1.前言

　　上世紀九十年代走向?qū)嵱没默F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，正以迅猛的勢頭快速發(fā)展，是目前世界上最新型的控制系統(tǒng)。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是目前自動化技術中的一個熱點，正受到國內(nèi)外自動化設備制造商與用戶越來越強烈的關注?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，將給自動化領域帶來又一次革命，其深度和廣度將超過歷史的任何一次，從而開創(chuàng)自動化的新紀元。

　　在有些行業(yè)，F(xiàn)CS是由PLC發(fā)展而來的；而在另一些行業(yè)，F(xiàn)CS又是由DCS發(fā)展而來的，所以FCS與PLC及DCS之間有著千絲萬縷的聯(lián)系，又存在著本質(zhì)的差異。本文試就PLC、DCS、FCS三大控制系統(tǒng)的特點和差異作一分析，指出它們之間的淵源及發(fā)展方向。

　　2.PLC、DCS、FCS三大控制系統(tǒng)的基本特點

　　目前，在連續(xù)型流程生產(chǎn)自動控制（PA）或習慣稱之謂工業(yè)過程控制中，有三大控制系統(tǒng)，即PLC、DCS和FCS.它們各自的基本特點如下：2.1PLC

　　（1）從開關量控制發(fā)展到順序控制、運送處理，是從下往上的。

　?。?）連續(xù)PID控制等多功能，PID在中斷站中。

　?。?）可用一臺PC機為主站，多臺同型PLC為從站。

　?。?）也可一臺PLC為主站，多臺同型PLC為從站，構(gòu)成PLC網(wǎng)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(xié)議，只要按說明書格式寫就行。

　?。?）PLC網(wǎng)格既可作為獨立DCSTDCS，也可作為DCSTDCS的子系統(tǒng)。

　?。?）大系統(tǒng)同DCSTDCS，如TDC3000、CENTUMCS、WDPFI、MOD300.（7）PLC網(wǎng)絡如Siemens公司的SINECL1、SINECH1、S4、S5、S6、S7等，GE公司的GENET、三菱公司的MELSECNET、MELSECNETMINI.（8）主要用于工業(yè)過程中的順序控制，新型PLC也兼有閉環(huán)控制功能。

　　（9）制造商：GOULD（美）、AB（美）、GE（美）、OMRON（日）、MITSUBISHI（日）、Siemens（德）等。

　　2.2DCS或TDCS

　?。?）分散控制系統(tǒng)DCS與集散控制系統(tǒng)TDCS是集4C（Communication，Computer，Control、CRT）技術于一身的監(jiān)控技術。

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

　?。?）PID在中斷站中，中斷站聯(lián)接計算機與現(xiàn)場儀器儀表與控制裝置。

　　（4）是樹狀拓撲和并行連續(xù)的鏈路結(jié)構(gòu)，也有大量電纜從中繼站并行到現(xiàn)場儀器儀表。

　?。?）模擬信號，ADDA、帶微處理器的混合。

　?。?）一臺儀表一對線接到IO，由控制站掛到局域網(wǎng)LAN.（7）DCS是控制（工程師站）、操作（操作員站）、現(xiàn)場儀表（現(xiàn)場測控站）的3級結(jié)構(gòu)。

　?。?）缺點是成本高，各公司產(chǎn)品不能互換，不能互操作，大DCS系統(tǒng)是各家不同的。

　?。?）用于大規(guī)模的連續(xù)過程控制，如石化等。

　?。?0）制造商：Bailey（美）、Westinghous（美）、HITACH（日）、LEEDSNORTHRMP（美）、SIEMENS（德）、Foxboro（美）、ABB（瑞士）、HartmannBraun（德）、Yokogawa（日）、Honewell（美國）、Taylor（美）等。

