论DCS集散控制系统产品开发

1、浅谈DCS集散操纵系统产品开发（三）2006-4-8 14:12:00 五、DCS向FCS系统的过渡及其进展方向前面我们介绍了，今后DCS系统的进展必将是以在DCS的基础上进展起来的FCS替代现在的DCS，因为FCS顺应了自动操纵系统的进展潮流。为了今后的开发工作不迷失方向，我们有必要了解FCS的要紧构成、现状和以后的进展方向，应该讲，今天我们讨论的DCS应该是今后的FCS：1七十年代往常，操纵系统中采纳模拟量对传输及操纵信号进行转换、传递，其精度差、受干扰信号阻碍大，因而整个操纵系统的操纵效果及系统稳定性都专门差。七十年代末，随着大规模集成电路的出现，微处理器技术得到专门大进展。微处理器功能

2、强、体积小、可靠性高、通过适当的接口电路用于操纵系统，操纵效果得到提高；然而尽管如此，依旧属于集中式操纵系统。随着过程操纵技术、自动化仪表技术和计算机网络技术的成熟和进展，操纵领域又发生了一次技术变革。这次变革使传统的操纵系统（如集散操纵系统）不管在结构上依旧在性能上都发生了巨大的飞跃，这次变革的基础确实是现场总线技术的产生。2现场总线是连接现场智能设备和自动化操纵设备的双向串行、数字式、多节点通信网络，它也被称为现场底层设备操纵网络（INFRANET）。80年代以来，各种现场总线技术开始出现，人们要求对传统的模拟仪表和操纵系统变革的呼声也越来越高，从而使现场总线成为一次世界性的技术变革浪潮。

3、美国仪表协会(ISA)于1984年开始制订现场总线标准，在欧洲有德国的PROFIBUS和法国的FIP等，各种现场总线标准陆续形成。其中要紧的有：基金会现场总线FF（Foundation Fieldbus）、操纵局域网络CAN（Controller Area Network）、局部操作网络LonWorks（Local Operating Network）、过程现场总线PROFIBUS（Process Field Bus）和HART协议(Highway Addressable Remote Transducer)等。然而，总线标准的制定工作并非一帆风顺，由于行业与地域进展等历史缘故，加上各公司和企

4、业集团受自身利益的驱使，致使现场总线的国际化标准工作进展缓慢。然而不论如何，制定单一的开放国际现场总线标准是进展的必定。3当前流行的几类现场总线（1）基金会现场总线FF 基金会现场总线FF是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好进展前景的一种技术。其前身是以美国Fisher Rosemount公司为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首，联合欧洲等地150家公司制定的World FIP协议。这两大集团于1994年9月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。 基金会现场总线分为H1和高速H2两种通信速率。H

5、1的传输速率为31.25Kbps，通信距离可达1.9km，可支持总线供电和本质安全防暴环境。H2的传输速率可为1Mbps和2.5Mbps两种，通信距离为750m和500m。物理传输介质可为双绞线、光缆和无线，其传输信号采纳曼切斯特编码。基金会现场总线以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。用户层要紧针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采纳设备描述语言规定了通用的功能块集。FF总线包括FF通信协议、ISO模型中的27层通信协议的通栈、用于描述设备特性及操作接口的DDL设备描述语言、设备描述字典，用于

6、实现测量、操纵、工程量转换的应用功能块，实现系统组态治理功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。（2）CAN总线 CAN总线最早是由德国Bosch公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。其总线规范已被ISO国际标准组织制定为国际标准，同时广泛应用于离散操纵领域。它也是基于OSI模型，但进行了优化，采纳了其中的物理层、数据链路层、应用层，提高了实时性。其节点有优先级设定，支持点对点、一点对多点、广播模式通信。各节点可随时发送消息。传输介质为双绞线，通信速率与总线长度有关。CAN总线采纳短消息报文，每一帧有效字节数为8个；当节点出错时，可自动关闭，抗干扰能

