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1．集散控制系統(tǒng)DCS與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS的比較
1．1 概述FCS、DCS
FCS是在DCS的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，F(xiàn)CS順應(yīng)了自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展潮流，它必將替代DCS。這已是業(yè)內(nèi)人士的基本共識。然而，任何新事物的發(fā)生，發(fā)展都是在對舊事物的揚(yáng)棄中進(jìn)行的，F(xiàn)CS與DCS的關(guān)系必然也不例外。FCS代表潮流與發(fā)展方向，而DCS則代表傳統(tǒng)與成熟，也是獨(dú)具優(yōu)勢的事物。特別是現(xiàn)階段，F(xiàn)CS尚沒有統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)而呈群雄逐鹿之勢，DCS則以其成熟的發(fā)展，完備的功能及廣泛的應(yīng)用而占居著一個(gè)尚不可完全替代的地位。本人認(rèn)為：現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS應(yīng)該與集散式控制系統(tǒng)DCS相互兼容。
無論是FCS或者是DCS，它們最終是為了滿足整個(gè)生產(chǎn)過程而進(jìn)行的系統(tǒng)控制（PCS）。
首先以工程成本與效益看，現(xiàn)場總線的根本優(yōu)勢是良好的互操作性；結(jié)構(gòu)簡單，從而布線費(fèi)用低；控制功能分散，靈活可靠，以及現(xiàn)場信息豐富。然而這些優(yōu)勢是建立在 FCS系統(tǒng)初裝的前提下，倘諾企業(yè)建立有完善的DCS，現(xiàn)在要向FCS過渡，則必須仔細(xì)考慮現(xiàn)有投資對已有投資的回報(bào)率。充分利用已有的DCS設(shè)施，現(xiàn)有DCS的布線以及成熟的DCS控制管理方式來實(shí)現(xiàn)FCS是我們應(yīng)選之途。
雖然現(xiàn)場總線對已有的數(shù)字現(xiàn)場協(xié)議有優(yōu)勢可言，但向其過渡的代價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)是必須分析清楚的。再者，從技術(shù)的繼承及控制手段上，也要求FCS與DCS應(yīng)相兼容。FCS實(shí)現(xiàn)控制功能下移至現(xiàn)場層，使DCS的 多層網(wǎng)絡(luò)被扁平化，各個(gè)現(xiàn)場設(shè)備節(jié)點(diǎn)的獨(dú)立功能得以加強(qiáng)，因此，在FCS中有必要增加和完善現(xiàn)場子層設(shè)備間的數(shù)據(jù)通訊功能。
由于歷史的原因，DCS通常擁有大型控制柜用以協(xié)調(diào)各個(gè)設(shè)備，同時(shí)更強(qiáng)調(diào)層與層的數(shù)據(jù)傳輸。可見，兩種控制在策略上各具優(yōu)勢。DCS適用于較慢的數(shù)據(jù)傳輸速率；FCS則更適用于較快的數(shù)據(jù)傳輸速率，以及更靈活的處理數(shù)據(jù)。然而，當(dāng)數(shù)據(jù)量超過一定值過于偏大時(shí)，如果同層的設(shè)備過于獨(dú)立，則很容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的堵塞。要解決這個(gè)問題，擬設(shè)立一個(gè)適當(dāng)?shù)谋O(jiān)控層用以協(xié)調(diào)相互通訊的設(shè)備，必然是有益的，DCS就能輕松地勝任這一工作。可見，為使FCS的控制方式和手段完善化，是有必要借鑒DCS的一些控制思想的。
要把握新世紀(jì)工業(yè)過程控制的發(fā)展趨勢，無論在學(xué)術(shù)研究或是工程應(yīng)用方面都有必要使FCS綜合與繼承DCS的成熟控制策略；與此同時(shí)，DCS的發(fā)展也應(yīng)追尋FCS控制策略的新思想，使其具有新的生命力。DCS應(yīng)能動(dòng)地將底層控制權(quán)交付給FCS系統(tǒng)，將較高層的系統(tǒng)協(xié)調(diào)管理功能發(fā)揚(yáng)光大，完成對新時(shí)代，新形勢的工業(yè)控制系統(tǒng)的智能設(shè)備集成。
1．2現(xiàn)場總線傳輸特點(diǎn)
現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）是順應(yīng)智能現(xiàn)場儀表而發(fā)展起來的。它的初衷是用數(shù)字通訊代替4－20mA模擬傳輸技術(shù)，但隨著現(xiàn)場總線技術(shù)與智能儀表管控一體化（儀表調(diào)校、控制組態(tài)、診斷、報(bào)警、記錄）的發(fā)展，在控制領(lǐng)域內(nèi)引起了一場前所未有的革命。控制專家們紛紛預(yù)言：FCS將成為21世紀(jì)控制系統(tǒng)的主流。