　　2.3FCS

　　（1）基本任務是：本質(zhì)（本征）安全、危險區(qū)域、易變過程、難于對付的非常環(huán)境。

　?。?）全數(shù)字化、智能、多功能取代模擬式單功能儀器、儀表、控制裝置。

　?。?）用兩根線聯(lián)接分散的現(xiàn)場儀表、控制裝置、PID與控制中心，取代每臺儀器兩根線。

　?。?）在總線上PID與儀器、儀表、控制裝置都是平等的。

　?。?）多變量、多節(jié)點、串行、數(shù)字通信系統(tǒng)取代單變量、單點、并行、模擬系統(tǒng)。

　　（6）是互聯(lián)的、雙向的、開放的取代單向的、封閉的。

　?。?）用分散的虛擬控制站取代集中的控制站。

　?。?）由現(xiàn)場電腦操縱，還可掛到上位機，接同一總線的上一級計算機。

　　（9）局域網(wǎng)，再可與internet相通。

　　（10）改變傳統(tǒng)的信號標準、通信標準和系統(tǒng)標準入網(wǎng)。

　?。?1）制造商：美Honeywell、Smar、FisherRosemount、ABRockwell、ElsagBailey、Foxboro、Yamatake、日Yokogawa、歐Siemens、GECAlsthom、Schneider、procesData、ABB等。

　?。?2）3類FCS的典型1）連續(xù)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，典型產(chǎn)品是FF、WorldFIP、ProfibusPA；2）分立的工藝動作自動控制如汽車制造機器人、汽車，典型產(chǎn)品是ProfibusDP、CANbus；3）多點控制如樓宇自動化，典型產(chǎn)品是LONWork、ProfibusFMS.

　　從上述基本要點的描述中，我們是否注意到一點，用于過程控制的三大系統(tǒng)，沒有一個是針對電站而開發(fā)的，或者說，在他們開發(fā)的初期，都并非以電站做系統(tǒng)的首選控制對象。而在這些系統(tǒng)的使用說明中也絕不把電站做為首選適用范圍，有的在適用范圍中根本就不提電站。現(xiàn)在奇怪的是，這三大控制系統(tǒng)，尤其是DCS、PLC，都在電站得到了廣泛應用，而且效果也非常好。

　　3.三大控制系統(tǒng)之間的差異

　　我們已經(jīng)知道，F(xiàn)CS是由DCS與PLC發(fā)展而來，F(xiàn)CS不僅具備DCS與PLC的特點，而且跨出了革命性的一步。而目前，新型的DCS與新型的PLC，都有向?qū)Ψ娇繑n的趨勢。新型的DCS已有很強的順序控制功能；而新型的PLC，在處理閉環(huán)控制方面也不差，并且兩者都能組成大型網(wǎng)絡，DCS與PLC的適用范圍，已有很大的交叉。下一節(jié)就僅以DCS與FCS進行比較。在前面的章節(jié)中，實際上已涉及到DCS與FCS的差異，下面將就體系結(jié)構(gòu)、投資、設計、使用等方面進行敘述。

　　3.1差異要點。DCS

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

　　通過數(shù)據(jù)公路的設計參數(shù)，基本上可以了解一個特定DCS系統(tǒng)的相對優(yōu)點與弱點。

　?。?）系統(tǒng)能處理多少IO信息。

　?。?）系統(tǒng)能處理多少與控制有關的控制回路的信息。

　?。?）能適應多少用戶和裝置（CRT、控制站等）。

　?。?）傳輸數(shù)據(jù)的完整性是怎樣徹底檢查的。

　?。?）數(shù)據(jù)公路的最大允許長度是多少。

　?。?）數(shù)據(jù)公路能支持多少支路。

　?。?）數(shù)據(jù)公路是否能支持由其它制造廠生產(chǎn)的硬件（可編程序控制器、計算機、數(shù)據(jù)記錄裝置等）。

　　為保證通信的完整，大部分DCS廠家都能提供冗余數(shù)據(jù)公路。

　　為了保證系統(tǒng)的安全性，使用了復雜的通信規(guī)約和檢錯技術。所謂通信規(guī)約就是一組規(guī)則，用以保證所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被接收，并且被理解得和發(fā)送的數(shù)據(jù)一樣。

