现场总线与DCS的网络集成
摘要：
新的基于现场总线技术的控制策略和网络结构将对现有的仪表及控制系统产生革命性的影响。从现场总线技术的本质特征上分析了其对传统分散控制系统DCS的冲击，并结合DCS的网络结构特点，给出了现场总线集成于DCS的3种实现方法。
工业控制从早期的就地控制、集中控制，已经发展到现在的集散控制(DCS)，在过去的20年中，过程工业对DCS系统及相关的仪表装置进行了大量的投入，DCS系统的应用结果得到了用户的肯定。4-20mA信号是DCS系统及现场设备相互连接的最本质特点，这是控制系统和仪表装置发展的一大进步。
然而现在，数字化和网络化成为当今控制网络发展的主要方向。人们意识到传统的模拟信号只能提供原始的测量和控制信息，而智能变送器在4-20mA信号之上附加信息的能力又受其低通信速率的制约，所以对整个过程控制系统的机制进行数字化和网络化，应是其发展的必然趋势。
现场总线在智能现场设备、自动化系统之间提供了一个全数字化的、双向的、多节点的通信链接。现场总线的出现促进了现场设备的数字化和网络化，并且使现场控制的功能更加强大。这一改进带来了过程控制系统的开放性，使系统成为具有测量、控制、执行和—过程诊断的综合能力的控制网络。
1 现场总线对传统DCS的冲击
现场总线对传统DCS的冲击来源于其本质上优越于DCS系统的技术特征。根据国际电工委员会IEC和现场总线基金会FF的定义，现场总线技术具有以下5个主要特点：
①数字信号完全取代4-20mA模拟信号；
②使基本过程控制、报警和计算功能等完全分布在现场完成；
③使设备增加非控制信息，如自诊断信息、组态信息以及补偿信息等；
④实现现场管理和控制的统一；
⑤真正实现系统开放性、互操作性。
现场总线技术不仅是一种通信技术，它实际上融人了智能化仪表、计算机网络和开放系统互连(OSI)等技术的精粹。所有这些特点使得以现场总线技术为基础的现场总线控制系统(FCS)相对于传统DCS系统具有巨大的优越性：
①系统结构大大简化，成本显著降低；
②现场设备自治性加强，系统性能全面提高；
③提高了信号传输的可靠性和精度；
④真正实现全分散、全数字化的控制网络；
⑤用户始终拥有系统集成权。
这些优越性可从DCS和现场总线系统的网络结构比较后得到验证。
2 现场总线集成于DCS系统是现阶段控制网络的发展趋势
尽管用户对控制系统的结构改进表示欢迎，但他们并不希望对他们现有的仪表系统做大的改动。
目前在现场总线的发展初期，大多数用户更倾向于对他们现有的仪表系统进行逐步的增添和替换；另一方面，DCS系统及其仪表的消失或完全被取代，对于费用或人力而言也都是不合理的。现阶段最可行的方案是考虑如何使现场总线与传统的DCS系统尽可能地协同工作，这种集成方案能够得到灵活的系统组态，以适用于更广泛的、富于实用价值的应用。
3 现场总线于DCS系统I/0总线上的集成
在DCS的结构体系中，自上而下大体可分为3层：管理层，监控操作层和I/O测控层。在I/O测控层的I/O总线上，挂有DCS控制器和各种I/O卡件，I/O卡件用于连接现场4-20mA设备、离散量或PIC等现场信号，DCS控制器负责现场控制。
在DCS系统的I/O总线上集成现场总线的关键是通过一个现场总线接口卡挂在DCS的I/O总线上，实现现场总线系统中的数据信息映射成原有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。
这种方案主要可用于DCS系统已经安装并稳定运行，而现场总线首次引入系统的、规模较小的应用场合；此方案也可应用于PLC系统。
这种方案的优点是结构比较简单，缺点是集成规模受到现场总线接口卡的限制。
Fisher-Rosemount公司推出的DCS系统DeltaV采用的就是此种集成方案。DeltaV系统在它的I/O卡件中专门开发设计了此种功能的接口卡——现场总线H1通信模块(31．25kbit／s)，成功地将现场总线技术集成在DeltaV系统中，可实现与现场总线仪表相连，极大地节省了安装、操作以及维护费用，同样的控制器可兼容H1与传统的I/O模块，有利于从传统的控制模．式向现场总线控制模式的过渡和转变。