7、力强，可靠性高。（3）LonWorks总线 LonWorks技术是美国ECHELON公司开发，并与Motorola和东芝公司共同倡导的现场总线技术。它采纳了OSI参考模型全部的七层协议结构。LonWorks技术的核心是具备通信和操纵功能的Neuron芯片。Neuron芯片实现完整的LonWorks的LonTalk通信协议。其上集成有三个8位CPU。一个CPU完成OSI模型第一和第二层的功能，称为介质访问处理器。一个CPU是应用处理器，运行操作系统与用户代码。还有一个CPU为网络处理器，作为前两者的中介，它进行网络变量寻址、更新、路径选择、网络通信治理等。由神经芯片构成的节点之间能够进行对等通信

8、。LonWorks支持多种物理介质并支持多种拓扑结构，组网方式灵活，其IS-78本安物理通道使得它能够应用于危险区域。LonWorks应用范围要紧包括楼宇自动化、工业操纵等，在组建分布式监控网络方面有较优越的性能。（4）PROFIBUS总线PROFIBUS是符合德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50179的现场总线，包括 PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA三部分。它也只采纳了OSI模型的物理层、数据链路层、应用层。PROFIBUS支持主从方式、纯主方式、多主多从通信方式。主站对总线具有操纵权，主站间通过传递令牌来传递对总线的操纵权。取得操纵权的主站

9、，可向从站发送、猎取信息。PROFIBUS-DP用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域。FMS型适用于纺织、楼宇自动化、可编程操纵器、低压开关等。而PA型则是用于过程自动化的总线类型。（5）HART总线 HART协议是由Rosemount公司于1986年提出的通信协议。它是用于现场智能仪表和操纵室设备间通信的一种协议。它包括ISO/OSI模型的物理层、数据链路层和应用层。HART通信能够有点对点或多点连接模式。这种协议是可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡产品，因而在当前的过渡时期具有较强市场

10、竞争力，在智能仪表市场上占有专门大的份额。4现场总线操纵系统（FCS）的结构与特点（1）结构随着现场总线技术的出现和成熟，促使了操纵系统由集散操纵系统（DCS）向现场总线操纵系统（FCS）的过渡。在一般的FCS系统中，遵循一定现场总线协议的现场仪表能够组成操纵回路，使操纵站的部分操纵功能下移分散到各个现场仪表中。从而减轻了操纵站负担，使得操纵站能够专职于执行复杂的高层次的操纵算法。关于简单的操纵应用，甚至能够把操纵站取消，在操纵站的位置代之以起连接现场总线作用的网桥和集线器，操作站直接与现场仪表相连，构成分布式操纵系统。（2）特点 分布式的FCS系统比DCS系统更好地体现了“信息集中，操纵分散

11、”的思想。与传统的DCS 相比，FCS有其自身的特点。FCS系统具有高度的分散性，它能够由现场设备组成自治的操纵回路。现场仪表或设备具有高度的智能化与功能自主性，可完成操纵的差不多功能，并能够随时诊断设备的运行情况。另外，FCS的结构比DCS简化。有的FCS系统省略了DCS中操纵站这一层，操作站直接与现场仪表相连。这些使FCS的可靠性得到提高。 现场总线系统具有开放性。系统对相关标准具有一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换，通过现场总线可构筑自动化领域的开放互连系统。系统的开放性决定了它具有互操作性和互用性。互操作性指互连设备间、系统间信

12、息传送与沟通；而互用则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。作为工厂网络底层的现场总线还对现场环境有较强地适应性。它支持双绞线、同轴电缆、光缆、无线和电力线等，具有较强的抗干扰能力。 由于结构上的改变，FCS比DCS更节约硬件设备。使用FCS能够减少大量的隔离器、端子柜、I/O卡及I/O端口，如此就节约了I/O装置及装置室的空间；同时减少了大量电缆，能够极大地节约安装费用。与此同时，FCS比DCS性能有所提高。由于免去了D/A与A/D变换，使仪表精度得到极大的提高；通过将PID功能植入到相应的智能传感器中去，使操纵周期大为缩短。目前FCS能够从DCS的每秒调节25次增加到每秒调节1

13、020次，改善了调节性能。FCS操纵系统与DCS操纵系统结构比较见图1。（3）现场总线的优点 由于现场总线的以上特点，特不是其系统结构的简化，使其从设计、安装、投运到正常生产运行及检修维护，都体现出优越性。它不仅节约了硬件数量与投资，节约了安装费用，而且系统的维护开销也大大地降低。现场总线操纵系统不仅精确度与可靠性高，在方便使用和维护性方面，FCS也比DCS有优势。FCS使用统一的组态方式，安装、运行、维修简便；利用智能化现场仪表，使维修预报（Predicted maintenance）成为可能；由于系统具有互操作性和互用性，用户能够自由选择不同品牌的设备达到最佳的系统集成，在设备出现故障时，

