，由于許多高檔 PLC支持遠程 I/O及現場總線網絡 (如 Device Net,Profibus等 ),使 PL C向下連接更分布；2廠級控制系統連接方面，許多 PL C支持高速網絡，如Ethernet,Control Net,Profibus等；3軟件的開放性方面，由于許多 PLC支持 OPC標準 (object linking and embedding for processcontrol),使軟、硬件平臺之間的數據通信找到了一個實現的標準。這種部分開放加上部分專用所構成的系統可能還會延續一段時間。但是，正是由于 PLC是一種通用的控制器，應用到電力系統作為現地控制裝置有其局限性，需做許多硬件和軟件上的改進工作，配置額外的設備和電路。與 DCS相比，PLC有成本上的優勢，但可靠性、電氣性能卻不如 DCS。
1.4 FCS現場總線控制系統
FCS(fieldbus control system)顧名思義基于現場總線，根據IEC標準及現場總線基金會的定義：
現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的數字式雙向傳輸、多分支結構的通信網絡?，F場總線系統應具有以下技術特點 [2 ]：1系統的開放性；2互可操作性與可用性；3現場設備的智能化與功能自治性；4系統結構的高度分散性；5對現場環境的適應性。
由于有以上技術要求，現場總線控制系統將是開放系統的主要支撐力量。由于受集團利益的限制，現場總線網絡本身目前還未形成一個單一的標準。常見的標準有 Profibus,CAN,L onworks,World Fip 及 FF (fieldbus foundation)等，人們期待著將于2 0 0 0年初頒布的最后統一的標準 IEC61 1 58,FF與目前的 IEC61 1 58—3. 4. 5. 6草案兼容。現場總線控制系統不僅需要控制系統設備制造商的支持，更主要的是要得到分散在現場的傳感器及執行設備的支持，以取代 DCS的數字 /模擬混合技術，成為全數字式系統。這樣的系統才會比 DCS有很大的技術及成本優勢。
目前的情形是，我國廣大的中小型生產企業還沒有 DCS,大型企業使用DCS,使用現場總線控制系統近幾年內難以實現。在這種情形下，什么是當前適合中國國情的控制系統呢 ?筆者認為作為過渡階段可行的方案應是 DCS— FCS結合的控制系統模式。這種模式采用智能 I/ O模件作為儀表上網的橋梁，同時節省成本；使用現場總線網絡適應分布式、開放式的發展趨勢；使用開放式的控制器硬件及開放式的組態軟件代替 DCS中專用的控制器，保留DCS的冗余技術及組態技術等優點，使用標準的開放性網絡以太網作為廠級網絡，而不是 DCS的專用網絡。隨著技術的進步、成本的進一步降低，全開放式的現場總線控制系統必將是未來的趨勢。
2新一代的控制系統的主要特征
2.1 網絡技術
網絡中研究最多的是現場總線和以太網。從 1 984年現場總線概念的提出到目前最后的標準即將頒布，經過了 1 5年的時間。在這期間，共產生了 60多個數字通信網絡標準以連接傳感器、現場設備及控制級網絡，有 50 0 0多種支持這些網絡的產品。這一方面說明網絡技術應用的廣泛，另一方面說明迫切需要一個統一的標準。統一的現場總線標準是開放的現場總線控制系統必備的技術條件。以太網在廠站自動化中一般用于連接控制器和操作員站及管理站，這種結構叫做控制中心以網結構 (control-centric);以太網另一個發展趨勢是直接將 I/ O設備連到以太網或連到與以太網兼容的I/ O數據集中器上，這種結構叫做設備中心結構(device-centric)。前一個結構的網絡協議多為TCP/ IP,應用層協議沒有一個標準，建立在 FTP,Telnet,NFS等的服務成為事實上的標準；后一種結構使用的協議保留了以太網的物理層及鏈路層協議，在應用層使用現場總線定義的協議，如 FF的HSE(high speed Ethernet protocol),Control Net,Device Net等。
從以太網與現場總線的交叉發展趨勢可以看出，兩者將有機地結合起來。一方面由于受環境及特種技術的要求限制，現場總線的低端 (即 I/ O端 )仍采用低速網 (如 FF的 H1，Device Net或 Profibus的PA)將智能儀表等設備連接；另一方面一些兼容的智能設備采用中速網 (如 FF的 H2或 Profibus的DP)連接控制器、數據集中器、遠程 I/ O及智能 I/ O設備；在廠級系統中，采用高速以太網連接各控制器與站級計算機，形成整個控制系統，這就是LAN/fieldbus的網絡結構。這種結構如圖 2所示 [2 ]。
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