DCS、FCS两大控制系统比较及两者的集成
1 引言
过程控制以计算机控制作为主流。近年来，计算机技术的飞速发展正迅速改变着工业自动化的现状，传统的生产过程计算机控制系统已仅仅是一个狭义的概念，现代计算机控制系统的含义已被大大扩展 ，它不仅包含我们最熟悉的各种自动控制系统、各种顺序逻辑控制系统、各种自动批处理控制系统及联锁保护系统，还包括了各生产工段和各生产车间的优化调度系统，以及整个企业的决策系统和管理系统。本文重点分析作为现代工业顺序逻辑控制的可编程逻辑控制PLC、现代工业主流的集散型控制系统(DCS)和未来工业主流的现场总线控制系统(FCS)及其相互关系。
2 DCS、FCS控制系统的基本要点
目前，在连续型流程生产自动控制(PA)或习惯称之为工业过程控制中，有两大控制系统，即DCS和FCS。它们的各自基本要点如下:
2.1 DCS或TDCS
(1)分散控制系统DCS与集散控制系统是集通讯、计算、控制、显示4C(Communication，Computer，Control，CRT)技术于一身的监控技术。
(2) 从上到下的树状拓扑大系统，其中通信(Communication)是关键。
(3) PID在中继站中，中继站联接计算机与现场仪器仪表与控制装置。
(4) 模拟信号A/D-D/A带微处理的混合。
(5) 一台仪表一对线接到I/O，由控制站挂到局域网LAN。
(6) DCS是控制(工程师站)、操作(操作员站)、现场仪表(现场控制站)的三级结构。
(7) 缺点是成本高，各公司产品不能互换，不能互操作，大DCS系统是各家不同的。
(8) 用于大规模的连续过程控制，如石化等。
(9) 制造商:Bailey(美)、Westinghouse(美)、HITACH(日)、LEEDS&NORTHRMP(美)、Siemens(德)、Foxboro(美)、ABB(瑞士)
2.2 FCS
(1) 基本任务是:本质(本征)、安全、危险区域、易变过程、难于对付的非常环境。 (2) 全数字化、智能、多功能取代模拟式单功能仪器、仪表、控制装置。
(3) 在总线上PID与仪器、仪表、控制装置都是平等的。
(4) 多变量、多节点、串行、数字通信系统取代单变量、单点、并行、模拟系统，是双向的、开放的取代单向的、封闭的。
(5) 用分散的虚拟控制站取代集中的控制站。
(6) 制造商:美Honeywell、Smar、Fisher-Rosemount、AB/Rochwell、Elsag-Bailey、Foxboro。欧Siemens、GEC-Alsthom、Schneider、Process-Data、ABB
(7) 3类FCS的典型
a)连续的工艺过程自动控制如石油化工，其中“本安防爆”技术是绝对重要的，典型产品是FF、WorldFIP、Profibus-PA
b)分立的工艺动作自动控制，如汽车制造机器人。汽车典型产品是Probifus-DP、CANbus
c)多点控制如楼宇自动化，典型产品是Lonwork、Profibus-FMS
3 两大控制系统之间的差异
我们已经知道，FCS是由DCS与PLC发展而来，FCS不仅具备DCS与PLC的特点，而且跨出了革命性的一步。而目前，新型的DCS与新型的PLC，都由向对方靠拢的趋势。新型的DCS已有很强的顺序控制功能；而新型的PLC，在处理闭环控制方面也不差，并且两者都能组成大型网络，DCS与PLC的适用范围，已有很大的交叉，下面我着重介绍DCS和FCS两大控制系统间的差异要点。
3.1 DCS
DCS的关键是通信。也可以说数据公路是分散控制系统DCS的脊柱。由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络，因此，数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。数据公路的媒体可以是:一对绞线、同轴电缆或光纤电缆。