然而就在人們沸沸揚(yáng)揚(yáng)的對FCS進(jìn)行概念炒作的時(shí)候，卻沒有注意到它的發(fā)展在某些方面的不協(xié)調(diào)，其主要表現(xiàn)在迄今為止現(xiàn)場總線的通訊標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，這使得各廠商的儀表設(shè)備難以在不同的FCS中兼容。此外，F(xiàn)CS的傳輸速率也不盡人意，以基金會(huì)現(xiàn)場總線（FF）正在制定的國際標(biāo)準(zhǔn)為例，它采用了ISO的參考模型中的3層（物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層）和極具特色的用戶層，其低速總線H1的傳輸速度為31.25kbps，高速總線H2的傳輸速度為1Mbps或2.5Mbps，就針對西門子推出的PROFIBUS總線而言：其市場站有率相對較大，但由于受通訊線路長度的影響，在100M線路長度下最高通訊速率為12Mbps，這在有些場合下仍無法滿足實(shí)時(shí)控制的要求。由于上述原因，使FCS在工業(yè)控制中的推廣應(yīng)用受到了一定的限制。當(dāng)人們冷靜下來對這些問題進(jìn)行思考時(shí)，不禁想起了在商業(yè)網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)用的以太網(wǎng)。
以太網(wǎng)具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢，由于它支持幾乎所有流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，所以在商業(yè)系統(tǒng)中被廣泛采用。但是傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用總線式拓樸結(jié)構(gòu)和多路存取載波偵聽碰撞檢測（CSMA/CD）通訊方式,在實(shí)時(shí)性要求較高的場合下，重要數(shù)據(jù)的傳輸過程會(huì)產(chǎn)生傳輸延滯，這被稱為以太網(wǎng)的“不確定性”。研究表明：商業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)應(yīng)用中的傳輸延滯在2～30ms之間，這是影響以太網(wǎng)長期無法進(jìn)入過程控制領(lǐng)域的重要原因之一。因此對以太網(wǎng)的研究具有工程實(shí)用價(jià)值，從而產(chǎn)生了一種新型以太網(wǎng)。
1．3工業(yè)以太網(wǎng)的研究現(xiàn)狀
近年來控制與通訊工程師們致力于新型工業(yè)以太網(wǎng)的研究工作，其中有代表性的是FF制定的快速以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，其傳輸速度為100Mbps。綜觀工業(yè)以太網(wǎng)的研究現(xiàn)狀，出現(xiàn)了兩個(gè)值得注意的發(fā)展方向：以太網(wǎng)集線器和具有實(shí)時(shí)功能的以太網(wǎng)的協(xié)議。
a、以太網(wǎng)集線器
FF將以太網(wǎng)技術(shù)加入到H2協(xié)議中，并以它作為H2的底層協(xié)議，其網(wǎng)絡(luò)采用星型拓樸結(jié)構(gòu)。
集線器（HUB）置于網(wǎng)絡(luò)中心并通過以太網(wǎng)I/O接口掛接現(xiàn)場設(shè)備，其中實(shí)時(shí)現(xiàn)場儀表和普通現(xiàn)場儀表（通過通道組）分別掛接在不同的以太網(wǎng)I/O接口上。以太網(wǎng)I/O接口高速（約100 kHz）掃描所有實(shí)時(shí)現(xiàn)場儀表和通道組，然后傳送數(shù)據(jù)包到上層控制器。
通常普通控制算法在現(xiàn)場控制器中進(jìn)行（可由上層控制器下載），而高級控制算法則在上層控制器中進(jìn)行，其控制輸出經(jīng)以太網(wǎng)集線器和以太網(wǎng)I/O接口傳輸?shù)浆F(xiàn)場執(zhí)行儀表。由于實(shí)時(shí)現(xiàn)場儀表掛接在專用的以太網(wǎng)入口地址，并用完全分離的線路傳輸數(shù)據(jù)，所以保證了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不會(huì)產(chǎn)生傳輸延滯和線路阻塞。
集線器作為網(wǎng)絡(luò)的仲裁器，除了控制通信雙方的傳輸時(shí)間外，還對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包進(jìn)行優(yōu)先級設(shè)置，使每條信息都包含傳輸優(yōu)先級等實(shí)時(shí)參數(shù)。此外智能化的集線器還可以動(dòng)態(tài)檢測需要通訊的現(xiàn)場設(shè)備所在以太網(wǎng)I/O口，并為之提供數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，這樣可大大縮短現(xiàn)場設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間和減少數(shù)據(jù)的重發(fā)次數(shù)。集線器與其它集線器相連可實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)共享。
