DCS:分散控制系統-中文百科頻道

控制系統

DCS系統是随着現代大型工業生産自動化的不斷興起和過程控制要求的日益複雜應運而生的綜合控制系統，它是計算機技術、系統控制技術、網絡通訊技術和多媒體技術相結合的産物，可提供窗口友好的人機界面和強大的通訊功能。是完成過程控制、過程管理的現代化設備。

系統的主要技術概述

系統主要有現場控制站（I/O站）、數據通訊系統、人機接口單元（操作員站OPS、工程師站ENS）、機櫃、電源等組成。系統具備開放的體系結構，可以提供多層開放數據接口。硬件系統在惡劣的工業現場具有高度的可靠性、維修方便、工藝先進。底層漢化的軟件平台具備強大的處理功能，并提供方便的組态複雜控制系統的能力與用戶自主開發專用高級控制算法的支持能力；易于組态，易于使用。支持多種現場總線标準以便适應未來的擴充需要。系統的設計采用合适的冗餘配置和診斷至模件級的自診斷功能，具有高度的可靠性。系統内任一組件發生故障，均不會影響整個系統的工作。系統的參數、報警、自診斷及其他管理功能高度集中在CRT上顯示和在打印機上打印，控制系統在功能和物理上真正分散，整個系統的可利用率至少為99.9％；系統平均無故障時間為10萬小時，實現了核電、火電、熱電、石化、化工、冶金、建材諸多領域的完整監控。“域”的概念。把大型控制系統用高速實時冗餘網絡分成若幹相對獨立的分系統，一個分系統構成一個域，各域共享管理和操作數據，而每個域内又是一個功能完整的DCS系統，以便更好的滿足用戶的使用。

網絡結構可靠性、開放性及先進性。在系統操作層，采用冗餘的100Mbps以太網；在控制層，采用冗餘的100Mbps工業以太網，保證系統的可靠性；在現場信号處理層，12Mbps的PROFIBUS總線連接中央控制單元和各現場信号處理模塊。标準的Client/Server結構。有的DCS的操作層采用Client/Server結構開放并且可靠的操作系統。系統的操作層采用WINDOWS NT操作系統；控制站采用成熟的嵌入式實時多任務操作系統QNS以确保控制系統的實時性、安全性和可靠性。标準的控制組态軟件。系統采用IEC61131－3标準的控制組态工具，可以實現任何監測、控制要求。可擴展性和可裁剪性，保證經濟性。

與集中式區别

分布式控制系統(DCS)，又稱集散系統，是相對于集中式控制系統而言的一種新型計算機控制系統，它是在集中式控制系統的基礎上發展、演變而來的。在系統功能方面，DCS和集中式控制系統的區别不大，但在系統功能的實現方法上卻完全不同。

首先，DCS的骨架——系統網絡，它是DCS的基礎和核心。由于網絡對于DCS整個系統的實時性、可靠性和擴充性，起着決定性的作用，因此各廠家都在這方面進行了精心的設計。對于DCS的系統網絡來說，它必須滿足實時性的要求，即在确定的時間限度内完成信息的傳送。這裡所說的“确定”的時間限度，是指在無論何種情況下，信息傳送都能在這個時間限度内完成，而這個時間限度則是根據被控制過程的實時性要求确定的。因此，衡量系統網絡性能的指标并不是網絡的速率，即通常所說的每秒比特數（bps），而是系統網絡的實時性，即能在多長的時間内确保所需信息的傳輸完成。系統網絡還必須非常可靠，無論在任何情況下，網絡通信都不能中斷，因此多數廠家的DCS均采用雙總線、環形或雙重星形的網絡拓撲結構。為了滿足系統擴充性的要求，系統網絡上可接入的最大節點數量應比實際使用的節點數量大若幹倍。這樣，一方面可以随時增加新的節點，另一方面也可以使系統網絡運行于較輕的通信負荷狀态，以确保系統的實時性和可靠性。在系統實際運行過程中，各個節點的上網和下網是随時可能發生的，特别是操作員站，這樣，網絡重構會經常進行，而這種操作絕對不能影響系統的正常運行，因此，系統網絡應該具有很強在線網絡重構功能。