通过数据公路的设计参数，基本上可以了解一个特定DCS系统的相对优点与弱点:
(1) 系统能处理多少I/O信息
(2) 系统能处理多少与控制有关的控制回路的信息
(3) 能适应多少用户和装置(CRT、控制站等)
(4) 传输数据的完整性是怎样彻底检查的
(5) 数据公路的最大允许长度是多少
(6) 数据公路能支持多少支路
(7) 数据公路是否能支持有其他制造厂生产的硬件(可编程序控制器、计算机、数据记录装置等)。
为保证通信的完整，大部分DCS厂家都能提供冗余数据公路，为了保证系统的安全性，使用了复杂的通信规约和检错技术。所谓通信规约就是一组规则，用以保证所传输的数据被接收，并且被理解得和发送得数据一样。
3.2 FCS
FCS的关键要点有以下三点:
(1)FCS系统的核心是总线协议，即总线标准，只要总线协议一经确定，相关的关键技术与有关的设备也就被确定。就一个特定类型的现场总线而言，只要遵循该类型现场总线的总线协议，对其产品是开放的，并具有互操作性。换句话说，不论什么厂家的产品，也不一定是该现场总线公司的产品，只要遵循该总线协议，产品之间是开放的，并具有互操作性，就可以组成总线网络。
(2) FCS系统的基础是数字智能现场装置。数字智能现场装置是FCS系统的硬件支撑，是基础。FCS系统执行的是自动控制装置与现场装置之间的双向数字通信现场总线信号制。如果现场装置不遵循统一的总线协议，即相关的通信规约，不具备数字通信功能，那么所谓双向数字通信是一句空话，也不能称之为现场总线控制系统
(3) FCS系统的本身是信息处理现场化。对于一个控制系统，无论是采用DCS还是采用现场总线，系统需要处理的信息量至少是一样的。实际上，采用现场总线后，可以从现场得到更多的信息。现场总线系统的信息量没减少，甚至增加了，而传输信息的线缆却大大减少了，可以说，现场总线的本质就是信息处理的现场化。
4 FCS与DCS的集成
由于DCS应用广泛、技术成熟，在现有的技术条件和市场条件下，FCS还不能完全取代DCS ，由此引出一个很重要的问题:如何在已有的DCS系统中应用现场总线新技术，即如何实现FCS与DCS的紧密集成，使二者各自的优势都得到体现?从本质来说，FCS是一个网络通信系统，而DCS虽然涉及网络通信，但其标准由各厂家自行制定，没有开放性，所以DCS与FCS集成只是一种过渡策略，因为这种混合系统不能完全发挥FCS的优势。根据当前不同的应用需求，FCS和DCS有三个层次上的集成模式。
4.1 现场总线集成在DCS的I/O总线上
这种方式通过接口卡直接将现场总线集成到DCS系统中。与I/O功能块相关的测量值和设定值可以通过接口卡映射成I/O总线上等价的值。通过这种映射关系，DCS就能透明地获取现场总线智能仪表传送的信息，其效果和传统的变送器相同。
这种集成方式的优点:
l 只需安装现场总线接口卡 ，无需改变或升级DCS系统。
l 对于一些初级的现场总线设备，厂家提供的功能块有限，这种方式保留了DCS的控制功能。
l 采用低成本的PC作为现场总线组态、诊断的接口单元。
但这种方式也限制了DCS所能获取的信息，无法利用现场设备中大量的状态信息。
4.2 现场总线集成在DCS网络上
这种集成方式通过现场总线接口单元连接到DCS网络上，现场设备中用于控制、计算的各种功能块操作信息可以在DCS控制台中获取和更改。通过接口单元提供的服务 ，DCS操作站能获取更多的现场设备信息。
这种集成方式的优点:
l 控制和计算可以在现场设备中完成 ，相关的参数可以在DCS操作员站中访问。
l 便于现场总线和DCS之间的通信。
l DCS可以访问现场设备中更多的信息。但是这种集成方式中现场设备功能块组态仍在PC中完成，与DCS组态数据库分离。
4.3 过网关接口集成现场总线
