工业控制的应用现状和发展趋势

现代工业控制总线的发展趋势

前言

随着计算机、通信、自动控制、微电子等技术的发展，大量智能控制芯片和智能传感器的不断出现，以及在传感器、通信和计算机领域所取得的巨大成就使人们对系统综合性能尤其是安全性能提出了越来越高的要求：希望能对系统设备的工作状况进行实时监测和控制，并在此基础上实现设备的智能维护。对企业自动化设备而言，对其工作状况进行远程监测和控制，不仅可方便设备管理者随时了解设备工作状态，设备出现异常时主动报警，便于及时维修，还可拓宽设备服务范围，提高工作性能，延长使用寿命。这一目标的实现对控制网络在开放性、互连性、分散性等方面提出了更高要求。

一分散控制系统(DCS)

当前工业控制计算机的应用范围仍以大系统、分散对象、连续生产过程(如冶金、石化、电力)为主，采用分布式系统结构的分散控制系统仍在发展。由于开放结构和集成技术的发展，进一步扩展了大型分散控制系统的应用。

1. 应用现状

DCS自1975年问世以来，大约有3次比较大的变革，70年代操作站的硬件、操作系统、监视软件都是专用的，由各DCS厂家自己开发并没有动态流程图，通信网络基本上是轮询方式；80年代通信网络较多使用令牌方式；90年代操作站出现了通用系统，90年代末通信网络有的部分遵循TCP/IP协议，有的开始采用以太网。20多年来，DCS已广泛应用于各工业领域并趋于成熟，成为工业控制系统的主流。

虽以现场总线为基础的FCS发展很快，最终将取代传统DCS，但其发展仍面临一些问题，如统一标准、仪表智能化等。而传统控制系统的维护和改造还需DCS，因此FCS完全取代传统DCS尚有较长过程。现DCS的新产品的特点为：系统开放、管控一体化及带有先进控制软件，DCS生产厂家也从事FCS的研发、生产和推广应用。

2. DCS存在的问题

(1)1对1结构。1台仪表，1对传输线，单向传输1个信号。这种结构造成接线庞杂、工程周期长、安装费用高、维护困难。

(2)可靠性差。模拟信号传输不仅精确度低，且易受干扰。为此采用各种措施提高抗干扰性和传输精确度，其结果是增加了成本。

(3)失控状态。操作员在控制室既不了解现场模拟仪表的工作状况，也不能对其进行参数调整，更不能预测事故，导致操作员对其处于失控状态。因操作员不能及时发现现场仪表故障，而发生事故已屡见不鲜。

(4)互操作性差。尽管模拟仪表已统一4～20mA信号标准，可大部分技术参数仍由制造商自定，致使不同品牌仪表无法互换。因此导致用户依赖制造厂，无法使用性能价格比最优的配套仪表，甚至出现个别制造商垄断市场的局面。

3. DCS在中国

因我国传统产业改造和新建工程项目对DCS的急需，80年代从国外引进了几百套DCS来装备石化、冶金、电力等行业。进入90年代，我国一些新型高科技公司进入DCS领域。目前在国内生产的DCS不仅具有价格低廉、备品备件方便的优势，而且在技术先进、组态学习容易、技术支持有力等方面都获得用户肯定。国内DCS生产的最新产品具有系统开放、兼容现场总线、管控一体化和带有先进控制软件，在技术上可初步与国外产品相抗衡。目前，我国现场控制系统一般仍采用DCS。

4. 发展方向

DCS发展至今已相当成熟和实用，毫无疑问，它仍是当前工业自动化系统应用及选型的主流，不会随着现场总线技术的出现而立即退出现场过程控制的舞台。面对挑战，DCS将沿着以下趋势继续向前发展：

(1)向综合方向发展：标准化数据通信链路和通信网络的发展，将各种单(多)回路调节器、PLC、工业PC、NC等工控设备构成大系统，以满足工厂自动化要求，并适应开放式的大趋势。

(2)向智能化方向发展：数据库系统、推理机能等的发展，尤其是知识库系统(KBS)和专家系统(ES)的应用，如自学习控制、远距离诊断、自寻优等，人工智能会在DCS各级实现。与FF现场总线类似，以微处理器为基础的智能设备如智能I/O、PID控制器、传感器、变送器、执行器、人机接口、PLC相继出现。

(3)DCS工业PC化：由IPC组成DCS已成为一大趋势，PC作为DCS的操作站或节点机已很普遍，PC-PLC、PC-STD、PC-NC等就是PC-DCS先驱，IPC成为DCS 的硬件平台。

(4)DCS专业化：DCS为更适合各相应领域的应用，就要进一步了解相应专业的工艺和应用要求，以逐步形成如核电DCS，变电站DCS、玻璃DCS、水泥DCS 等。

二现场总线控制系统(FCS)

现场总线控制系统是继DCS之后的又一种新型工业控制系统，它的出现带来了工业控制领域的一场深刻革命。现场总线代表一种突破意义的控制思想，改变了原有控制体系结构，使模拟与数字混合的DCS更新换代为全数字现场总线控制系统，真正做到危险分散、控制分散、集中监控和全数字化。

1. 应用现状

现场总线发展迅速，现处于群雄并起、百家争鸣的阶段。目前已开发出40多种现场总线，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、Modbus、ARCent、P-Net、FIP、ISP等，其中最有影响力的有5种，分别为FF、Profibus、HART、CAN、LonWorks，如表所示。

FCS全数字化通信使过程控制具有更高可靠性，从传感器、变送器到调节器，均为数字信号，这就使得复杂、精确的信号处理得以实现。因采用数字总线式通信线路代替DCS 1对1的I/O连线，对于大规模I/O系统，减少了由连线带来的不可靠，同时也降低了布线成本。此外FCS还具有互操作性、分散性、EIC(电气传动、仪表、计算机)一体化等优点。在由现场总线构成的FCS中，仪表实际上已成为具有综合功能的智能仪表。EIC一体化结构恰恰是钢铁工业自动化用得较多而又急需的控制系统结构。

2. 现场总线存在的不足

现场总线是一种正在发展中的技术，在许多方面还需改善。IEC 61158规定了FF、Profibus、WorldFIP等8种现场总线标准，还有一些事实上的标准，如LonWorks和CAN总线等。现有8种现场总线为国际标准，它们采用的通信协议完全不同，因此要实现这些总线的兼容和互操作十分困难。许多标准的并存，将导致现场总线技术不易广泛应用。