其次，這是一種完全對現場I/O處理并實現直接數字控制（DOS）功能的網絡節點。一般一套DCS中要設置現場I/O控制站，用以分擔整個系統的I/O和控制功能。這樣既可以避免由于一個站點失效造成整個系統的失效，提高系統可靠性，也可以使各站點分擔數據采集和控制功能，有利于提高整個系統的性能。DCS的操作員站是處理一切與運行操作有關的人機界面（HMI-Human Machine Interface或operator interface）功能的網絡節點。

系統網絡是DCS的工程師站，它是對DCS進行離線的配置、組态工作和在線的系統監督、控制、維護的網絡節點，其主要功能是提供對DCS進行組态，配置工作的工具軟件（即組态軟件），并在DCS在線運行時實時地監視DCS網絡上各個節點的運行情況，使系統工程師可以通過工程師站及時調整系統配置及一些系統參數的設定，使DCS随時處在最佳的工作狀态之下。與集中式控制系統不同，所有的DCS都要求有系統組态功能，可以說，沒有系統組态功能的系統就不能稱其為DCS。

發展曆史

DCS自1975年問世以來，已經經曆了三十多年的發展曆程。在這三十多年中，DCS雖然在系統的體系結構上沒有發生重大改變，但是經過不斷的發展和完善，其功能和性能都得到了巨大的提高。總的來說，DCS正在向着更加開放，更加标準化，更加産品化的方向發展。

作為生産過程自動化領域的計算機控制系統，傳統的DCS僅僅是一個狹義的概念。如果以為DCS隻是生産過程的自動化系統，那就會引出錯誤的結論，因為現在的計算機控制系統的含義已被大大擴展了，它不僅包括過去DCS中所包含的各種内容，還向下深入到了現場的每台測量設備、執行機構，向上發展到了生産管理，企業經營的方方面面。傳統意義上的DCS現在僅僅是指生産過程控制這一部分的自動化，而工業自動化系統的概念，則應定位到企業全面解決方案，即total solution 的層次。隻有從這個角度上提出問題并解決問題，才能使計算機自動化真正起到其應有的作用。

進入九十年代以後，計算機技術突飛猛進，更多新的技術被應用到了DCS之中。PLC是一種針對順序邏輯控制發展起來的電子設備，它主要用于代替不靈活而且笨重的繼電器邏輯。現場總線技術在進入九十年代中期以後發展十分迅猛，以至于有些人已做出預測：基于現場總線的FCS将取代DCS成為控制系統的主角。

但是現場總線并未能夠代替DCS。其原因如下：

1.現場總線的低速網絡特性，使其每條總線的儀表數并未達到理性數量。實際應用中，一條H1總線大約隻能安裝8台儀表。這樣一來，現場總線的節省電纜優勢就非常有限了。

2.現場總線标準不統一，沒有一種取得絕對優勢，用戶無從選擇。

3.現場總線始終未能很好解決危險區本安特性問題。

特點

(1)高可靠性由于DCS将系統控制功能分散在各台計算機上實現，系統結構采用容錯設計，因此某一台計算機出現的故障不會導緻系統其它功能的喪失。此外，由于系統中各台計算機所承擔的任務比較單一，可以針對需要實現的功能采用具有特定結構和軟件的專用計算機，從而使系統中每台計算機的可靠性也得到提高。

(2)開放性DCS采用開放式、标準化、模塊化和系列化設計，系統中各台計算機采用局域網方式通信，實現信息傳輸，當需要改變或擴充系統功能時，可将新增計算機方便地連入系統通信網絡或從網絡中卸下，幾乎不影響系統其他計算機的工作。

(3)靈活性通過組态軟件根據不同的流程應用對象進行軟硬件組态，即确定測量與控制信号及相互間連接關系、從控制算法庫選擇适用的控制規律以及從圖形庫調用基本圖形組成所需的各種監控和報警畫面，從而方便地構成所需的控制系統。

(4)易于維護功能單一的小型或微型專用計算機，具有維護簡單、方便的特點，當某一局部或某個計算機出現故障時，可以在不影響整個系統運行的情況下在線更換，迅速排除故障。