在DeltaV系统的现场总线H1通信模块中具有特定的Driver，用以实现现场总线系统数据信息与I/O总线上对应信息的映射。
4 现场总线于DCS系统网络层的集成
除了在I/O总线上的集成方案，还可以在更高一层——DCS网络层上集成现场总线系统。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的上层LAN上。
在这种方案中，现场总线控制执行信息、测量以及现场仪表的控制功能均可在DCS操作站进行浏览并修改。它的优点是原来必须由DCS主计算机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。
这种集成方案在工程实际中也有应用。如Smar公司的302系列现场总线产品可以实现在DCS系统网络层集成其现场总线功能。
5 现场总线通过网关与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，安装网关以完成DCS系统与现场总线高速网络之间的信息传递。
在这一结构中，DCS系统的信息能够在新的操作员界面上得到并显示。通过使用抛网桥可以安装大量的H1低速总线。现场总线接口单元可提供控制协调、报警管理和短时趋势收集等功能。
现场总线与DCS的并行集成，完成整个工厂的控制系统和信息系统的集成统一，并可以通过Web服务器实现Infranet与Inernet的互连。这种方案的优点是丰富了网络的信息内容，便于发挥数据信息和控制信息的综合优势；另外，在这种集成方案中，现场总线系统与通过网关而集成在一起的DCS系统是相互独立的。
6 结论
综上所述，我们相信现场总线系统将广泛地应用到过程工业控制中，通过对过程控制系统进行一些必要的修改，将现场总线技术引入到DCS中，将会给用户带来大量的收益；另一方面，即使大多数的连续控制环路将由现场总线系统来完成，DCS系统仍将在许多诸如实时要求较高的控制场合扮演重要的角色。现阶段现场总线与DCS系统的共存将使用户拥有更多的选择，以实现更合理的控制系统。
新的基于现场总线技术的控制策略和网络结构将对现有的仪表及控制系统产生革命性的影响。从现场总线技术的本质特征上分析了其对传统分散控制系统DCS的冲击，并结合DCS的网络结构特点，给出了现场总线集成于DCS的3种实现方法。
工业控制从早期的就地控制、集中控制，已经发展到现在的集散控制(DCS)，在过去的20年中，过程工业对DCS系统及相关的仪表装置进行了大量的投入，DCS系统的应用结果得到了用户的肯定。4-20mA信号是DCS系统及现场设备相互连接的最本质特点，这是控制系统和仪表装置发展的一大进步。
然而现在，数字化和网络化成为当今控制网络发展的主要方向。人们意识到传统的模拟信号只能提供原始的测量和控制信息，而智能变送器在4-20mA信号之上附加信息的能力又受其低通信速率的制约，所以对整个过程控制系统的机制进行数字化和网络化，应是其发展的必然趋势。
现场总线在智能现场设备、自动化系统之间提供了一个全数字化的、双向的、多节点的通信链接。现场总线的出现促进了现场设备的数字化和网络化，并且使现场控制的功能更加强大。这一改进带来了过程控制系统的开放性，使系统成为具有测量、控制、执行和—过程诊断的综合能力的控制网络。
1 现场总线对传统DCS的冲击
现场总线对传统DCS的冲击来源于其本质上优越于DCS系统的技术特征。根据国际电工委员会IEC和现场总线基金会FF的定义，现场总线技术具有以下5个主要特点：
①数字信号完全取代4-20mA模拟信号；
②使基本过程控制、报警和计算功能等完全分布在现场完成；
③使设备增加非控制信息，如自诊断信息、组态信息以及补偿信息等；
④实现现场管理和控制的统一；
⑤真正实现系统开放性、互操作性。
现场总线技术不仅是一种通信技术，它实际上融人了智能化仪表、计算机网络和开放系统互连(OSI)等技术的精粹。所有这些特点使得以现场总线技术为基础的现场总线控制系统(FCS)相对于传统DCS系统具有巨大的优越性：
①系统结构大大简化，成本显著降低；
②现场设备自治性加强，系统性能全面提高；
③提高了信号传输的可靠性和精度；
④真正实现全分散、全数字化的控制网络；
