FCS与DCS混合式集成控制系统研究 2011-06-08 18:59:25来源:互联网
引 言
控制系统由五十多年前的PCS( PneumatiCControl System)的第一代控制系统，经历了ACS(AnalogouSControl System)、CCS(ComputerControl System)和DCS(Distributed Control System)，而发展成今天的第五代控制系统———现场总线控制系统FCS(FieldbuSControl System)。
集散控制系统DCS由操作站、控制站(监视站)、应用模件与历史模件、通讯网络和工程师站等组成。DCS除采用高可靠性的软硬件以及通信网络、控制站等冗余措施外，还使用故障检测与诊断工程软件，可对生产工况进行监测，从而及早发现故障，及时采取措施，提高了生产的安全性。
上世纪80年代后期，在DCS的基础上开始开发一种适用于工业环境的网络结构和网络协议，并实现传感器、控制器层的通信，这就是现场总线。但研究工作进展缓慢，而且无国际标准可遵守。国际电工委员会( IEC)于2000年1月正式公布了IEC61158现场总线全部技术标准。但此标准中容纳了8种互不兼容的通信协议。由于是妥协于各方面的既有利益，并没有实现完全统一国际标准的初衷。
CAN(ControllerArea Network)总线是现场总线的一种，它一般采用典型的串行总线拓扑结构进行通讯，这种方式的位速率低于环形结构，但是结构简单、成本低、而且通信可靠。CAN总线因传输时间短，受干扰的概率低，保证了通信的实时性。CAN能对错误的来源进行正确定位，将永久的硬件错误从软件错误中独立出来，其协议采用CRC检验，并提供相应的错误处理功能，同时保证了数据通信的可靠性。
混合式控制系统的提出
现场总线控制系统FCS应该与集散控制系统DCS相互兼容。首先从工程成本与效益看，现场总线的优势是良好的互操作性，结构简单，布线费用低；控制功能分散，灵活可靠，以及现场信息丰富。然而这些优势是建立在FCS系统初装的前提下，倘若企业建立有完善的DCS，要向FCS过渡，则必须仔细考虑现有投资对已有投资的回报率。充分利用已有的DCS设施，现有DCS的布线以及成熟的DCS控制管理方式来实现FCS是首选之途。虽然现场总线对已有的数字现场协议有优势可言，但向其过渡的代价与风险比较大。再者，从技术的继承及控制手段上，也要求FCS与DCS应相互兼容。FCS实现控制功能下移至现场层，使DCS的多层网络被扁平化，各个现场设备节点的独立功能得以加强，因此，在FCS中有必要增加和完善现场子层设备间的数据通讯功能。
FCS和DCS的集成主要包括三个方面：
(1)FCS和DCS输入输出总线的集成
DCS的控制站主要由控制单元(Control Unit，CU)和输入输出单元( Input Output Unit，IOU)组成，这两个单元之间通过I/O总线连接。在I/O总线上挂接现场总线接口板或现场总线接口单元(Field bus Interface Unit，FIU)，如图1所示。现场仪表或现场设备通过现场总线与HU 通信，FIU 再通过I/O总线与DCS的控制单元通信。这样便实现了现场总线和DCS输入输出总线的集成，即现场总线和DCS控制站的集成。
现场总线和DCS输入输出总线的集成具有以下3个特点：
①除了安装现场总线接口板或现场总线接口单元外，不用对DCS再做其它变更；
②充分利用DCS控制站的运算和控制功能块，因为初期开发的现场总线仪表中的功能块数量和种类有限；
③利用已有DCS的技术和资源，投资少，见效快，便于推广现场总线的应用。
(2)FCS和DCS网络的集成
在DCS控制站的I/O总线上集成现场总线是一种最基本的初级集成技术，还可以在DCS的更高一层集成，即在DCS网络(DCSnet)上集成现场总线，如图2所示。现场总线服务器(FieldbuSServer，FS)挂接在DCS网络上，FS是一台完整的计算机，并安装了现场总线接口卡和DCS网络接口卡。
现场设备或现场仪表通过现场总线与其接口卡通信，现场仪表中的输入、输出、控制和运算等功能块可以在现场总线上独立构成控制回路，而不必借用DCS控制站的功能。现场总线服务器通过其DCS网络接口卡与DCS网络(DCSnet)通信，也可以把FCS看作DCS网络上的一个节点或DCS的一台设备。这样FCS和DCS之间可以互相共享资源。FCS直接借用DCS的操作员站或工程师站。
FCS和DCS网络的集成具有以下4个特点：①除了安装现场总线服务器外，不用对DCS再做其它变更；② 在现场总线上可以独立构成控制回路，实现彻底的分散控制；③现场总线服务器中一些高级功能块，可以与现场仪表中的基本功能块统一组态，构成复杂控制回路；④利用已有DCS的部分资源，投资少、见效快，便于推广现场总线的应用。
(3)FCS和DCS的系统集成
FCS和DCS的系统集成可以有两种方式：一种是FCS网络(FCSnet)通过网关(Gateway)与DCS网络(DCSnet)集成，
引 言
