第四章 现场总线控制系统(FCS)

第四章现场总线控制系统（FCS）

第一节现场总线控制系统基础

现场总线控制系统(FCS)是基于现场总线技术的计算机控制系统，它是集计算机技术、网络技术和控制技术为一体的先进的计算机控制系统。是一种全分散、全数字、全开放的控制系统。它适用于工业过程控制、制造业及楼宇自动化等领域，将逐渐成为计算机控制系统的主流形式。

一、现场总线控制系统的特点

根据IEC标准和现场总线基金会的定义，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。现场总线控制系统是在现场总线的基础上发展起来的，它所带来的改进首先体现在现场通信网络方面，其次在结构、装置、功能等方面也有优势。概括地说，它具有以下技术特点：

(1)FCS采用的现场总线是一个全数字化的现场通信网络。现场总线是用于过程控制系统和制造自动化系统中现场设备或现场仪表间互连的数字化通信网络，其传输抗干扰性强，测量精度高，大大提高了控制系统的性能。

(2)FCS的现场总线网络是开放式互连网络。用户可以自由集成不同制造商的通信网络，通过网络将不同厂商生产的现场设备和功能块设备有机地融合为一体，构成统一的现场总线控制系统。

(3)FCS的所有现场设备直接通过一对传输线(现场总线)互连。一对传输线互连多台现场设备，双向传输数据信息，大大减少连线数量，从而降低安装费用，更易于维护，并提高了可靠性。

(4)FCS普遍采用智能仪表，增强了系统的自治性，系统控制功能更加分散。智能化的现场设备具有更加完善的功能，包括部分控制功能，从而将较简单的控制任务改由现场设备完成，使现场设备既有检测、变换功能，又有运算和控制功能，一机多用。这样既节约了成本，又使控制更加安全和可靠。FCS废除了DCS的I／O单元和控制站，把DCS控制站的功能块分散到现场设备，实现了彻底的分散控制。

二、FCS与DCS的分析比较

FCS系统利用现场总线技术，针对现存的DCS的某些不足，改进控制系统的结构，提高了性能和通用性。传统DCS的主要问题是开放性差，功能分散不够，需要用大量的电缆传递模拟信号等。但是，DCS发展了二三十年，已经在许多领域成熟应用，其强大的功能和可靠性已经得到验证和承认，并且已经占有了相当大的市场。与DCS相比，FCS具有技术上的优势，但是还处于发展和成熟之中，许多问题还有待解决。当今工业控制领域，DCS和FCS共存的情况还将维持一段较长的时间。

在技术上，FCS与DCS相比，具有以下几点优势：

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(1)FCS的信号传输实现了全数字化，从最底层的传感器和执行器就采用现场总线网络，逐层向上直至最高层均为通信网络互连。

(2)FCS的系统结构是全分散式，FCS废弃了DCS的输入输出单元和控制站，由现场设备或现场仪表取而代之，即把DCS控制站的功能化整为零，分散地分配给现场仪表，实现彻底的分散控制。

(3)FCS的现场设备具有互操作性，不同厂商的现场设备既可互连也可互换，并可以统一组态，彻底改变传统DCS控制层的封闭性和专用性。

(4)FCS的通信网络为开放式互连网络，既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连，用户可极其方便地共享网络数据库。

(5)FCS的技术和标准实现了全开放、专利许可要求，可供任何人使用，从总线标准、产品检验到信息发布全是公开的，面向世界任何一个制造商和用户。

另一方面，由于FCS是一种新技术，目前真正意义上的现场总线的统一国际标准尚不具备，因此FCS与成熟的DCS相比，还存在下列的一些不足。

(1)由于现场总线标准本身尚在发展中，从而给产品的开发和测试带来难度。这在一定程度上造成产品开发商多、生产商少，产品品种单一而且价格昂贵。

虽然IEC已经确定了8种总线作为标准，但是仍然让设备生产商和用户无所适从，只有真正意义上的现场总线标准确立，FCS才可以走向成熟。

(2)现阶段，在某些场合中FCS还无法提供DCS已有的控制功能。由于软硬件水平的限制，其功能块的功能还不是很强，品种也不够齐全；用现场仪表还只能组成一般的控制回路如单回路、串级、比例控制等，对于复杂的、先进的控制算法还无法在仪表中实现，对于单回路内有多输入、多输出的情况缺乏较好的解决方案。

(3)目前FCS成功应用于各行业的实例不多，难以评估实际应用效果。而DCS已经长期稳定可靠地运行于许多工业现场，其市场优势是FCS无法比拟的。

总的来说，FCS的这些劣势都是在实施推广过程中遇到的问题，但是FCS在技术上的优势已经得到大家的承认，FCS还是今后最有前途的控制系统。

由于以上这些原因，FCS取代DCS将是一个逐渐的过程。在这一过程中，会出现一些过渡型的系统结构，如在DCS中以FCS取代DCS中的某些子系统。用户将现场总线设备连接到独立的现场总线网络服务器，服务器配有DCS中连接操作站的上层网络接口，与操作站直接通信。在DCS的软件系统中可增添相应的通信与管理软件。这样不需要对原有控制系统作结构上的重大变动。

三、现场总线控制系统的结构

FCS是一个两级系统，即工作站级和现场级。

与DCS相比，其单独的控制级已经不存在，控制功能被分散到智能化的现场仪表中更彻底地实现了控制分散，从而提高了控制的可靠性和性能。

以现场总线基金会(FF)的标准为例，基于FF现场总线标准构成的FCS系统结构如图4－1所示，其中H2为高速总线，H1为低速总线。

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图4－1 FF现场总线控制系统结构

智能化现场设备和现场总线是组成FCS的两个重要部分。现场级由现场总线智能化设备组成，现场总线智能化设备以现场总线技术为基础，以微处理器为核心，以数字化通信为传输方式，并根据实际情况内置各种控制算法模块，从而完成数据采集、回路控制功能，实现控制功能的彻底分散。系统可对之进行校验、组态、测试，实施设备管理，从而改善系统的可靠性。

工作站级位于控制室，其中，工程师工作站用于组态操作、系统仿真和调试，操作员工作站用于工艺操作和系统监视报警、报表打印等，维护员工作站用于掌握现场设备的详细信息、查找和确认故障、进行预测性维护。

现场总线协议控制服务器是FCS的通信控制器，它连接现场总线网络和工作站的局域网，完成现场设备和工作站之间的通信。网桥用于连接高速总线H2和低速总线H1。

FCS用现场总线在控制现场建立一条高可靠性的数据通信线路，实现各现场智能化设备之间及其与主控机之间的数据通信，把单个分散的现场设备变成网络节点。现场智能设备中的数据处理有助于减轻主控站的工作负担，使大量信息处理就地化，减少了现场设备与主控站之间的信息往返，降低了对网络数据通信容量的要求。经过现场设备预处理的数据通过现场总线汇集到主机上，进行更高级的处理(主要是系统组态、优化、管理、诊断、容错等)，使系统由面到点，再由点到面，对被控对象进行分析判断，提高了系统的可靠性和容错能力。这样，FCS把各现场设备连接成了可以互通信息，共同完成控制任务的网络型控制系统，更好地体现了DCS系统“信息集中，控制分散”的设计理念，提高了信号传输的准确性、实时性和快速性。

四、现场总线控制系统的基本设备

人们把现场总线的节点设备称为现场设备或现场仪表，节点设备的名称及功能随所应用的企业而定。不同的现场总线标准构成的FCS，具体的设备可能不同，但是在FCS最基本的框架下，基本设备是相似的。以现场总线基金会(FF)的FCS为例，用于过程自动化构成FCS

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