DCS与现场总线综述

DCS，又称为分布式控制系统，是综合了计算机技术、通信技 术、控制技术和 CRT 显示技术（ 4C 技术） 的一种新型控制技术， 实现了对生产过程的集中监视、操作、管理和分散控制，同时具备
收稿日期： 2012 － 08 － 20
4 Electrical Au来自omation分散的仪表控制系统和集中式计算机控制系统的特点。
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《电气自动化》2013 年第 35 卷 第 1 期
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术规范 2． 0A 为标准，对 CAN 通信协议的实现作了一定的分析和 介绍，总结了 CAN 通信协议的开发经验，为用户定制自己的通信 协议提供了参考和思路，充分实现 CAN 的灵活应用。
CAN 控制器在航天航空领域中得到广泛应用，但航天电子 设备在生产、运输和使用过程中的各种自然或人为环境对 CAN 总线造成了极大的威胁。根据系统可能会造成的故障程度，解决 可靠性问题的一个有效的办法就是对总线进行不同程度的冗余。 文献［10］提出了 CAN 总线冗余的方法。通过总线、总线驱动器、 协议芯片和单片机等的冗余来实现系统不同程度上的冗余，并对 系统的冷冗余和热冗余进行了研究。 2． 3． 2 LonWorks 总线
1． 1 集散控制系统的发展
集散控制系统可分为三个阶段： （ 1） 采用了以微处理器为基础的过程控制单元，具有各种 控制功能要求的算法，同时采用了带 CRT 显示器的操作站和冗 余通信系统，实现分散控制和集中管理，具有集散控制系统的基 本结构。 （ 2） 采用高分辨率的 CRT 显示器、16 位微处理器，使得系统 性能增强，向模块化、标准化靠拢工厂级数据向过程级分散； 实现 无主站 N； N 通信，加强了系统通信功能，更有利于控制站、操作 站、可编程逻辑控制器和计算机互连，便于多机资源共享和分散 控制。 （ 3） 采用开放系统网络，操作站采用 32 位处理器、触摸式屏 幕和实时多用户多任务的操作系统，为各种应用系统的标准平台 提供软件的可移植性和系统的互操作性，使得第三方应用软件可 方便应用，用户的应用空间更加广阔［1］。
本文将简要概述集散控制系统和现场总线技术在工业控制 中的应用现状及最新进展，并介绍几种国际上流行的现场总线。
1 集散控制系统概述
在集散控制系统之前的直接数字控制器（ Direct Digital Controller，DDC） 实现了从模拟量的逐个控制到数字化的集中控制， 为各种先进控制策略的实施提供了可能，但是这种高度集中的控 制方式不可避免地伴随着巨大的危险，因此在工业生产过程的控 制规模不断扩大，复杂程度不断增加，信息技术飞速发展的背景 下产生了集散控制系统（ Distributed Control System，DCS） 。
双绞线、光纤、同轴电缆等多种途径构成网络 系统［4］，实现彻底的 分 散 控 制。该 网 络 系 统 按照规范 和 公 开 的 通 信 协 议，在 位 于 生 产 现 场的多个 微 机 化 自 控 设 备 之 间，以 及 现 场 仪 表与用作管理、监控的远程计算机之间，实现 数据传输 与 信 息 共 享，进 一 步 构 成 了 各 种 适 应实际需要的自动控制系统［5 － 6］。
2 现场总线
2． 1 现场总线的诞生
DCS 虽然实现了从模拟量到数字化的集中控制，但最基层的 众多现场仪表和现场控制站之间的信息和数据仍是采用传统的 沿独立导线传输的 4 ～ 20 mA 的 DC 信号，现场仪表的功能远远 没有发挥出来。随着微处理器的快速发展和广泛的应用，产生了 以微处理器为 核 心 的 智 能 设 备，在 此 基 础 之 上 诞 生 了 现 场 总 线 技术。
ZHANG Zhen，NIU Yu-gang （ East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China）
Abstract ： The fieldbus technology is very significant to the industry． First the definition、development and composition of Distributed Control System is briefly introduced in the paper ． Then，the present application situation and latest developments of the fieldbus technology are discussed from the aspect of the formation background、conception、feature、advantages and composition． Some types of popular national Fieldbuses such as CAN、LonWorks、FF、HART 、Profibus and the communication protocol 、applied field、real － time and the solution of dealing with the changes in technology and system failure are also introduced．
