集散控制系统与现场总线概述

集散控制系统与现场总线技术总结

1．首先着重阐述一下两个重要概念，——DCS和现场总线。

DCS是分布式控制系统的英文缩写（Distributed Control System），在国内自

控行业又称之为集散控制系统，它的另一含义是指DCS产品。DCS是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合的产物。DCS 通常采用若干个控制器（过程站）对一个生产过程中的众多控制点进行控制，各控制器间通过网络连接并可进行数据交换。操作采用计算机操作站，通过网络与控制器连接，收集生产数据，传达操作指令。典型的集散型控制系统（DCS）由三层计算机网络介入控制与管理的大型控制系统组成，这种三层控制结构是，第 1 层为过程控制级，以PLC （或现场总线）通过远程输人／输出网络，构成对现场设备的基本控制，DCS 的控制对象特点具体体现在过程控制级上；第2层为控制管理级，即以监控计算机通过工控网络与PLC 相连，实现对流程设备的上位机监控；第 3 层为生产管理级，即以文件服务器、管理计算机及其局域网与监控计算机相连接，随时读取现场信息，实现生产管理。在这一级上，从安全性考虑，管理计算机不能直接干预DCS 的控制。分散控制使得系统由于某个局部的不可靠而造成对整个系统的损害降到很低的程度，加之各种软硬件技术不断走向成熟，极大地提高了整个系统的可靠性，因而迅速成为工业自动控制系统的主流。集散控制系统主要特点就是分散控制集中管理。

所谓现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线系统具有以下技术特点：①系统的开放性；②互可操作性与可用性；③现场设备的智能化与功能自治性；④系统结构的高度分散性；

⑤对现场环境的适应性。它是工业控制网络向现场级发展的产物，完整地实现了控制技术、计算机技术与通信技术的集成，其通信协议基本遵照ISO/OSI参考模型，主要实现第1、2、7层（物理层、数据链路层和应用层）功能。现场总线是应用于过程控制现场的一种数字网络，它不仅包含有过程控制信息交换，而且还包含设备管理信息的交流。通过现场总线，各种智能设备（智能变送器、调节法、分析仪和分布式I/O单元）可以方便地进行数据交换，过程控制策略可以完全在

现场设备层次上实现。控制网络直接面向生产过程，因此要求很高的实时性、可靠性、资料完整性和可用性。它综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段，从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字—模拟信号控制的局限性，构成一种全分散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、多接点的通信与控制系统。相应的控制网络结构也发生

了较大的变化。FCS的典型结构分为3层：设备层、控制层和信息层。

2．下面简单介绍一下控制系统的科技发展史。

最早的控制系统是50 年代出现在化工行业的数据处理系统。随后是直接数字控制系统DDC，它是把控制器里加入CPU（最早的单板机），把模拟仪表替换为数字仪表。然后是监督控制系统SCC(Supervisory Computer Control)。接下来是监控数据采集系统SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)，七十年

代中期出现了集散控制系统DCS，最早的产品是霍尼韦尔（Honeywell）公司的

第一代DCS产品TDC-2000。20世纪80年代以来，分散控制系统一直是过程工业主控系统的主导产品。DCS广泛应用于企业生产过程控制，以及港口、矿山、

电厂等的物料储运控制。由于DCS 控制诸多的现场设备或生产过程，其输人／

输出（I/O）点少则几百点，多则几千点，现场设备延伸范围可达几km 乃至 10

几km，运行的设备或流程之间相互关联。因此，对DCS控制律设计时，必须周

密和完整，一旦疏失，将造成调试阶段查错和排错的困难。进入80年代中后期，由于微电子技术、软件技术的长足发展，现代通信技术逐步向工业控制系统渗透，导致了现场总线逐步取代了4～20mA 的模拟信号传输线，并由此引发了控制系

统领域的技术革命。现场总线系统FCS是在80年代后期发展起来的一种先进的

现场工业控制技术，是新一代全分布式控制系统的核心技术。现场总线在发展的

最初，各个公司都提出自己的现场总线协议。后来，IEC组织确定了8大总线作

为国际现场总线标准，其中包括CAN Bus、Profit Bus、FOUNDATION Fieldbus

等等。而在此基础上形成了新的现场总线控制系统(Fieldbus Control System FCS)。FF 是惟一致力于世界统一现场总线标准的国际组织，对过程控制系统的

发展影响最大。控制网络的发展，其基本趋势是逐渐趋向于开放性、透明的通讯

协议。

3．以下是目前国内外主流产品与发展状况

目前，使用较多的现场总线主要是FUNDATION fieldbus基金会现场总线（FF 总线）和PROFIBUS 现场总线。应用现场总线技术可以将各种分布在控制现场的相关智能设备和I/O单元方便的连接在一起，构成控制系统，这种结构已经成

为DCS发展的趋势。

PROFIBUS由Siemens公司提出并极力倡导，己先后成为德国国家标准和欧

洲标准，是一种开放而独立的总线标准，在机械制造、工业过程控制、智能建筑

中充当通信网络。PROFIBUS 现场总线技术是随全数字信号系统的发展而产生的，是一种比较成熟的总线，在工程上的应用十分广泛，成为近年来国际上最为

流行的现场总线，也是目前数据传输率最快的一种现场总线（传输率可达12M 波特）。PROFIBUS的网络协议是以ISO颁布的OSI标准七层参考模型为基础的，只是对第三层到第六层进行简化，因此可以说它的标准适应性强。此外它的三种

模块（FMS.DP 和PA）又可以适应不同的应用对象和通信速率方面的要求，开

放性也好。PROFIBUS现场总线基于令牌协议加主从总线的介质存取方式，主站

以主从方式与从站通讯，各主站之间由令牌协议决定总线控制权。站点数可达

127个。

基金会现场总线（FOUNDATION Fieldbus）是国际上几家现场总线经过激

烈竞争后形成的的一种现场总线，由现场总线基金会推出。与私有的网络总线协

议不同，FF 总线不附属于任何一个企业或国家。其总线体系结构是参照、ISO

的OSI 模型中物理层、数据链路层和应用层，并增加了用户层而建立起来的通

信模型。FF得到了世界上几乎所有的著名仪表制造商的支持，同时遵守IEC的

协议规划，与IEC的现场总线国际标准和草案基本-致，加上它在技术上的优势，所以极有希望成为将来的主要国际标准。

现场总线基础是智能仪表。分散在各个工业现场的智能仪表通过数字现场总

线连为一体，并与控制室中的控制器和监视器一起共同构成现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）。通过遵循一定的国际标准，可以将不同厂商