多现场总线与DCS的集成研究

1、多现场总线与DCS的集成研究刘松晖，丁晓明，童鲁海（杭州职业技术学院 临江学院，杭州 310018）摘 要：阐述现有集散控制系统（DCS）的局限性及现场总线技术的优越性，说明多现场总线技术与现有DCS集成的必要性，论证现场总线技术与现有DCS集成是控制系统的发展趋势。探讨多现场总线之间及其与DCS之间集成的关键性技术及实现方法。提出多现场总线之间的集成主要分为通信协议级别的集成和中间件级别的集成，前者采用总线协议转换模块或总线协议栈方式，后者采用OPC技术。提出多现场总线与DCS的集成主要发生在DCS I/O总线层面及DCS监控层。关键词：现场总线；DCS；FCS；集成中图分类号：TP273.

2、5文献标识码：AResearch On Integration of Multi-Fieldbus and DCSLiu Songhui，Ding Xiaoming，Tong LuhaiAbstract：The limitations of DCS, the advantages of Fieldbus and the necessity of integration of Multi-Fieldbus and DCS are expounded, the conclusion that Fieldbus integrated into DCS is the control system tr

3、end is come to。The critical technique and implementation method that are used to integrate multiple Fieldbus into DCS are investigated, conclusion is as follows. First of all, the integration of Multi-Fieldbus has two level: integration of communication protocols and integration of middleware. Bus p

4、rotocol conversion module and Bus protocol stack are used in the former and OPC technology in the latter. Secondary, multi-Fieldbus is mainly integrated into DCS I/O bus or monitor level.Keyword: Fieldbus; DCS; FCS; Integration0 引言DCS(Distributed Control System)分布式控制系统，在国内也称为集散控制系统。DCS具有既分散控制风险，又便于集

5、中管理生产过程的特点，这使得DCS在流程工业自动化中迅速普及，是目前应用最广泛的控制系统。但DCS的应用也存在不少问题。首先，大多数DCS是封闭系统，缺乏统一、标准的开放式接口，造成异构DCS之间、DCS与上层的MES和ERP管理系统之间交换和共享数据困难1；其次，传统DCS仍主要采用模拟式仪表，现场仪表与IO接口之间通过420mA直流电流传递信号，导致只能传递压力、液位等过程参数，而对测量仪表本身的故障无法监测。DCS的局限和工业生产自动化的发展需求推动了现场总线技术的产生。按照国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分

6、支结构的通信网路。现场总线具有以下特点2：（1）系统的开放性：现场总线协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换。（2）互可操作性与互用性：挂接在现场总线上的设备可互相通信；不同厂家的现场设备可挂接在同一条现场总线上。（3）现场设备的智能化与功能自治性：传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能均被分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。(4)系统结构的高度分散性：现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构，简化了系统结构，提高了可靠性。(5)对现场环境的适应性：现场总线支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等介质，具有很

7、强的抗干扰能力。现场总线的这些特点使得其在控制系统的设计、安装、投运和正常运行等方面都体现了巨大的优越性。基于现场总线技术的控制系统称为现场总线控制系统（FCS）。1 现场总线与DCS集成必要性现场总线比DCS更好的体现了“信息集中，控制分散”的思想。现场总线控制系统具有高度的分散性，它可以由现场设备组成自治的控制回路，现场仪表或设备具有高度的智能化与功能自主性，可完成控制的基本功能，并可以随时诊断设备的运行情况3。但是，这并不意味着DCS将完全被现场总线控制系统取代。首先，真正推动FCS进步的仍是世界上主要几家DCS厂家，目前所有的第四代DCS都包含了各种形式的现场总线接口，可以支持多种标准

8、的现场的总线仪表、执行机构等现场设备，此外，各DCS还改变了原来机柜架式安装IO模块、相对集中的控制站结构，取而代之的是进一步分散的IO模块(导轨安装)，或小型化的IO组件(可以现场安装)及中小型的PLC4。其次，FCS本质上是一个网络控制系统，要真正实现其高度分散化，需要速度更快、实时性更好、相对种类单一的通讯技术。目前IEC正式承认的现场总线标准就有十种，大家给予很大希望的工业以太网标准也有多种，还有不断增加的趋势，这些协议大都互不兼容，这就严重限制了FCS这个控制系统概念的全面实用进程。再者，采用现有DCS的生产企业基于成本和使用习惯考虑，很难接受重起炉灶，开发一套完全基于现场总线技术的