(5)協調性各工作站之間通過通信網絡傳送各種數據，整個系統信息共享，協調工作，以完成控制系統的總體功能和優化處理。

(6)控制功能齊全控制算法豐富，集連續控制、順序控制和批處理控制于一體，可實現串級、前饋、解耦、自适應和預測控制等先進控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。DCS的構成方式十分靈活，可由專用的管理計算機站、操作員站、工程師站、記錄站、現場控制站和數據采集站等組成，也可由通用的服務器、工業控制計算機和可編程控制器構成。處于底層的過程控制級一般由分散的現場控制站、數據采集站等就地實現數據采集和控制，并通過數據通信網絡傳送到生産監控級計算機。生産監控級對來自過程控制級的數據進行集中操作管理，如各種優化計算、統計報表、故障診斷、顯示報警等。随着計算機技術的發展，DCS可以按照需要與更高性能的計算機設備通過網絡連接來實現更高級的集中管理功能，如計劃調度、倉儲管理、能源管理等。

結構

從結構上劃分，DCS包括過程級、操作級和管理級。過程級主要由過程控制站、I/O單元和現場儀表組成，是系統控制功能的主要實施部分。操作級包括：操作員站和工程師站，完成系統的操作和組态。管理級主要是指工廠管理信息系統（MIS系統），作為DCS更高層次的應用，目前國内紙行業應用到這一層的系統較少。

DCS的控制程序：DCS的控制決策是由過程控制站完成的，所以控制程序是由過程控制站執行的（也有在IO模件中執行控制邏輯的情況，如FOXBORO的DI/DO模件中就可以執行順序控制邏輯）。

過程控制站的組成：

DCS的過程控制站是一個完整的計算機系統，主要由電源、CPU（中央處理器）、網絡接口和I/O組成

I/O：控制系統需要建立信号的輸入和輸出通道，這就是I/O。DCS中的I/O一般是模塊化的，一個I/O模塊上有一個或多個I/O通道，用來連接傳感器和執行器（調節閥）。

I/O單元：通常，一個過程控制站是有幾個機架組成，每個機架可以擺放一定數量的模塊。CPU所在的機架被稱為CPU單元，同一個過程站中隻能有一個CPU單元，其他隻用來擺放I/O模塊的機架就是I/O單元。

通訊網絡

早期的DCS的通訊網絡都是專用的，DCS有幾級網絡，完成不同模件之間的通訊。究竟做成幾級，各廠家各不相同,并與計算機技術的發展有關。從目前的情況來看，DCS的最多網絡級有四級，它們分别是現場總線、I/O總線、控制總線和DCS網絡。

I/O總線，它把多種I/O信号送到控制器，由控制器讀取I/O信号。這稱為I/O總線。I/O闆相互之間并不交換數據。I/O總線的速率是不高的。從幾十K到幾兆不等。這與計算機技術的發展情況有關。80年代初是20K，80年代中期是40K、80年代末期是80K，90年代是幾兆。為了快速，最好是并行總線。采用并行總線，其I/O模件必需與控制器模件相鄰。采用串行總線的情況下，I/O闆和控制器之間的距離也要比較近才行。最好把控制器模件和I/O模件裝在一個機櫃内或相鄰的機櫃内。遠程I/O應該采用現場總線。如CAN、LONWORKS、HART總線等。現場總線是90年代初發展起來的。在I/O闆中從硬件來說應該有能接收現場總線來的信号的輸入、輸出闆。從軟件來說在控制器中應該有讀取和寫到現場總線信号的功能塊。在DCS系統中，遠程#p#分頁标題#e#I/O采用HART總線比較多。比如現場的變送器，離控制器機櫃距璃比較遠，把16個變送器來的信号編成為一組，用HART總線把信号送到控制器，空制器同時讀進16個變送器來的信号。控制器和變送器兩者距離可達1公裡以上。在從美國、歐洲進口的DCS系統中，幾乎都有HART協議闆。實際應用中，遠程信号是比較多的。如水泥廠，回轉窯的窯頭與窯尾，兩者距離有幾百米，如果在網絡上設兩個結點，需要兩套結點的接口模件，接口模件的費用比較高，如果設一個結點，在地理位置上不管結點安排是在窯頭還是窯尾，都需要采用遠程I/O。

第二級網絡是控制器之間的通訊，把完成不同任務的三種控制器連在一條總線上，稱為控制總線。在控制總線上的不同控制器的數量不受限制。在這一條總線上除三種不同的控制器模件以外，還有DCS網絡的接口模件。在控制總線上，控制器之間可以調用數據。使得模拟量和開關量之間的結合很好。控制總線不是每一種DCS系統都有的，可以把各種控制器分别連到DCS網絡上。控制器之間的數據調用要通過DCS網絡。控制總線的速率情況與I/O總線的情況相類似。通常是幾十K到幾兆之間。當CPU和存儲器的能力比較強時，把開關量的邏輯運算和模拟量的采集功能都在一個控制器中完成。在控制總線上就隻有一種形式的控制器。其協議采用載波監聽，廣播發送，類似以太網的協議。