这种集成方式通过专门设计的网关接口实现现场总线网络和DCS系统的完全双向连接，即DCS操作员站能访问现场设备中的所有信息，而现场总线也能获取DCS提供的各种信息 ，因此便于实现现场总线和DCS的协调控制。此外 ，在这种集成方式下，现场总线的控制功能更加独立，可以构成一个脱离DCS的完整的控制系统。
这种方式主要适用于规模较大的控制系统，能有效保护用户对DCS的先期投资。DCS负责监控、优化、先进控制、协调管理等较复杂的应用，是主控系统 ，而FCS负责现场设备层的数据采集和闭环控制并将设备的状态、诊断信息实时地传送至DCS 。
但是这种接口方式对网关接口技术要求很高，此接口要完成双向的协议转换，为DCS和现场总线提供透明的数据访问。
以上简单讨论了DCS和FCS集成的三种途径。实现应用时情况会更复杂，主要原因是DCS的很多设计要素不同于FCS，DCS的封闭性限制了现场总线分散化、网络化特点的实现。传统意义上的DCS实现分散控制、集中管理，但在实际应用中，DCS的控制功能并没有真正分散化，其管理功能更多的也只是监控和协调。因此，在未来的技术发展中，需要着重考虑DCS与FCS的集成，使系统配置达到最优，从而实现完整的控制、管理网络架构。这样，DCS的基本控制功能将逐步消失，它将更多的承担监控、管理和决策任务 ，成为真正意义上的管理系统的一部分;而FCS则协调现场智能测控设备之间的通信 ，实现生产过程控制的彻底分散化、网络化。因此，DCS与FCS结合是当前提高过程控制系统自动化水平的基本思路。
5 结束语
现阶段用户在选择FCS时，一定要根据具体的系统需求和生产过程的实际情况选择恰当的系统配置。对于现有大量的DCS完全由FCS取代很不现实，因此应更多地考虑FCS与DCS的集成，保留了DCS丰富的监控、协调管理功能，另一方面也发挥了FCS网络化、分散化控制的优势，从而提高生产过程的综合自动化水平
过程控制以计算机控制作为主流。近年来，计算机技术的飞速发展正迅速改变着工业自动化的现状，传统的生产过程计算机控制系统已仅仅是一个狭义的概念，现代计算机控制系统的含义已被大大扩展 ，它不仅包含我们最熟悉的各种自动控制系统、各种顺序逻辑控制系统、各种自动批处理控制系统及联锁保护系统，还包括了各生产工段和各生产车间的优化调度系统，以及整个企业的决策系统和管理系统。本文重点分析作为现代工业顺序逻辑控制的可编程逻辑控制PLC、现代工业主流的集散型控制系统(DCS)和未来工业主流的现场总线控制系统(FCS)及其相互关系。
2 DCS、FCS控制系统的基本要点
目前，在连续型流程生产自动控制(PA)或习惯称之为工业过程控制中，有两大控制系统，即DCS和FCS。它们的各自基本要点如下:
2.1 DCS或TDCS
(1)分散控制系统DCS与集散控制系统是集通讯、计算、控制、显示4C(Communication，Computer，Control，CRT)技术于一身的监控技术。
(2) 从上到下的树状拓扑大系统，其中通信(Communication)是关键。
(3) PID在中继站中，中继站联接计算机与现场仪器仪表与控制装置。
(4) 模拟信号A/D-D/A带微处理的混合。
(5) 一台仪表一对线接到I/O，由控制站挂到局域网LAN。
(6) DCS是控制(工程师站)、操作(操作员站)、现场仪表(现场控制站)的三级结构。
(7) 缺点是成本高，各公司产品不能互换，不能互操作，大DCS系统是各家不同的。
(8) 用于大规模的连续过程控制，如石化等。
(9) 制造商:Bailey(美)、Westinghouse(美)、HITACH(日)、LEEDS&NORTHRMP(美)、Siemens(德)、Foxboro(美)、ABB(瑞士)
2.2 FCS
(1) 基本任务是:本质(本征)、安全、危险区域、易变过程、难于对付的非常环境。 (2) 全数字化、智能、多功能取代模拟式单功能仪器、仪表、控制装置。