　　目前在DCS系統(tǒng)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號來調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)的傳輸和接收，異步網(wǎng)絡采用沒有時鐘的報告系統(tǒng)……FCSFCS的關鍵要點有三點

　?。?）FCS系統(tǒng)的核心是總線協(xié)議，即總線標準前面的章節(jié)已經(jīng)敘述，一種類型的總線，只要其總線協(xié)議一經(jīng)確定，相關的關鍵技術與有關的設備也就被確定。就其總線協(xié)議的基本原理而言，各類總線都是一樣的，都以解決雙向串行數(shù)字化通訊傳輸為基本依據(jù)。但由于各種原因，各類總線的總線協(xié)議存在很大的差異。

　　為了使現(xiàn)場總線滿足可互操作性要求，使其成為真正的開放系統(tǒng)，在IEC國際標準，現(xiàn)場總線通訊協(xié)議模型的用戶層中，就明確規(guī)定用戶層具有裝置描述功能。為了實現(xiàn)互操作，每個現(xiàn)場總線裝置都用裝置描述DD來描述。DD能夠認為是裝置的一個驅(qū)動器，它包括所有必要的參數(shù)描述和主站所需的操作步驟。由于DD包括描述裝置通信所需的所有信息，并且與主站無關，所以可以使現(xiàn)場裝置實現(xiàn)真正的互操作性。

　　實際情況是否如上述一致，回答是否定的。目前通過的現(xiàn)場總線國際標準含8種類型，而原IEO國際標準只是8種類型之一，與其它7種類型總線的地位是平等的。其它7種總線，不論其市場占有率有多少，每個總線協(xié)議都有一套軟件、硬件的支撐。它們能夠形成系統(tǒng)，形成產(chǎn)品，而原IEC現(xiàn)場總線國際標準，是一個既無軟件支撐也無硬件支撐的空架子。所以，要實現(xiàn)這些總線的相互兼容和互操作，就目前狀態(tài)而言，幾乎是不可能的。

　　通過上述，我們是否可以得出這樣一種映象：開放的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的互操作性，就一個特定類型的現(xiàn)場總線而言，只要遵循該類型現(xiàn)場總線的總線協(xié)議，對其產(chǎn)品是開放的，并具有互操作性。換句話說，不論什么廠家的產(chǎn)品，也不一家是該現(xiàn)場總線公司的產(chǎn)品，只要遵循該總線的總線協(xié)議，產(chǎn)品之間是開放的，并具有互操作性，就可以組成總線網(wǎng)絡。

　?。?）FCS系統(tǒng)的基礎是數(shù)字智能現(xiàn)場裝置

　　數(shù)字智能現(xiàn)場裝置是FCS系統(tǒng)的硬件支撐，是基礎，道理很簡單，F(xiàn)CS系統(tǒng)執(zhí)行的是自動控制裝置與現(xiàn)場裝置之間的雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號制。如果現(xiàn)場裝置不遵循統(tǒng)一的總線協(xié)議，即相關的通訊規(guī)約，不具備數(shù)字通信功能，那么所謂雙向數(shù)字通信只是一句空話，也不能稱之為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。再一點，現(xiàn)場總線的一大特點就是要增加現(xiàn)場一級控制功能。如果現(xiàn)場裝置不是多功

　　能智能化的產(chǎn)品，那么現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點也就不存在了，所謂簡化系統(tǒng)、方便設計、利于維護等優(yōu)越性也是虛的。

　?。?）FCS系統(tǒng)的本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場化

　　對于一個控制系統(tǒng)，無論是采用DCS還是采用現(xiàn)場總線，系統(tǒng)需要處理的信息量至少是一樣多的。實際上，采用現(xiàn)場總線后，可以從現(xiàn)場得到更多的信息?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)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(xiàn)場就地完成處理，減少現(xiàn)場與控制機房之間的信息往返?？梢哉f現(xiàn)場總線的本質(zhì)就是信息處理的現(xiàn)場化。

