集散控制系统和现场总线系统的集成实现
智能化与控制
收修改稿日期 : 2008204215
集散控制系统和现场总线系统的集成实现
张 平 1 , 孙竹平 2
(11七一一研究所 , 上海 200011; 21上海科学院 , 上海 201203)
摘 要: 对目前广泛使用的两种控制系统 DCS和 FCS进行了比较 , 指出: 随着数字通讯技术的不断发
展 , 现场总线控制系统大有全面替代集散控制系统的趋势 , 但在目前的现场应用中这两种系统将长期
并行和融合; 同时给出了两种系统的多种集成方案。
关键词: 集散控制系统 (DCS) ; 现场总线系统 (FCS) ; 集成
中图分类号: TP273 文献标识码: A 文章编号: 100124357(2008) 0420016203
Integration of DCS and FCS
Zhang Ping1 , Sun Zhuping2
(11ShanghaiMarine Diesel Engine Research Institute, Shanghai200011;
21Shanghai Academy of Science and Technology, Shanghai201203)
Abstract: By comparing the two wide - applied control system DCS and FCS, it is assumed thatwith the de2
velopment of the digital and communication technology, FCS will replace DCS in the future. But for a long
time the two systems will coexist and integrate with each other. Some ways of integration are introduced as
well.
Keywo rds: DCS; FCS; integration
1 前 言
随着科学技术的飞速发展以及工业生产要求的
不断提高 , 工业控制系统的更新换代越来越快 , 经
历了从模拟仪表控制系统到集中式数字控制系统 ,
再到集散控制系统 , 以及最近兴起的现场总线控制
系统数个阶段。目前 , 大部分的工矿企业主要使用
的是后两种控制系统。虽然现场总线控制系统在数
字化、网络化上优势明显 , 但由于资金、技术以及
流程再造等多方面原因 , 使得它不可能完全地取代
集散控制系统 , 二者将长期共存 , 相互融合。
2 两种系统的比较
集散控制系统 (DCS) 和现场总线控制系统
(FCS) 的区别主要集中在数字化和网络化的应用
程度上。
211 集散控制系统
DCS是把一个控制过程分解为多个子系统 , 由
多台计算机协同完成。其结构主要有以下特点 : 具
有现场级的控制单元 ( PLC、MCU等 ) , 现场级控
制单元与现场设备用电缆连接 , 采用标准 4 ～
20 mA模拟信号传输 , 中央控制单元与现场级控制
单元之间采用 RS232 /485等专用非开放协议通信。
目前 , DCS领域主要由 Honeywell、 Fisher、ABB、
Foxboro、西门子等公司占据。
应该说 , DCS具有了一定的网络化思想 , 它适
应于当时的计算机和网络技术水平。但是在实际应
用中也体现出了其不足 , 首先 , DCS仍然是模拟数
字混合系统 , 模拟信号的转换和传输使系统精度受
到限制。其次 , DCS结构上遵循主从式思想 , 没有
第 30 卷 (2008)第 4期 柴油机
Diesel Engine Vol. 30 (2008) No. 4
完全突破集中控制模式的束缚 , 一旦主机故障 , 系
统可靠性就无法保障。更重要的 , DCS属于非开放
式专用网络 , 各系统互不兼容 , 不利于继续提高系
统可维护性和组态灵活性。DCS在控制领域类似于
计算机领域中主机与终端的共用。典型的 DCS网
络结构如图 1所示。
图 1 DCS网络结构
212 现场总线控制系统
FCS突破了 DCS中采用专用网络的缺陷 , 把专
用封闭协议变成标准开放协议。同时 , FCS使系统
具有完全数字计算和数字通信能力。结构上 , FCS
采用了全分布式方案 , 把控制功能彻底下放到现场 ,
提高了系统可靠性和灵活性。因而 , FCS与 DCS比
较具有很多优点 : 它是现场通信网络 , 设备之间可
点对点、点对多点或以广播等多种方式通信 , 利用
统一组态与任务下载 , 使得如 PID、数字滤波、补
偿处理等简单控制任务可动态下载到现场设备 ; 可
减少传输线路与硬件设备数量 , 节省系统安装维护
的成本 ; FCS还增强了不同厂家设备的互操作性和
互换性。典型 FCS的网络结构如图 2所示。
图 2 FCS网络结构
3 DCS和 FCS的集成
目前 , 由于资金、技术以及流程再造等多方面
原因 , 使得 FCS不可能完全地取代 DCS。因此在
工矿企业的控制系统中 , DCS和 FCS将被集成实
现控制功能。DCS和 FCS的集成有两种方式 : 一
是现场总线集成于 DCS; 二是 DCS集成于现场总
线系统。
311 现场总线集成于 DCS
对于已经运行了 DCS的用户 , 比较可行的方
案是考虑如何使现场总线系统与传统的 DCS尽可
