简谈现场总线与DCS的网络集成

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。