　　減少信息往返是網(wǎng)絡設計和系統(tǒng)組態(tài)的一條重要原則。減少信息往返常?？蓭砀纳葡到y(tǒng)響應時間的好處。因此，網(wǎng)絡設計時應優(yōu)先將相互間信息交換量大的節(jié)點，放在同一條支路里。

　　減少信息往返與減少系統(tǒng)的線纜有時會相互矛盾。這時仍應以節(jié)省投資為原則來做選擇。如果所選擇系統(tǒng)的響應時間允許的話，應選節(jié)省線纜的方案。如所選系統(tǒng)的響應時間比較緊張，稍微減少一點信息的傳輸就夠用了，那就應選減少信息傳輸?shù)姆桨浮?p style="line-height: 3em;">

　　現(xiàn)在一些帶現(xiàn)場總線的現(xiàn)場儀表本身裝了許多功能塊，雖然不同產(chǎn)品同種功能塊在性能上會稍有差別，但一個網(wǎng)絡支路上有許多功能雷同功能塊的情況是客觀存在的。選用哪一個現(xiàn)場儀表上的功能塊，是系統(tǒng)組態(tài)要解決的問題。

　　考慮這個問題的原則是：盡量減少總線上的信息往返。一般可以選擇與該功能有關的信息輸出最多的那臺儀表上的功能塊。

　　3.2典型系統(tǒng)比較

　　通過使用現(xiàn)場總線，用戶可以大量減少現(xiàn)場接線，用單個現(xiàn)場儀表可實現(xiàn)多變量通信，不同制造廠生產(chǎn)的裝置間可以完全互操作，增加現(xiàn)場一級的控制功能，系統(tǒng)集成大大簡化，并且維護十分簡便。傳統(tǒng)的過程控制儀表系統(tǒng)每個現(xiàn)場裝置到控制室都需使用一對專用的雙絞線，以傳送4~20mA信號；現(xiàn)場總線系統(tǒng)中，每個現(xiàn)場裝置到接線盒的雙絞線仍然可以使用，但是從現(xiàn)場接線盒到中央控制室僅用一根雙絞線完成數(shù)字通信。

　　通過采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，到底能節(jié)省多少電纜，編者尚未做此計算。但是，我們從采用DCS系統(tǒng)的電廠中與自動控制系統(tǒng)有關的所用電纜公里數(shù)看出，電纜在基建投資中所占份額。

　　某電廠，2×300MW燃煤機組。熱力系統(tǒng)為單元制。每臺機組設置一座集中控制樓，采用機、爐、電單元集中控制方式。單元控制室的標高為12.6米，與運行層標高一致。DCS采用WDPFⅡ，每臺機組設計的IO點為4500點。

　　電纜敷設采用EC軟件，8個人用1.5個月時間完成電纜敷設的設計任務；主廠房內(nèi)每臺300MW機組自動化專業(yè)的電纜根數(shù)為4038根；主廠房內(nèi)每臺300MW機組自動化專業(yè)的電纜長度為350公里；以上電纜的根數(shù)及長度均不包括全廠火災報警的廠供電纜和全廠各輔助生產(chǎn)車間的電纜；電纜橋架的立柱、橋架及小槽盒全部選用鋼制鍍鋅，每臺機組約95噸。其它電纜橋架包括直通、彎通、三通、四通、蓋板、終端封頭、調(diào)寬片、直接片等選用鋁合金材質(zhì)，每臺300MW機組約為55噸。附件隨橋架提供（如螺栓、螺母）。