14、能够自由选择替换的设备，保障用户的高度系统集成主动权。此外，它还具有设计简单，易于重构等特点。（4）进展趋向 传统的集散操纵系统（DCS系统）具有集中监控、分散操纵、操作方便的特点。然而，在实际应用中也发觉DCS的结构存在一些不足之处，如操纵不能做到完全分散，危险仍然相对集中；由于系统的不开放性，不同厂家的产品不能互换、互联，限制了用户的选择范围。利用现场总线技术，开发FCS系统的目标是针对现存的DCS的某些不足，改进操纵系统的结构，提高其性能和通用性。 FCS想要在实际中取代DCS，既要具备DCS所具有的功能，又要能克服DCS的缺点。FCS由于采纳了现场总线技术，在开放性、操纵分散等方面优于

15、传统DCS。然而由于它是一种新技术，目前连标准本身都还没有制定统一，因此FCS与成熟的DCS相比，还存在下列的一些欠缺。1）由于现场总线标准本身尚在进展中，从而给产品的开发和测试带来难度。这在一定程度上造成产品开发商、生产商少，产品品种单一而且价格昂贵。2）在某些场合中，FCS还无法提供DCS已有的操纵功能。由于软硬件水平的限制，其功能块的功能还不是专门强，品种也不够齐全；用现场仪表还只能组成一般的操纵回路如单回路、串级、比例操纵等，关于复杂的、先进的操纵算法还无法在仪表中实现，关于单回路内有多输入、多输出的情况缺乏好的解决方案。3）目前FCS成功的应用实例不多，难以评估实际应用效果。 由于以

16、上这些缘故，FCS取代DCS将是一个逐渐的过程。在这一过程中，会出现一些过渡型的系统结构，如在DCS中以FCS取代DCS中的某些子系统。用户将现场总线设备连接到独立的现场总线网络服务器，服务器配有DCS中连接操作站的上层网络接口，与操作站直接通信。在DCS的软件系统中可增添相应的通信与治理软件。如此不需要对原有操纵系统作结构上的重大变动。4）当前，各种形式的现场总线协议并存于操纵领域。在楼宇自控领域，Lonworks和CAN网络具有一定的优势；在过程自动化领域，要紧有过渡型的HART协议、得到广泛支持的FF现场总线协议以及同样较有竞争力的PROFIBUS协议。HART协议将是目前几年内智能化仪

17、表的要紧通信协议；基金会现场总线是过程自动化领域中较有前途的一种现场总线，得到许多自动化仪表设备厂商的支持；由于Lonworks技术的开放性，国内出现了利用它开发操纵系统的许多开发商。考虑到统一的开放式现场总线协议标准制定的长期性和艰巨性，传统DCS的退出将是一个渐进过程。在一段时期内，会出现几种现场总线共存、同一生产现场有几种异构网络互连通讯的局面。然而，进展共同遵从的统一的标准规范，真正形成开放式互连系统，是大势所趋。六、DCS的硬件系统及其进展方向 关于硬件系统，我们还没有更深入的讨论。只是，DCS或者是今后的FCS硬件确信会大量采纳单片嵌入式软硬件系统。这是因为：1不管是DCS的智能模

18、件依旧今后FCS的现场模块，必须具备自我诊 断、数据交换等功能；2由于DCS和今后的FCS都会将操纵、采集任务下达给远端绝大部分 的模件或模块，以让其分散系统任务，故该类模件或模块必须具备状态或数据采集、或者进行PID操纵。因此，它不能缺少MCU；3由于通讯功能的增强，有必要加强通讯协议的认可、总线设备地址的 辨识、误码的智能推断及相应错误的纠正等。 所谓单片嵌入式软硬件系统是指具备可安装与PCB（印制板）还仪器、仪表、专业模块设备内的计算机系统。它并不包括我们常讲的PC计算机。（一）采纳单片微处理器的嵌入式软硬件系统 这种系统即是我们常讲的单片计算机系统。它往往采纳一片单片机加外围芯片构成。