(3) 在总线上PID与仪器、仪表、控制装置都是平等的。
(4) 多变量、多节点、串行、数字通信系统取代单变量、单点、并行、模拟系统，是双向的、开放的取代单向的、封闭的。
(5) 用分散的虚拟控制站取代集中的控制站。
(6) 制造商:美Honeywell、Smar、Fisher-Rosemount、AB/Rochwell、Elsag-Bailey、Foxboro。欧Siemens、GEC-Alsthom、Schneider、Process-Data、ABB
(7) 3类FCS的典型
a)连续的工艺过程自动控制如石油化工，其中“本安防爆”技术是绝对重要的，典型产品是FF、WorldFIP、Profibus-PA
b)分立的工艺动作自动控制，如汽车制造机器人。汽车典型产品是Probifus-DP、CANbus
c)多点控制如楼宇自动化，典型产品是Lonwork、Profibus-FMS
3 两大控制系统之间的差异
我们已经知道，FCS是由DCS与PLC发展而来，FCS不仅具备DCS与PLC的特点，而且跨出了革命性的一步。而目前，新型的DCS与新型的PLC，都由向对方靠拢的趋势。新型的DCS已有很强的顺序控制功能；而新型的PLC，在处理闭环控制方面也不差，并且两者都能组成大型网络，DCS与PLC的适用范围，已有很大的交叉，下面我着重介绍DCS和FCS两大控制系统间的差异要点。
3.1 DCS
DCS的关键是通信。也可以说数据公路是分散控制系统DCS的脊柱。由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络，因此，数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。数据公路的媒体可以是:一对绞线、同轴电缆或光纤电缆。
通过数据公路的设计参数，基本上可以了解一个特定DCS系统的相对优点与弱点:
(1) 系统能处理多少I/O信息
(2) 系统能处理多少与控制有关的控制回路的信息
(3) 能适应多少用户和装置(CRT、控制站等)
(4) 传输数据的完整性是怎样彻底检查的
(5) 数据公路的最大允许长度是多少
(6) 数据公路能支持多少支路
(7) 数据公路是否能支持有其他制造厂生产的硬件(可编程序控制器、计算机、数据记录装置等)。
为保证通信的完整，大部分DCS厂家都能提供冗余数据公路，为了保证系统的安全性，使用了复杂的通信规约和检错技术。所谓通信规约就是一组规则，用以保证所传输的数据被接收，并且被理解得和发送得数据一样。
3.2 FCS
FCS的关键要点有以下三点:
(1)FCS系统的核心是总线协议，即总线标准，只要总线协议一经确定，相关的关键技术与有关的设备也就被确定。就一个特定类型的现场总线而言，只要遵循该类型现场总线的总线协议，对其产品是开放的，并具有互操作性。换句话说，不论什么厂家的产品，也不一定是该现场总线公司的产品，只要遵循该总线协议，产品之间是开放的，并具有互操作性，就可以组成总线网络。
(2) FCS系统的基础是数字智能现场装置。数字智能现场装置是FCS系统的硬件支撑，是基础。FCS系统执行的是自动控制装置与现场装置之间的双向数字通信现场总线信号制。如果现场装置不遵循统一的总线协议，即相关的通信规约，不具备数字通信功能，那么所谓双向数字通信是一句空话，也不能称之为现场总线控制系统
(3) FCS系统的本身是信息处理现场化。对于一个控制系统，无论是采用DCS还是采用现场总线，系统需要处理的信息量至少是一样的。实际上，采用现场总线后，可以从现场得到更多的信息。现场总线系统的信息量没减少，甚至增加了，而传输信息的线缆却大大减少了，可以说，现场总线的本质就是信息处理的现场化。
4 FCS与DCS的集成