第***是DCS網絡。它把現場控制器和人機界面連成一個系統。為了确保通訊成功，DCS生産廠家無論是電纜，還是通訊口，都把它們做成冗餘的。一條網絡發生故障，另一條備用網絡立即投入運行。備用方式各種DCS有别。如美國的LEEDS—NORTHROP的MAX-1系統采用冗餘兩環信息正向和反向同時運行。有的系統一個環在運行，另一個等待。

連在DCS通訊網絡上的部件稱為結點（節點）。在地理位置上，結點可以分散配置，各結點之間的距離各DCS系統不同。有的可達幾百米。傳輸速率在幾百K至一百兆之間。10兆是常用的速率。DCS網絡的總長度可達幾公裡，最短也有幾百米，網絡不夠長時要加中繼器。#p#分頁标題#e#

三種總線的通訊協議是由各DCS生産廠家自行開發的，通訊協議是不公開的。

DCS網絡的結構形式大緻是三種，分别是總線形、環形和星形。星形結構通常隻用于小系統。通訊協議有令牌廣播式，問詢式和存儲轉發式。問詢式協議的網絡要有交通指揮器。所有人機界面要向控制器請求數據時，必需通過交通指揮器，由交通指揮器來向控制器請求數據。控制器才能發送信息給人機界面。如HONEYWELL的TDC2000，FISHER的PROVOX，都有交通指揮器。在星形網絡中，人機界面（操作站）可以作為交通指揮器。它隻能連接一個人機界面的結點。把它作為操作站。網絡的覆蓋面也比較小。由一些回路控制器組成的系統通常都連成星形網絡。令牌廣播式由一個結點發出一個令牌(令牌是特别的比特組，比特組内無源地址和目的地址)，令牌沿環繞行。拿到這個令牌的結點就改變令牌中一個特定位，将令牌變成一信息幀的幀起始定界符，加挂上構成一幀所需要的其餘字段以發送信息，網絡上的其它結點都在接收信息。當本站檢測到幀的目的地址與本站地址相符時，就接收該信息幀（目的結點）。同時轉發該幀，直到該幀回到發送站（源結點），才把該幀釋放。再發送新令牌。這種協議的特點是持有令牌的結點才能發送信息。令牌廣播式協議的網絡中，可以連接多個人機界面的結點。在網絡上的結點都是平等的。每一個結點都有機會發送信息。如美國BAILEY的INFI90 90是令牌廣播網。存儲轉發協議是一個結點發出信息，傳給下一個，這個結點接到信息，必需先存下來，如果自己要，就可以接收下來，如果不需要，就把它轉發出去。直至到需要這個信息的結點為止。然後信息再返回到源結點，才釋放這個信息。這種協議用于環形網絡中。這種環形網絡可以長達幾公裡。如美國BAILEY的NETWORK 90的廠區環路就是這樣的網絡。不管什麼結構形式的網絡，連到網絡上的結點的總數是有限制的，至于什麼樣的結點，有幾個，它是不受限制的。

在DCS網絡中，數據傳輸是以信息幀的形式傳輸的。它是同步發送星息。半雙工發送。雙工發送的極少。每一幀信息都有信息頭（稱為首旗），信息尾（尾旗），信息幀中緊跟首旗的是地址，其中包括信号發出的結點的源地址，如結點号、模件号、功能塊号以及接收信息的結點的目的地址，如結點号、模件号和功能塊地址。信息幀的中間是數據，再後面是校驗。校驗最多的是采用循環冗餘校驗（CRC）。CRC碼是一種高效能的檢錯和糾錯碼。數據在傳輸過程中，可以是一幀，也可以是兩幀，如果是兩幀，頭幀是旗，第二幀才是數據。最長的一幀信息可長達200多個字節。采用存儲轉發協議的網絡中，當一個結點發生故障時，把這個結點旁通，讓信息通過。

在CIMS中的作用

流程工業CIMS是一個複雜的綜合自動化系統，處理的對象是整個企業的全部生産活動，DCS作為一種有效的工具和實現手段，在流程工業CIMS中完成重要的基礎控制和實時生産數據采集、動态監控等功能。與管理類計算機相比，DCS能夠提供更加可靠的生産過程數據，使CIMS系統所作出的優化決策也更加可靠。