19、要紧有AD、DA、DI、DO芯片作为与外部设备交换传统的模拟量信号和开关量信号。并增加与外部的通讯接口电路、完成所谓的RS485物理接口并配合通讯协议在操纵总线或现场总线上与主计算机或其他设备交换数据。 由于传统的单片机功能有限，往往还加入了大量的逻辑处理单元和大容量存储器。例如：采纳PAL、GAL、CPLD等。也有采纳FPGA以完成逻辑、译码、存储、通讯操纵和专门布尔计算。 必须指出，单片计算机计术仍然在不断进展。专门多单片机采纳RISC精简指令集和CPLD、FPGA或者是DSP技术，能够片内带FLASH MEMORY，并有JTAG接口，能够在线完成程序擦除、下载、调试等工作。工业操纵领域以

20、16BIT单片机为主，逐步采纳32BIT甚至64BIT单片机，而应用于通讯领域中以8BIT单片机为多。据电子工程专辑报道：由于因特网的接入需求为8位MCU带来新的活力。这表现在8位单片机供应商纷纷采取措施推出增强因特网接入功能的新型8位MCU，这给本来由于常规8位单片机极高的市场需求又注入新的活力。市场可能从2000年的90亿美元增加到2004年的160亿美元。而16位、32位MCU加起来还不到8位MCU的一半。完全打破某些专家和公司可能的16位MCU将在短时刻内替代8位MCU。他们的依据8位MCU是没有能力实现与因特网连接。然而，这些预言是错误的。基于8位MCU的低价格性和软件嵌入式操作系统

21、的支持，加上单片机上集成硬件的TCP/IP操纵协处理器。这比采纳16位甚至32位MCU要可靠、经济。假如讲世界各大厂商在采纳8位MCU完成通讯功能、而你却想用16位MCU，这除非是你的产品成本比不人低得多，否则无法与不人竞争。 单片机系统配备TCP/IP通讯协议完成以太网接口是目前单片机的热点。国外甚至推出能够发E_mail、上Web扫瞄的单片机系统。因此，上网冲浪不再是PC 计算机的专利。只有充分享受网上资源的一切设备才是人们所追求的目标。这种技术的大量使用，无疑给以后的工业以太网探明道路。（二）采纳DSP数字处理器的嵌入式软硬件系统 DSP数字处理器是近来进展起来的新技术。它实际上也是单片

22、计算机。一般的单片机内部总线采纳程序区和存储器区共用的冯-诺依曼结构。程序按步进行，必须完成取指、运算、执行才能完成一个指令。而DSP采纳哈佛结构，程序区和存储器区完全分开，取指、运算能够完全分开，即在运算时期时能够进行取下一条指令操作。故能够高速、并行工作。由于集成大量的存储器和布尔处理器、复杂逻辑阵列及专门算法功能块，能够高速处理大量数据甚至轻而易举地完成模糊操纵或自适应操纵等，是以后嵌入式系统的进展方向。 TMS320系列DSP是美国德州公司的产品。因其内部能够并行运行多个程序故能够处理更复杂的问题，相应程序执行速度得以大大提高。由于硬件回路功能较强，甚至AD、DA转换器也能够直接选择D

23、SP某些接口来构成。关于需要更快的处理速度（与纯硬件执行速度相当）某些设计完全能够由FPGA组成硬件，而采纳VHDL设计语言来满足系统要求。则其执行方式完全并行工作，执行指令也完全与常规的us/步不同，因为它不是按每个功能需要多少个执行周期来完成，而是每个功能由多少个“硬件”构成，它总共延时多少ns。那个“硬件”是由软件来描述，而完成功能确实内部的硬件进行。能够讲，它如同一个半导体厂定制的ASIC电路。内部功能由专用硬件构成（只是是看不见硬件），而生成的硬件却是由软件进行描述而生成的。以后的DSP最终会向FPGA过渡。（三）DCS模件向FCS模块的演变常规的DCS是由若干个机柜中安装各种模件或者是板卡所构成。它们相对集中同时通过内部的通讯、操纵总线与各个模件相连接。由于DCS差不多进展专门久，但其总体结构变化不大。只是，这种结