經(jīng)驗(yàn)證這種采用以太網(wǎng)集線器技術(shù)的FCS可使實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的延遲時(shí)間控制在200納秒的范圍之內(nèi)，這已足以滿足多數(shù)場合的實(shí)時(shí)控制要求。
b、在以太網(wǎng)的協(xié)議中加入實(shí)時(shí)功能
一些FCS的生產(chǎn)商（如ControlNet、Profibus、Modbus和Java等）在開發(fā)自己的工業(yè)以太網(wǎng)FCS時(shí)，在工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議中加入實(shí)時(shí)功能，此項(xiàng)技術(shù)被稱為“地道”，它其實(shí)僅僅是在設(shè)備中加入特殊的協(xié)議芯片，這里不做具體介紹。
c、工業(yè)以太網(wǎng)的研究課題
上述研究工作的進(jìn)展為以太網(wǎng)進(jìn)入FCS提供了可行性，但要使以太網(wǎng)能在FCS中發(fā)揮其強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，以滿足現(xiàn)代工業(yè)控制中日益增長的數(shù)據(jù)傳輸和信息傳輸種類（如語音、圖象和視頻等）的需要，還有待于研究工作取得更大的突破性進(jìn)展。目前的研究工作應(yīng)集中解決以下兩個(gè)方面的問題：
1．4盡快推出FCS國際標(biāo)準(zhǔn)
當(dāng)今的FCS領(lǐng)域出現(xiàn)了世界各大廠商各自為戰(zhàn)的混亂局面。其中有影響的為Inb公司的Bitbus、德國的HART和Profibus、丹麥的P-NET、Honeyvell及AB的WorldFIP、Foxboro,ABB和橫河的ISP、FF的H1和H2和Echelon的Lonworks、菲利普的CAN等。這種混亂局面是由于各大廠商為了搶占市場急于推出自己的產(chǎn)品，而FCS的國際標(biāo)準(zhǔn)又遲遲不能出臺(tái)所造成的。標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一使各廠家推出的FCS成為一個(gè)個(gè)“自動(dòng)化孤島”，不同系統(tǒng)和現(xiàn)場設(shè)備的兼容性都很差。FCS的用戶強(qiáng)烈呼吁盡快出臺(tái)FCS的國際標(biāo)準(zhǔn)，以期望實(shí)現(xiàn)FCS的“世界大同”。
1994年6月WorldFIP和ISP聯(lián)合成立了FF，它包括了世界上幾乎所有的著名控制儀表廠商在內(nèi)的100多個(gè)成員單位，致力于IEC的FCS國際標(biāo)準(zhǔn)化工作。但由于部分成員為了自身利益，力圖阻止FCS的國際標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)，形成了FF的FCS國際標(biāo)準(zhǔn)難以“一統(tǒng)天下”的令人擔(dān)憂的局面。解決這一問題的途徑是：一是要求FF在其國際標(biāo)準(zhǔn)中推出完善的用戶層和嚴(yán)格的互操作性的產(chǎn)品認(rèn)證；二是提高用戶抵制非國際標(biāo)準(zhǔn)的FCS的自覺性。
工業(yè)以太網(wǎng)向FCS現(xiàn)場級的延伸。必須指出，工業(yè)以太網(wǎng)FCS中，其現(xiàn)場級總線的傳輸速度并不理想，這是因?yàn)楣I(yè)以太網(wǎng)還只是在上層控制網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用，而許多廠商出于安全考慮，在許多技術(shù)問題沒有解決之前，現(xiàn)場級尚未使用工業(yè)以太網(wǎng)，所以FCS總體的傳輸速度沒有什么質(zhì)的飛躍。為了實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)向現(xiàn)場級的延伸，除了改進(jìn)以太網(wǎng)的通訊協(xié)議之外，還需要解決網(wǎng)絡(luò)的本安、現(xiàn)場設(shè)備的冗余和通過以太網(wǎng)向現(xiàn)場儀表供電等技術(shù)問題。
本人認(rèn)為，在保留FCS特色的基礎(chǔ)上解決上述問題才能使工業(yè)以太網(wǎng)具有生命力。工業(yè)以太網(wǎng)的介入為FCS的發(fā)展注入了新的活力，隨著FCS國際標(biāo)準(zhǔn)的推出以及有關(guān)技術(shù)問題的突破性進(jìn)展，一個(gè)代表21世紀(jì)潮流的工業(yè)以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)時(shí)代就會(huì)到來。
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