從功能上看，流程工業CIMS中的生産自動化系統、動态監控系統和在線質量控制都可以由DCS實現。從流程工業CIMS的層次結構看，DCS主要擔負過程控制和過程優化任務，有些生産調度和生産管理工作也可在DCS上完成。

PLC、DCS、FCS

計算機和網絡技術的飛速發展，引起了自動化控制系統結構的變革，一種世界上最新型的控制系統即現場總線控制系統（Fieldbus Control System，FCS）在上世紀九十年代走向實用化，并正以迅猛的勢頭快速發展。現場總線控制系統是目前自動化技術中的一個熱點，正越來越受到國内外自動化設備制造商與用戶的關注。現場總線控制系統的出現，将給自動化領域在過程控制系統上帶來又一次革命，其深度和廣度将超過曆史的任何一次，從而開創自動化的新紀元。

FCS可以說是第五代過程控制系統，是由PLC（Programmable Controller）或DCS（Distributed Control System）發展而來的。FCS與PLC及DCS之間有千絲萬縷的聯系，又存在着本質的差異。本文針對PLC、DCS、FCS三大控制系統的特點、性能和差異作一分析。

1 PLC、DCS、FCS三大控制系統的基本特點

目前，在連續型流程生産工業過程控制中，有三大控制系統，即PLC、DCS和FCS。它們各自的基本特點如下：

1.1 PLC

（1）從開關量控制發展到順序控制、運算處理，是從下往上的。

（2）邏輯控制、定時控制、計數控制、步進(順序)控制、連續PID控制、數據控制――PLC具有數據處理能力、通信和聯網等多功能。

（3）可用一台PC機為主站，多台同型PLC為從站。

（4）也可一台PLC為主站，多台同型PLC為從站，構成PLC網絡。這比用PC機作主站方便之處是：有用戶編程時，不必知道通信協議，隻要按說明書格式寫就行。

（5）PLC網絡既可作為獨立DCS/TDCS，也可作為DCS/TDCS的子系統。

（6）主要用于工業過程中的順序控制，新型PLC也兼有閉環控制功能。

1.2 DCS

（1）分散控制系統DCS與集散控制系統TDCS是集4C（Communication，Computer， Control、CRT）技術于一身的監控技術，是第四代過程控制系統。既有計算機控制系統控制算式先進、精度高、響應速度快的優點，又有儀表控制系統安全可靠、維護方便的要求。

（2）從上到下的樹狀拓撲大系統，其中通信（Communication）是關鍵。

（3）是樹狀拓撲和并行連續的鍊路結構，也有大量電纜從中繼站并行到現場儀器儀表。

（4）模拟信号，A/D—D/A、帶微處理器的混合。是由幾台計算機和一些智能儀表智能部件組成，并逐漸地以數字信号來取代模拟信号。

（5）一台儀表一對線接到I/O，由控制站挂到局域網LAN。

（6）DCS是控制（工程師站）、操作（操作員站）、現場儀表（現場測控站）的3級結構。缺點是成本高，各公司産品不能互換，不能互操作，大DCS系統是各家不同的。

（7）用于大規模的連續過程控制，如石化、大型電廠機組的集中控制等。

1.3 FCS

（1）FCS是第五代過程控制系統，它是21世紀自動化控制系統的方向。是3C技術（Communication，Computer， Control）的融合。基本任務是：本質（本征）安全、危險區域、易變過程、難于對付的非常環境。

（2）全數字化、智能、多功能取代模拟式單功能儀器、儀表、控制裝置。

（3）用兩根線聯接分散的現場儀表、控制裝置，取代每台儀表的兩根線。“現場控制”取代“分散控制”；數據的傳輸采用“總線”方式。

（4）從控制室到現場設備的雙向數字通信總線，是互聯的、雙向的、串行多節點、開放的數字通信系統取代單向的、單點、并行、封閉的模拟系統。

（5）用分散的虛拟控制站取代集中的控制站。

（6）把微機處理器轉入現場自控設備，使設備具有數字計算和數字通信能力，信号傳輸精度高，遠程傳輸。實現信号傳輸全數字化、控制功能分散、标準統一全開放。

（7）可上局域網，再可與internet相通。既是通信網絡，又是控制網絡。

（8）3類FCS的典型應用：1) 連續的工藝過程自動控制如石油化工，其中“本安防爆”技術是絕對重要的；2）分立的工藝動作自動控制如汽車制造機器人、汽車；3）多點控制如樓宇自動化。