9、全新FCS。因此，FCS并不会完全取代现有的DCS，而只能是将现场总线技术与现有的DCS有机地结合起来。2 多现场总线与DCS集成方案实际的工业过程是非常复杂的，往往一个控制系统需要多种类型的现场总线并存 56，这就面临着如何将多种现场总线技术在一个DCS中无缝集成在一起的问题。一般来说，多现场总线的集成可以从两个层次上来考虑，一是通信协议级别的集成，二是中间件级别的集成2，如图 1所示。图 1多现场总线的集成级别2.1 通信协议级别的集成通信协议级别的集成一般有两种情况，一是同类现场总线的集成，如PROFIBUS-DP与PROFIBUS-AP，FF HSE与FF H1；二是不同种类之间现场总

10、线的集成。对于PROFIBUS-DP和PROFIBUS-AP，它们之间不同仅体现在物理层上使用了不同的数据传输速率和编码方式。要实现这种物理层不同而数据链路层协议相同的网段间无缝集成，平滑互通数据，就要在DP/PA网段间加装网关(实现物理层协议转换)。有段耦合器，链接器两种实现手段2。HSE和H1的主要区别在应用层以下，即H1数据链路层采用令牌总线的介质访问控制方式，HSE的底层采用标准工业以太网CSMA/CD的通信方式，通信协议为TCP/IP。应用层分为两个子层，上层都为现场总线报文规范层(FMS)，为用户层提供各种应用服务，但是服务报文的格式有所不同。在这两种总线协议之间可用专用网关来实现

11、集成。其网络结构如图 2所示。图 2 H1/HSE集成对于不同种类的现场总线之间的集成，一般可采用两种方式来实现协议的转换。（1）总线协议栈总线协议栈将不同总线协议的信息分别存放于协议栈的不同位置，以便进行时分复用。总线协议栈总是出现在主控制站中，并通过控制器提供的软件来实现，底层的应用可以根据需要，从协议栈中获得各自的总线服务。在采用总线协议栈站的方式来进行不同总线间的数据通信时，其主站可与几条不同的总线同时进行通信。在数据交换过程中，主控制站通过相应总线轮询每一个现场设备，根据其所属的总线类型，在应用软件中调用相应的接口程序，并在取得各类总线的数据的同时完成不同数据类型的格式的转换, 然后

12、以统一的数据格式存储于主站的总线协议栈中。总线协议站模式在总线控制系统的主站中，以编程的方式来完成主从站间不同总线间的数据交换的，所以它几乎可以兼容任何一种现场总线标准。但应用该方式需要工程人员要相当熟习主从站所涉及的现场总线协议，并要有较高的编程技巧。（2）总线协议转换模块总线协议转换模块方式是以硬件的方式，在通信总线间将不同总线协议的从站增加总线协议转换模块，由该模块来完成协议间的帧格式转换功能和信号发送功能。这样不同总线协议的设备或系统可以很方便的介入统一的总线系统上来。这种协议转换模型完全依靠硬件完成, 不会影响组态程序的设计，制造商可以根据协议自行研制生产，目前几大工控巨头也均已开发

13、多种转换模块，如SIEMENS的MODBUS-PROFIBUS协议模块。但其局限性在于其难易程度取决于协议本身。如：对于WORLDFIP 总线、PROFIBUS 总线或FF 总线兼容CAN 总线和LONWORKS 总线, 或者CAN 总线、LONWORKS 总线兼容这三种总线来说，实现上就比较困难7。2.2 中间件级别的集成中间件是一种独立的系统软件或服务程序，分布式应用借助这种软件在不同的技术之间共享资源，中间件位于客户机/服务器的操作系统之上，管理计算资源和网络通信。OPC技术8910是在工业控制领域广泛应用的中间件，可通过它来实现不同现场总线间的集成。可利用OPC DA实现多现场总线的集