控制系统由五十多年前的PCS( PneumatiCControl System)的第一代控制系统，经历了ACS(AnalogouSControl System)、CCS(ComputerControl System)和DCS(Distributed Control System)，而发展成今天的第五代控制系统———现场总线控制系统FCS(FieldbuSControl System)。
集散控制系统DCS由操作站、控制站(监视站)、应用模件与历史模件、通讯网络和工程师站等组成。DCS除采用高可靠性的软硬件以及通信网络、控制站等冗余措施外，还使用故障检测与诊断工程软件，可对生产工况进行监测，从而及早发现故障，及时采取措施，提高了生产的安全性。
上世纪80年代后期，在DCS的基础上开始开发一种适用于工业环境的网络结构和网络协议，并实现传感器、控制器层的通信，这就是现场总线。但研究工作进展缓慢，而且无国际标准可遵守。国际电工委员会( IEC)于2000年1月正式公布了IEC61158现场总线全部技术标准。但此标准中容纳了8种互不兼容的通信协议。由于是妥协于各方面的既有利益，并没有实现完全统一国际标准的初衷。
CAN(ControllerArea Network)总线是现场总线的一种，它一般采用典型的串行总线拓扑结构进行通讯，这种方式的位速率低于环形结构，但是结构简单、成本低、而且通信可靠。CAN总线因传输时间短，受干扰的概率低，保证了通信的实时性。CAN能对错误的来源进行正确定位，将永久的硬件错误从软件错误中独立出来，其协议采用CRC检验，并提供相应的错误处理功能，同时保证了数据通信的可靠性。
混合式控制系统的提出
现场总线控制系统FCS应该与集散控制系统DCS相互兼容。首先从工程成本与效益看，现场总线的优势是良好的互操作性，结构简单，布线费用低；控制功能分散，灵活可靠，以及现场信息丰富。然而这些优势是建立在FCS系统初装的前提下，倘若企业建立有完善的DCS，要向FCS过渡，则必须仔细考虑现有投资对已有投资的回报率。充分利用已有的DCS设施，现有DCS的布线以及成熟的DCS控制管理方式来实现FCS是首选之途。虽然现场总线对已有的数字现场协议有优势可言，但向其过渡的代价与风险比较大。再者，从技术的继承及控制手段上，也要求FCS与DCS应相互兼容。FCS实现控制功能下移至现场层，使DCS的多层网络被扁平化，各个现场设备节点的独立功能得以加强，因此，在FCS中有必要增加和完善现场子层设备间的数据通讯功能。
FCS和DCS的集成主要包括三个方面：
(1)FCS和DCS输入输出总线的集成
DCS的控制站主要由控制单元(Control Unit，CU)和输入输出单元( Input Output Unit，IOU)组成，这两个单元之间通过I/O总线连接。在I/O总线上挂接现场总线接口板或现场总线接口单元(Field bus Interface Unit，FIU)，如图1所示。现场仪表或现场设备通过现场总线与HU 通信，FIU 再通过I/O总线与DCS的控制单元通信。这样便实现了现场总线和DCS输入输出总线的集成，即现场总线和DCS控制站的集成。
现场总线和DCS输入输出总线的集成具有以下3个特点：
①除了安装现场总线接口板或现场总线接口单元外，不用对DCS再做其它变更；
②充分利用DCS控制站的运算和控制功能块，因为初期开发的现场总线仪表中的功能块数量和种类有限；
③利用已有DCS的技术和资源，投资少，见效快，便于推广现场总线的应用。
(2)FCS和DCS网络的集成
在DCS控制站的I/O总线上集成现场总线是一种最基本的初级集成技术，还可以在DCS的更高一层集成，即在DCS网络(DCSnet)上集成现场总线，如图2所示。现场总线服务器(FieldbuSServer，FS)挂接在DCS网络上，FS是一台完整的计算机，并安装了现场总线接口卡和DCS网络接口卡。
现场设备或现场仪表通过现场总线与其接口卡通信，现场仪表中的输入、输出、控制和运算等功能块可以在现场总线上独立构成控制回路，而不必借用DCS控制站的功能。现场总线服务器通过其DCS网络接口卡与DCS网络(DCSnet)通信，也可以把FCS看作DCS网络上的一个节点或DCS的一台设备。这样FCS和DCS之间可以互相共享资源。FCS直接借用DCS的操作员站或工程师站。
FCS和DCS网络的集成具有以下4个特点：①除了安装现场总线服务器外，不用对DCS再做其它变更；② 在现场总线上可以独立构成控制回路，实现彻底的分散控制；③现场总线服务器中一些高级功能块，可以与现场仪表中的基本功能块统一组态，构成复杂控制回路；④利用已有DCS的部分资源，投资少、见效快，便于推广现场总线的应用。
(3)FCS和DCS的系统集成
FCS和DCS的系统集成可以有两种方式：一种是FCS网络(FCSnet)通过网关(Gateway)与DCS网络(DCSnet)集成，
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