這三大控制系統，尤其是DCS、PLC，都在電站得到了廣泛應用，而且效果也非常好。

2 三大控制系統之間的差異

2.1 差異

2.1.1 DCS或PLC

PLC系統與DCS系統的結構差異不大，隻是在功能的着重點上的不同，DCS着重于閉環控制及數據處理。PLC着重于邏輯控制及開關量的控制，也可實現模拟量控制。

DCS或PLC系統的關鍵是通信。也可以說數據公路是分散控制系統DCS及PLC的脊柱。由于它的任務是為系統所有部件之間提供通信網絡，因此，數據公路自身的設計就決定了總體的靈活性和安全性。數據公路的媒體可以是：一對絞線、同軸電纜或光纖電纜。

DCS的特點是：（1）控制功能強。可實現複雜的控制規律，如串級、前饋、解耦、自适應、最優和非線性控制等。也可實現順序控制。（2）系統可靠性高。（3）采用CRT操作站有良好的人機界面。（4）軟硬件采用模塊化積木式結構。（5）系統容易開發。（6）用組态軟件，編程簡單，操作方便。（7）有良好的性價比。

通過數據公路的設計參數，基本上可以了解一個特定DCS或PLC系統的相對優點與弱點。

（1）系統能處理多少I/O信息。

（2）系統能處理多少與控制有關的控制回路的信息。

（3）能适應多少用戶和裝置（CRT、控制站等）。

（4）傳輸數據的完整性是怎樣徹底檢查的。

（5）數據公路的最大允許長度是多少。

（6）數據公路能支持多少支路。

（7）數據公路是否能支持由其它制造廠生産的硬件（可編程序控制器、計算機、數據記錄裝置等）。為保證通信的完整，大部分DCS或PLC廠家都能提供冗餘數據公路。

為了保證系統的安全性，使用了複雜的通信規約和檢錯技術。所謂通信規約就是一組規則，用以保證所傳輸的數據接收與發送。

目前在DCS和PLC系統中一般使用兩類通信手段，即同步的和異步的，同步通信依靠一個時鐘信号來調節數據的傳輸和接收，異步網絡采用沒有時鐘的報告系統。

2.1.2 FCS

FCS具有（1）很好的開放性、互操作性和互換性。（2）全數字通信。（3）智能化與功能自治性。（4）高度分散性。（5）很強的适用性。

FCS的關鍵要點有三點：

（1）FCS系統的核心是總線協議，即總線标準。

采用雙絞線、光纜或無線電方式傳輸數字信号，減少大量導線，提高了可靠性和抗幹擾能力。FCS從傳感器、變送器到調節器一直是數字信号，這就使我們很容易地處理更複雜、更精确的信号，同時數字通信的差錯功能可檢出傳輸中的誤碼。

FCS可以将PID控制徹底分散到現場設備（Field Device）中。基于現場總線的FCS又是全分散、全數字化、全開放和可互操作的新一代生産過程自動化系統，它将取代現場一對一的4～20mA模拟信号線，給傳統的工業自動化控制系統體系結構帶來革命性的變化。

根據IEC61158的定義，現場總線是安裝在制造或過程區域的現場裝置與控制室内的自動控制裝置之間的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡。現場總線使測控設備具備了數字計算和數字通信能力，提高了信号的測量、傳輸和控制精度，提高了系統與設備的功能、性能。IEC/TC65的SC65C/WG6工作組于1984年開始緻力于推出世界上單一的現場總線标準工作，走過了16年的艱難曆程，于1993年推出了IEC61158-2，之後的标準制定就陷于混亂。2000年初公布的IEC61158現場總線國際标準子集有八種，分别為：

①類型1 IEC技術報告（FFH1）；②類型2 Control-NET（美國Rockwell公司支持）；③類型3 Profibus（德國Siemens公司支持）；④類型4 P-NET（丹麥Process Data公司支持）；⑤類型5 FFHSE（原FFH2）高速以太網（美國Fisher Rosemount公司支持）；⑥類型6 Swift-Net（美國波音公司支持）；⑦類型7 WorldFIP（法國Alsto公司支持）；⑧類型8 Interbus（美國Phoenix Contact公司支持）。