14、成，如图 3所示。图 3 基于OPC DA实现多现场总线集成OPC DA服务器屏蔽了不同总线通信协议之间的差异，为上层应用程序提供统一的访问接口，可以很容易的在应用程序层实现对来自不同总线协议设备的数据进行互换和共享。当其中某种总线的协议版本作了修改，只需对相应的总线的OPC服务器程序升级，本身客户端和其他OPC服务器及客户端不需要做任何改动。2.3 现场总线与DCS的集成层次在现代的DCS中，现场总线是作为DCS的一个子系统发挥作用的，其与DCS的集成主要在以下三方面。（1）在DCS I/O总线上的集成该种系统构成关键是通过一个现场总线接口卡挂在DCS的I/O总线上，将现场总线系统中的数据信

15、息映射成原有DCS 的I/O 总线上相对应的数据信息，如基本测量值、报警值或工艺设定值等，使得在DCS控制器所看到的现场总线来的信息就如同来自一个传统的DCS设备卡一样。这样便实现了在I/O 总线上的现场总线技术集成。如图 4所示。SIEMENS的PCS7采用PROFIBUS-DP连接AS控制单元和ET200远程IO单元；和利时的MACS系统，主控单元FM801与FM148、FM143、FM151等远程IO模块之间的连接采用的也是PROFIBUS-DP现场总线。这两种系统即是此种方案的体现。图 4 现场总线在DCS I/O总线上的集成（2）在DCS监控层的集成图 5 现场总线与DCS在监控层集

16、成在这种方案中，现场总线接口卡不是挂在DCS的I/O 总线上，而是在DCS的监控层LAN 上，其结构见图 5所示。在这种方案中，原来必须由DCS 主控制器完成的一些控制和计算功能, 现在可下放到现场仪表实现，并且可以在DCS操作员界面上得到相关的参数或数据信息。它的另一个优点是不需要对DCS控制站进行改动，对原有系统影响较小。（3）通过网关与DCS系统并行集成若在一个工厂中并行运行着DCS系统和现场总线系统, 则还可以通过一个网关来网接两者，以完成DCS系统与现场总线高速网络之间的信息传递。4 结论(1) 相对目前的DCS，FCS在控制系统的设计、安装、投运和维护等方面都体现了巨大的优越性。但

17、由于种种原因，FCS并不能完全取代现有的DCS，现场总线技术与DCS集成才是控制系统的发展趋势。(2) 实际工业过程非常复杂，往往需要将多种类型的现场总线集成起来使用。多种现场总线之间的集成主要分为通信协议级别的集成和中间件级别的集成。前者主要通过总线协议转换模块和总线协议栈的方式实现，后者则可采用OPC DA服务器来实现。(3) 多现场总线与现有DCS可在多个层次上实现集成。既可在DCS的I/O总线上实现集成，也可在DCS的监控层实现集成，还可通过网关与DCS并行集成。参考文献： 1高婷婷. DCS与现场总线集成的研究与实现D.青岛:青岛科技大学,2012.2周坤. 多现场总线在控制系统中的

18、集成应用D. 济南:济南大学, 2008.3沈航，徐红泉，蔡慧，等工业以太网和现场总线J.工业仪表与自动化装置, 2005(1):6-8.4白焰，吴鸿杨国田分布控制系统与现场总线控制系统-基础、评选、设计和应用M. 武汉:中国电力出版社, 2001.5涂煊,蒋晔,石明根.多现场总线技术在污水处理控制系统中的应用J. 自动化仪表, 2006:27(5), 141-146.6冯道宁，于生.基于OPC技术的多现场总线工业系统的研究和实现J. 工业控制计算机, 2012:25(11), 9-13.7何巧丽,胡正国,吴健.现场总线中多总线兼容技术J.计算机应用, 2002:22（7）,78-80.8Brin Tinham. why OPC for systemsJ.C&I, 1997:2