　　某電廠，4×MW燃油燃氣電站。熱力系統(tǒng)為單元制。DCS采用TELEPERM-XP.每臺機組設計IO點數(shù)為5804點。

　　電纜敷設采用EC軟件，12個人用2.5個月時間完成電纜敷設的設計任務；主廠房內(nèi)每臺325MW機組自動化專業(yè)的電纜根數(shù)為4413根；主廠房內(nèi)每臺235MW機組自動化專業(yè)的電纜長度為360公里；每臺機組全部選用鋼制鍍鋅電纜橋架，其重量約為200噸。電站的電纜可以分為六大類：高壓電力電纜、低壓電力電纜、控制電纜、熱控電纜、弱電電纜（主要指計算機用電纜）、其它電纜。若兩臺300MW機組同時做電纜敷設，自動化專業(yè)電纜的數(shù)量大約有8500根左右。其中熱控電纜和弱電電纜將大于5000根，即約占60%左右（以根數(shù)計量）。

　　3.3設計、投資及使用

　　上述的比較是偏重于純技術性的比較，以下比較擬加入經(jīng)濟因素。

　　比較的前題是DCS系統(tǒng)與典型的、理想的FCS系統(tǒng)進行比較。為什么要做如此的假設。做為DCS系統(tǒng)發(fā)展到今天，開發(fā)初期提出的技術要求卻已滿足并得到了完善，目前的狀況是進一步提高，因此也就不存在典型、理想的說法。而作為FCS系統(tǒng)，90年代剛進入實用化，作為開發(fā)初期的技術要求：兼容開放，雙向數(shù)字通信、數(shù)字智能現(xiàn)場裝置、高速總線等，目前還不理想有待完善。這種狀態(tài)與現(xiàn)場總線國際標準的制定不能說沒有關系。過去的十多年，各總線組織都忙于制定標準，開發(fā)產(chǎn)品，占領更多的市場，目的就是要擠身于國際標準，合法的占領更大的市場。現(xiàn)在有關國際標準的爭戰(zhàn)已告一段落，各大公司組織都已意識到，要真正占領市場，就得完善系統(tǒng)及相關產(chǎn)品。我們可以做這樣的預測，不久的將來，完善的現(xiàn)場總線系統(tǒng)及相關產(chǎn)品必須成為世界現(xiàn)場總線技術的主流。

　　具體比較：

　?。?）DCS系統(tǒng)是個大系統(tǒng)，其控制器功能強而且在系統(tǒng)中的作用十分重要，數(shù)據(jù)公路更是系統(tǒng)的關鍵，所以，必須整體投資一步到位，事后的擴容難度較大。而FCS功能下放較徹底，信息處理現(xiàn)場化，數(shù)字智能現(xiàn)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，F(xiàn)CS系統(tǒng)投資起點低，可以邊用、邊擴、邊投運。

　?。?）DCS系統(tǒng)是封閉式系統(tǒng)，各公司產(chǎn)品基本不兼容。而FCS系統(tǒng)是開放式系統(tǒng)，用戶可以選擇不同廠商、不同品牌的各種設備連入現(xiàn)場總線，達到最佳的系統(tǒng)集成。

　　（3）DCS系統(tǒng)的信息全都是二進制或模擬信號形成的，必須有DA與AD轉(zhuǎn)換。而FCS系統(tǒng)

　　是全數(shù)字化，就免去了DA與AD變換，高集成化高性能，使精度可以從±0.5%提高到±0.1%.

　?。?）FCS系統(tǒng)可以將PID閉環(huán)控制功能裝入變送器或執(zhí)行器中，縮短了控制周期，目前可以從DCS的每秒2~5次，提高到FCS的每秒10~20次，從而改善調(diào)節(jié)性能。

　　（5）DCS它可以控制和監(jiān)視工藝全過程，對自身進行診斷、維護和組態(tài)。但是，由于自身的致命弱點，其IO信號采用傳統(tǒng)的模擬量信號，因此，它無法在DCS工程師站上對現(xiàn)場儀表（含變送器、執(zhí)行器等）進行遠方診斷、維護和組態(tài)。FCS采用全數(shù)字化技術，數(shù)字智能現(xiàn)場裝置發(fā)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(shù)字通信現(xiàn)場總線信號制。因此，它可以對現(xiàn)場裝置（含變送器、執(zhí)行機構(gòu)等）進行遠方診斷、維護和組態(tài)。FCS的這點優(yōu)越性是DCS無法比擬的。