除了IEC61158的8種現場總線外，IEC TC17B通過了三種總線标準：SDS（Smart Distributed System）；ASI（Actuator Sensor Interface）；Device NET。另外，ISO公布了ISO 11898 CAN标準。其中Device NET于2002年10月8日被中國批準為國家标準，并于2003年4月1日開始實施。

所以，要實現這些總線類型的相互兼容和互操作，就目前狀态而言，幾乎是不可能的。開放的現場總線控制系統的互操作性，就一個特定類型的現場總線而言，隻要遵循同一類型現場總線的總線協議，對其産品是開放的，并具有互操作性。換句話說，不論什麼廠家的産品，也不一家是該現場總線公司的産品，隻要遵循同一類型總線的總線協議，産品之間是開放的，并具有互操作性，就可以組成總線網絡。

另外，FCS還可以通過網關和企業的上級管理網絡相連，以便管理者掌握第一手資料，為決策提供依據。所以現場總線具有開放性、互操作性、系統結構的高度分散性、靈活的網絡拓撲結構、現場設備的高度智能化、對環境的高度适應性等諸多突出特點。（2）FCS系統的基礎是數字智能現場裝置

控制功能下放到現場儀表中，控制室内儀表裝置主要完成數據處理、監督控制、優化控制、協調控制和管理自動化等功能。

數字智能現場裝置是FCS系統的硬件支撐，是基礎；道理很簡單，FCS系統執行的是自動控制裝置與現場裝置之間的雙向數字通信現場總線信号制。現場裝置必須遵循統一的總線協議，即相關的通訊規約，具備數字通信功能，能實現雙向數字通。再一點，現場總線的一大特點就是要增加現場一級控制功能。

（3）FCS系統的本質是信息處理現場化

對于一個控制系統，無論是采用DCS還是采用現場總線，系統需要處理的信息量至少是一樣多的。實際上，采用現場總線後，可以從現場得到更多的信息。現場總線系統的信息量沒有減少，甚至增加了，而傳輸信息的線纜卻大大減少了。這就要求一方面要大大提高線纜傳輸信息的能力，另一方面要讓大量信息在現場就地完成處理，減少現場與控制機房之間的信息往返。可以說現場總線的本質就是信息處理的現場化。

由現場智能儀表完成數據采集、數據處理、控制運算和數據輸出等功能。現場儀表的數據（包括采集的數據和診斷數據）通過現場總線傳送到控制室的控制設備上，控制室的控制設備用來監視各個現場儀表的運行狀态，保存智能儀表上傳的數據，同時完成少量現場儀表無法完成的高級控制功能。

2.2 典型系統比較

通過使用現場總線，用戶可以大量減少現場接線，用單個現場儀表可實現多變量通信，不同制造廠生産的裝置間可以完全互操作，增加現場一級的控制功能，系統集成大大簡化，并且維護十分簡便。

傳統的過程控制儀表系統每個現場裝置到控制室都需使用一對專用的電纜或雙絞線，以傳送4mA~20mA信号。現場總線系統中，每個現場裝置到接線盒的雙絞線仍然可以使用，但是從現場接線盒到中央控制室僅用一根雙絞線完成數字通信。

通過采用現場總線控制系統，到底能節省多少電纜，編者就不作詳細的計算。

2.3 應用差異

上述的比較是偏重于純技術性的比較，下面就DCS與FCS系統在具體應用方面進行比較。前題是DCS系統與典型的、理想的FCS系統進行比較。

具體比較：

（1）DCS系統是個大系統，其控制器的功能強而且在系統中的作用十分重要，數據公路更是系統的關鍵，所以，必須整體投資一步到位，事後的擴容難度較大。而FCS功能下放較徹底，信息處理現場化，數字智能現場裝置的廣泛采用，使得控制器功能與重要性相對減弱。因此，FCS系統投資起點低，可以邊用、邊擴、邊投運。

（2）DCS系統是封閉式系統，各公司産品基本不兼容。而FCS系統是開放式系統，不同廠商、不同品牌的各種産品基本能同時連入同一現場總線，達到最佳的系統集成。

（3）DCS系統的信息全都是二進制或模拟信号形成的，必須通過D/A與A/D轉換。而FCS系統将D/A與A/D轉換在現場一次表完成，實現全數字化通信，使精度得到大的提高，可提高到0.1%。并且FCS系統可以将PID閉環控制功能裝入現場設備中，縮短了控制周期，提高運算速度，從而改善調節性能。