由于DCS应用广泛、技术成熟，在现有的技术条件和市场条件下，FCS还不能完全取代DCS ，由此引出一个很重要的问题:如何在已有的DCS系统中应用现场总线新技术，即如何实现FCS与DCS的紧密集成，使二者各自的优势都得到体现?从本质来说，FCS是一个网络通信系统，而DCS虽然涉及网络通信，但其标准由各厂家自行制定，没有开放性，所以DCS与FCS集成只是一种过渡策略，因为这种混合系统不能完全发挥FCS的优势。根据当前不同的应用需求，FCS和DCS有三个层次上的集成模式。
4.1 现场总线集成在DCS的I/O总线上
这种方式通过接口卡直接将现场总线集成到DCS系统中。与I/O功能块相关的测量值和设定值可以通过接口卡映射成I/O总线上等价的值。通过这种映射关系，DCS就能透明地获取现场总线智能仪表传送的信息，其效果和传统的变送器相同。
这种集成方式的优点:
l 只需安装现场总线接口卡 ，无需改变或升级DCS系统。
l 对于一些初级的现场总线设备，厂家提供的功能块有限，这种方式保留了DCS的控制功能。
l 采用低成本的PC作为现场总线组态、诊断的接口单元。
但这种方式也限制了DCS所能获取的信息，无法利用现场设备中大量的状态信息。
4.2 现场总线集成在DCS网络上
这种集成方式通过现场总线接口单元连接到DCS网络上，现场设备中用于控制、计算的各种功能块操作信息可以在DCS控制台中获取和更改。通过接口单元提供的服务 ，DCS操作站能获取更多的现场设备信息。
这种集成方式的优点:
l 控制和计算可以在现场设备中完成 ，相关的参数可以在DCS操作员站中访问。
l 便于现场总线和DCS之间的通信。
l DCS可以访问现场设备中更多的信息。但是这种集成方式中现场设备功能块组态仍在PC中完成，与DCS组态数据库分离。
4.3 过网关接口集成现场总线
这种集成方式通过专门设计的网关接口实现现场总线网络和DCS系统的完全双向连接，即DCS操作员站能访问现场设备中的所有信息，而现场总线也能获取DCS提供的各种信息 ，因此便于实现现场总线和DCS的协调控制。此外 ，在这种集成方式下，现场总线的控制功能更加独立，可以构成一个脱离DCS的完整的控制系统。
这种方式主要适用于规模较大的控制系统，能有效保护用户对DCS的先期投资。DCS负责监控、优化、先进控制、协调管理等较复杂的应用，是主控系统 ，而FCS负责现场设备层的数据采集和闭环控制并将设备的状态、诊断信息实时地传送至DCS 。
但是这种接口方式对网关接口技术要求很高，此接口要完成双向的协议转换，为DCS和现场总线提供透明的数据访问。
以上简单讨论了DCS和FCS集成的三种途径。实现应用时情况会更复杂，主要原因是DCS的很多设计要素不同于FCS，DCS的封闭性限制了现场总线分散化、网络化特点的实现。传统意义上的DCS实现分散控制、集中管理，但在实际应用中，DCS的控制功能并没有真正分散化，其管理功能更多的也只是监控和协调。因此，在未来的技术发展中，需要着重考虑DCS与FCS的集成，使系统配置达到最优，从而实现完整的控制、管理网络架构。这样，DCS的基本控制功能将逐步消失，它将更多的承担监控、管理和决策任务 ，成为真正意义上的管理系统的一部分;而FCS则协调现场智能测控设备之间的通信 ，实现生产过程控制的彻底分散化、网络化。因此，DCS与FCS结合是当前提高过程控制系统自动化水平的基本思路。
5 结束语
现阶段用户在选择FCS时，一定要根据具体的系统需求和生产过程的实际情况选择恰当的系统配置。对于现有大量的DCS完全由FCS取代很不现实，因此应更多地考虑FCS与DCS的集成，保留了DCS丰富的监控、协调管理功能，另一方面也发挥了FCS网络化、分散化控制的优势，从而提高生产过程的综合自动化水平
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