⑤用户始终拥有系统集成权。
这些优越性可从DCS和现场总线系统的网络结构比较后得到验证。
2 现场总线集成于DCS系统是现阶段控制网络的发展趋势
尽管用户对控制系统的结构改进表示欢迎，但他们并不希望对他们现有的仪表系统做大的改动。
目前在现场总线的发展初期，大多数用户更倾向于对他们现有的仪表系统进行逐步的增添和替换；另一方面，DCS系统及其仪表的消失或完全被取代，对于费用或人力而言也都是不合理的。现阶段最可行的方案是考虑如何使现场总线与传统的DCS系统尽可能地协同工作，这种集成方案能够得到灵活的系统组态，以适用于更广泛的、富于实用价值的应用。
3 现场总线于DCS系统I/0总线上的集成
在DCS的结构体系中，自上而下大体可分为3层：管理层，监控操作层和I/O测控层。在I/O测控层的I/O总线上，挂有DCS控制器和各种I/O卡件，I/O卡件用于连接现场4-20mA设备、离散量或PIC等现场信号，DCS控制器负责现场控制。
在DCS系统的I/O总线上集成现场总线的关键是通过一个现场总线接口卡挂在DCS的I/O总线上，实现现场总线系统中的数据信息映射成原有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。
这种方案主要可用于DCS系统已经安装并稳定运行，而现场总线首次引入系统的、规模较小的应用场合；此方案也可应用于PLC系统。
这种方案的优点是结构比较简单，缺点是集成规模受到现场总线接口卡的限制。
Fisher-Rosemount公司推出的DCS系统DeltaV采用的就是此种集成方案。DeltaV系统在它的I/O卡件中专门开发设计了此种功能的接口卡——现场总线H1通信模块(31．25kbit／s)，成功地将现场总线技术集成在DeltaV系统中，可实现与现场总线仪表相连，极大地节省了安装、操作以及维护费用，同样的控制器可兼容H1与传统的I/O模块，有利于从传统的控制模．式向现场总线控制模式的过渡和转变。
在DeltaV系统的现场总线H1通信模块中具有特定的Driver，用以实现现场总线系统数据信息与I/O总线上对应信息的映射。
4 现场总线于DCS系统网络层的集成
除了在I/O总线上的集成方案，还可以在更高一层——DCS网络层上集成现场总线系统。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的上层LAN上。
在这种方案中，现场总线控制执行信息、测量以及现场仪表的控制功能均可在DCS操作站进行浏览并修改。它的优点是原来必须由DCS主计算机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。
这种集成方案在工程实际中也有应用。如Smar公司的302系列现场总线产品可以实现在DCS系统网络层集成其现场总线功能。
5 现场总线通过网关与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，安装网关以完成DCS系统与现场总线高速网络之间的信息传递。
在这一结构中，DCS系统的信息能够在新的操作员界面上得到并显示。通过使用抛网桥可以安装大量的H1低速总线。现场总线接口单元可提供控制协调、报警管理和短时趋势收集等功能。
现场总线与DCS的并行集成，完成整个工厂的控制系统和信息系统的集成统一，并可以通过Web服务器实现Infranet与Inernet的互连。这种方案的优点是丰富了网络的信息内容，便于发挥数据信息和控制信息的综合优势；另外，在这种集成方案中，现场总线系统与通过网关而集成在一起的DCS系统是相互独立的。
6 结论
综上所述，我们相信现场总线系统将广泛地应用到过程工业控制中，通过对过程控制系统进行一些必要的修改，将现场总线技术引入到DCS中，将会给用户带来大量的收益；另一方面，即使大多数的连续控制环路将由现场总线系统来完成，DCS系统仍将在许多诸如实时要求较高的控制场合扮演重要的角色。现阶段现场总线与DCS系统的共存将使用户拥有更多的选择，以实现更合理的控制系统。
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