（ 3） 现场总线的数字通信功能使每个现 场仪表通过底层现场总线网络将自身运行状 况的诊断 信 息 向 上 传 递 给 控 制 系 统 的 上 层， 同时还可以接受上层数字控制系统向其发送 的信息，仪 表 可 以 和 数 字 控 制 系 统 直 接 进 行 数字信号的传送，增加信息流通能力，提高信息的准确性，给系统 的日常维护带来了方便［7］。 （ 4） 由于现场总线式现场仪表是按照国际统一的标准设计 制造，它的通信协议一致公开，各个不同厂家的设备之间可实现 信息交换，从而使用户在系统设计时可以选用最适于自己要求的 产品来构建系统，提高了灵活性。 （ 5） 现场总线带来了各方面成本的节约。由于将控制功能 彻底下放到控制系统最底层的控制器和仪表，降低了安装成本、 维护费用。并且少量的通讯总线代替了大量的模拟信号电缆大 大减少了设备的占地面积和资金［8］。
CAN 总线（ Controller Area Network） 是德国 Bosch 公司为解决 汽车内部测量与执行部件之间的数据通信而开发的一种串行数 据通信协议。
CAN 总线只采用了国际标准化组织制定的信息开放系统互 连参考模型（ ISO / OSI） 7 层中的物理层和数据链路层。开发者能 够根据需要自行定制通信协议是 CAN 总线灵活的体现。用户在 设计通信软件时，必须先根据需求设计合适的 CAN 总线通信协 议，才能完成数据准确可靠的传输。但在一些利用简单的通信协 议就可以满足要求的情况下，采用复杂的协议有时会造成资源浪 费，限制了 CAN 的灵活性，所以在一些情况下定制适合要求的通 信协议，对于 CAN 的开发和应用至关重要。文献［9］以 CAN 技
关键词： DCS； 现场总线； 协议； 通信网络； 现场设备 DOI： 10． 3969 / j·issn． 1000 － 3886． 2013． 01． 002 ［中图分类号］ TP336 ［文献标志码］ A ［文章编号］ 1000 － 3886（ 2013） 01 － 0004 － 03
Brief Introduction to DCS and the Fieldbus Technology
Keywords： DCS ； Fieldbus ； protocol ； communication network ； field device
0引言
随着科技的进步、生产力的发展和信息时代的来临，社会对 工业生产的需求变得日益迫切。集散控制系统以其可靠、灵活、 低成本、可适应性强等特点成为了工业控制领域占有主导地位的 系统，已被广泛应用于化工、电力、石油、造纸等行业。集散控制 系统的发展经历了三个阶段，它是控制技术发展的一个里程碑。 现场总线自诞生以来一直受到国内外业界人士和企业的关注和 重视，它为自动控制领域的变革带来了又一次飞跃。现场总线所 遵循的国际统一协议标准使得它在集散控制系统的基础之上发 挥了强大的功能。
2． 3 几种典型的现场总线
由于现场总线技术的不断完善，各个组织和企业开发了多种 用于工业现场仪表和控制室之间的数字通信协议。现在存在的 现场总线约有数十种，国际上比较流行的现场总线标准有 CAN 总线、LonWorks 总线 、基金会现场总线 、Profibus 总线 、HART 总 线等。 2． 3． 1 CAN 总线
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DCS 与现场总线综述
张桢，牛玉刚 （ 华东理工大学 信息科学与工程学院，上海 200237）
摘 要： 现场总线技术对工业领域的意义是非常巨大的。首先，集散控制系统的概述、发展历史和组成结构在文中一一简述，接着从形 成背景、概念、特点、优势和组成出发，对现场总线技术在工业控制中的应用现状及最新进展进行了综述，并且介绍了几种国际 上流行的现场总线如 CAN 总线、LonWorks 总线、基金会现场总线、HART 总线、Profibus 总线和它们的通信协议、应用领域和实 时性，以及他们应对技术变革和系统故障采取的对策。
现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备和控制装置之 间实行双向、串形、多结点的数字 通 信 技 术。它 把 代 替 了 原 先 DCS 系统中处于控制室的控制模块和各输入输出模块的专用的 微处理器置入传统的测量控制仪表，使得它们各自具备多种运算 功能，成为能独立承担某些控制、通信任务的网络节点，从而通过
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图 1 集散控制系统的结构图
回执行器中，其中现场级的设备以现场总线为基础的全数字信息 传递方式是今后的发展方向。数据采集站也接受现场设备送来 的信号，通过数据输入 / 输出单元进行转换和处理后送到集散控 制系统的其他部分，但无控制功能； 监控级主要有运行员操作站、 工程师工作站和计算站。根据具体情况应配有 CRT 显示器、键 盘和技术手段齐备的计算机系统等各类硬件，以及功能强大的软 件，确保工程师和操作员监视 DCS 网络上各个节点的运行情况， 及时调整系统配置及一些系统参数的设定，使 DCS 随时处在最 佳的工作状态之下，方便对生产过程实行高级控制策略、故障诊 断和质量评估。运行员操作站安装在中央控制室，用以监视和控 制整个生产过程，工程师工作站和计算站安装在电子设备室。监 控级的通信网络采取双网冗余是 DCS 最显著的特点［3］； 管理级 可以是厂级管理计算机，也可以是若干个机组的管理计算机，实 现整个企业的综合信息管理，主要包括生产管理和经营管理，面 向厂长、经理、总工程师等行政管理或运行人员。