（4）DCS它可以控制和監視工藝全過程，對自身進行診斷、維護和組态。但是，由于自身的緻命弱點，其I/O信号采用傳統的模拟量信号，因此，它無法在DCS工程師站上對現場儀表（含變送器、執行器等）進行遠方診斷、維護和組态。FCS采用全數字化技術，數字智能現場裝置發送多變量信息，而不僅僅是單變量信息，并且還具備檢測信息差錯的功能。FCS采用的是雙向數字通信現場總線信号制。因此，它可以對現場裝置（含變送器、執行機構等）進行遠方診斷、維護和組态。

（5）FCS由于信息處理現場化，與DCS相比可以省去相當數量的隔離器、端子櫃、I/O終端、I/O卡件、I/O文件及I/O櫃，同時也節省了I/O裝置及裝置室的空間與占地面積。同時，FCS可以減少大量電纜與敷設電纜用的橋架等，同時也節省了設計、安裝和維護費用。

（6）FCS相對于DCS組态簡單，由于結構、性能标準化，便于安裝、運行、維護。

3 PLC與DCS的前景

大家都知道FCS是由PLC或DCS發展而來，現在FCS系統被廣泛的應用，那麼，PLC與DCS前景又将如何。

PLC于20世紀60年代末期在美國首先出現，目的是用來取代繼電器，執行邏輯、計時、計數等順序控制功能，建立柔性程序控制系統。1976年正式命名，并給予定義：PLC（Programmable logic Controller）是一種數字控制專用電子計算機，它使用了可編程序存儲器儲存指令，執行諸如邏輯、順序、計時、計數與演算等功能，并通過模拟和數字輸入、輸出等組件，控制各種機械或工作程序。經過30多年的發展，PLC已十分成熟與完善，并具有強大的運算、處理和數據傳輸功能。并定義為可編程控制器（Programmable Controller　PLC）。PLC在FCS系統中的地位似乎已被确定并無多少争論。PLC作為一個站挂在高速總線上。充分發揮PLC在處理開關量方面的優勢。另外，電廠輔助車間，例如水處理車間、循環水車間、除灰除渣車間、輸煤車間等，這些車間的工藝過程多以順序控制為主。PLC對于順序控制有其獨特的優勢。輔助車間的控制系統應以遵循現場總線通訊協議的PLC或能與FCS進行通訊交換信息的PLC為優選對象。

現場總線的應用是工業過程控制發展的主流之一。可以說FCS的發展應用是自動化領域一場革命。采用現場總線技術構造低成本現場總線控制系統，促進現場儀表的智能化、控制功能分散化、控制系統開放化，符合工業控制系統技術發展趨勢。

總之，計算機控制系統的發展在經曆了基地式氣動儀表控制系統、電動單元組合式模拟儀表控制系統、集中式數字控制系統以及集散控制系統（DCS）後，将朝着現場總線控制系統（FCS）的方向發展。雖然以現場總線為基礎的FCS發展很快，但FCS發展還有很多工作要做，如統一标準、儀表智能化等。另外，傳統控制系統的維護和改造還需要DCS，因此FCS完全取代傳統的DCS還需要一個漫長的過程，同時DCS本身也在不斷的發展與完善。可以肯定的是，結合DCS、工業以太網、先進控制等新技術的FCS将具有強大的生命力。工業以太網以及現場總線技術作為一種靈活、方便、可靠的數據傳輸方式，在工業現場得到了越來越多的應用，并将在控制領域中占有更加重要的地位。

4 結論

在未來，工業過程控制系統中，數字技術向智能化、開放性、網絡化、信息化發展，同時，工業控制軟件也将向标準化、網絡化、智能化、開放性發展。因此現場總線控制系統FCS的出現，數字式分散控制DCS及PLC并不會消亡，DCS及PLC系統會更加向智能化、開放性、網絡化、信息化發展。或隻是将過去處于控制系統中心地位的DCS移到現場總線的一個站點上去。這樣說，DCS或PLC處于控制系統中心地位的局面從此将被打破。今後的控制系統将會是：FCS處于控制系統中心地位，兼有DCS、PLC系統一種新型标準化、智能化、開放性、網絡化、信息化控制系統。