　?。?）FCS由于信息處理現(xiàn)場化，與DCS相比可以省去相當數(shù)量的隔離器、端子柜、IO終端、IO卡件、IO文件及IO柜，同時也節(jié)省了IO裝置及裝置室的空間與占地面積。有專家認為可以省去60%.

　　（7）與（6）同樣理由，F(xiàn)CS可以減少大量電纜與敷設電纜用的橋架等，同時也節(jié)省了設計、安裝和維護費用。有專家認為可以節(jié)省66%.對于（6）、（7）兩點應補充說明的是，采用FCS系統(tǒng)，節(jié)省投資的效果是不用懷疑的，但是否如有的專家所說達60~66%.這些數(shù)字在多篇文章中出現(xiàn)，編者認為這是相互轉(zhuǎn)摘的結(jié)果，目前還未找到這些數(shù)字的原始出處，因此，讀者在引用這些數(shù)字時要慎重。

　　（8）FCS相對于DCS組態(tài)簡單，由于結(jié)構(gòu)、性能標準化，便于安裝、運行、維護。

　?。?）用于過程控制的FCS設計開發(fā)要點。這一點并不作為與DCS的比較，只是說明用于過程控制或者說用于模擬連續(xù)過程類的FCS在設計開發(fā)中應重點考慮的問題。

　　1）要求總線本安防爆功能，而且是頭等重要的。

　　2）基本監(jiān)控如流量、料位、溫度、壓力等的變化是緩慢的，而且還有滯后效應，因此，節(jié)點監(jiān)控并不需要快電子學的響應時間，但要求有復雜的模擬量處理能力。這一物理特征決定了系統(tǒng)基本上多采用主一從之間的集中輪詢制，這在技術上是合理的，在經(jīng)濟上是有利的。

　　3）流量、料位、溫度、壓力等參數(shù)的測量，其物理原理是古典的，但傳感器、變送器及控制器應向數(shù)字智能化發(fā)展。

　　4）作為針對連續(xù)過程類及其儀器儀表而開發(fā)的FCS，應側(cè)重于低速總線H1的設計完善。

　　4.PLC與DCS的前景

　　我們已經(jīng)知道有的FCS是由PLC發(fā)展而來，而有的FCS是由DCS發(fā)展而來，那么，今天FCS已走向?qū)嵱没?，PLC與DCS前景又將如何。

　　PLC于60年代末期在美國首先出現(xiàn)，目的是用來取代繼電器，執(zhí)行邏輯、計時、計數(shù)等順序控制功能，建立柔性程序控制系統(tǒng)。1976年正式命名，并給予定義：PLC是一種數(shù)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(zhí)行諸如邏輯、順序、計時、計數(shù)與演算等功能，并通過模擬和數(shù)字輸入、輸出等組件，控制各種機械或工作程序。經(jīng)過30多年的發(fā)展，PLC已十分成熟與完善，并開發(fā)了模擬量閉環(huán)控制功能。PLC在FCS系統(tǒng)中的地位似乎已被確定并無多少爭論。參見圖3：IEC推薦的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。PLC作為一個站掛在高速總線上。充分發(fā)揮PLC在處理開關量方面的優(yōu)勢。另外，火力發(fā)電廠輔助車間，例如補給水處理車間、循環(huán)水車間、除灰除渣車間、輸煤車間等，在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(yōu)勢。編者以為，輔助車間的控制系統(tǒng)應以遵循現(xiàn)場總線通訊協(xié)議的PLC或能與FCS進行通訊交換信息的PLC為優(yōu)選對象。