能的协同工作 , 现提出如下几种方案。
31111 现场总线在 DCS I/O总线上集成
DCS的结构大致可以分为三层 : 管理层、监控
操作层和 I/O测控层。 I/O测控层的 I/O总线上挂
有 DCS控制器和各种 I/O模块。 I/O模块用于连接
现场仪表 , 而 DCS控制器负责现场控制。
这种方案是将一个现场总线接口卡挂在 DCS
的 I/O总线上 , 现场总线的数据信息通过此卡映射
为 DCS的 I/O总线可以接受的相应数据信息 (如
测量值、报警值等 ) , 使得在 DCS控制器所看到的
现场总线来的信息就如同来自一个传统的 DCS设
备一样 , 其效果和传统的变送器相同。这种方案可
主要用于 DCS系统已经安装并稳定运行 , 而用现
场总线对原系统的控制进行小容量扩充的场合。此
外 , 该方案也可适用于 PLC 系统。它的优点是 :
结构比较简单 , 只需安装现场总线接口设备 , 无需
改变或升级 DCS, 对于一些初级的现场总线设备 ,
厂家提供的功能块有限 , 这种方式保留了 DCS的
控制功能 , 采用低成本的 PC作为现场总线组态、
诊断的接口单元。
31112 现场总线与 DCS网络层的集成
除了在 I/O总线上的集成方案 , 还可以在更高
一层的 DCS网络层上集成现场总线系统。在这种
方案中 , 现场总线接口卡不是挂在 DCS的 I/O 总
线上 , 而是在 DCS的上层 LAN上。
这种集成方式通过现场总线接口单元连接到
DCS网络上 , 现场设备中用于控制、计算的各种功
能块操作信息可以在 DCS控制台中获取和更改。
通过接口单元提供的服务 , DCS操作站能获取更多
现场设备的信息。这种集成方式的优点是 : 控制和
计算可以在现场设备中完成 , 相关的参数可以在
DCS操作员站中访问 , 便于现场总线和 DCS之间
的通信。DCS可以访问现场设备中更多的信息。它
的另一个优点是不需要对 DCS控制站进行改动 ,
·71·2008 年 7月 张 平等 : 集散控制系统和现场总线系统的集成实现
对原有系统影响较小。但是这种集成方式中现场设
备功能块组态仍在 PC中完成 , 与 DCS组态数据库
分离。
31113 现场总线通过网关与 DCS的集成
这种集成方式通过专门设计的网关接口实现现
场总线网络和 DCS的完全双向连接 , 即 DCS操作
员站能访问现场设备中的所有信息 , 而现场总线系
统也能获取 DCS提供的各种信息 , 因此便于实现
现场总线系统和 DCS的协调控制。此外 , 在这种
集成方式下 , 现场总线的控制功能更加独立 , 可以
构成一个脱离 DCS的完整的控制系统。
这种方式主要适用于规模较大的控制系统 , 能
有效保护用户对 DCS的先期投资。DCS负责监控、
优化、先进控制、协调管理等较复杂的应用 , 是主
控系统 ; 而 FCS负责现场设备层的数据采集和闭
环控制并将设备的状态、诊断信息实时地传送至
DCS。这种现场总线系统通过网关集成到 DCS的方
式 , 使两系统可以相互独立 , 也方便将来产品更新
换代时替换掉 DCS, 有利于逐渐过渡到全 FCS。但
是这种接口方式对网关接口技术要求很高 , 此接口
要完成双向的协议转换 , 为 DCS和现场总线提供
透明的数据访问。
312 DCS集成到现场总线系统
以上的集成方案是在保留原有 DCS系统完整
结构的前提下 , 将新技术集成到传统系统中去。以
下两种集成方案则是以 FCS为主 , 把 DCS集成到
FCS中。
31211 DCS作为 FCS的一个站点
当原有 DCS规模较小时 , 可以在 DCS的工程
师站加装一块支持现场总线的网卡 , 进行软件配
置 , 使 DCS成为现场总线上的一个站点 , 利用
DCS的开发工具 , 在其工程师站的操作系统上编制
数据读取程序和数据传输程序 , 把 DCS中的数据
读出并通过现场总线网络发送出去。
31212 使用 OPC技术集成 DCS与 FCS
当 DCS规模较大时 , 优先选择的方法是使用
OPC技术来实现。使用 OPC技术之后 , 各设备制
造商只需要提供给用户一个 OPC 服务器 (OPC2
SEVER) , 它将实现 DCS与 FCS的无缝互连。OPC
服务器向客户端提供了一套标准的 OLE接口 , 通
过这些统一接口 , 所有客户应用 (包括 DCS和
FCS) 都可以采用一致的方式来与现场设备通信
(如图 3)。另外 , OPC服务器不仅可以用于硬件设
备与系统软件之间的通信 , 同时还可以用于各个软
件应用程序之间的通信 , 只要每个应用程序都给其
它应用提供一个标准的 OPC接口 , 它们之间的数
据交换就不成问题。
图 3 利用 O PC构成的系统
4 结 论
现阶段用户在选择 FCS时 , 一定要根据具体
的系统需求和生产过程的实际情况选择恰当的系统
配置。对于现有大量的 DCS完全由 FCS取代很难
实现 , 应更多地考虑 FCS与 DCS的集成 , 保留了
DCS丰富的监控、协调管理功能 , 另一方而也发挥
了 FCS网络化、分散化控制的优势 , 从而提高生
产过程的综合自动化水平。
参考文献
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·81· 柴 油 机 第 30 卷第 4期
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