DCS、FCS兩大控制系統比較及兩者的集成
1 引言
過程控制以計算機控制作為主流。近年來，計算機技術的飛速發展正迅速改變著工業自動化的現狀，傳統的生產過程計算機控制系統已僅僅是一個狹義的概念，現代計算機控制系統的含義已被大大擴展 ，它不僅包含我們最熟悉的各種自動控制系統、各種順序邏輯控制系統、各種自動批處理控制系統及聯鎖保護系統，還包括了各生產工段和各生產車間的優化調度系統，以及整個企業的決策系統和管理系統。本文重點分析作為現代工業順序邏輯控制的可編程邏輯控制PLC、現代工業主流的集散型控制系統(DCS)和未來工業主流的現場總線控制系統(FCS)及其相互關系。
2 DCS、FCS控制系統的基本要點
目前，在連續型流程生產自動控制(PA)或習慣稱之為工業過程控制中，有兩大控制系統，即DCS和FCS。它們的各自基本要點如下:
2.1 DCS或TDCS
(1)分散控制系統DCS與集散控制系統是集通訊、計算、控制、顯示4C(Communication，Computer，Control，CRT)技術于一身的監控技術。
(2) 從上到下的樹狀拓撲大系統，其中通信(Communication)是關鍵。
(3) PID在中繼站中，中繼站聯接計算機與現場儀器儀表與控制裝置。
(4) 模擬信號A/D-D/A帶微處理的混合。
(5) 一臺儀表一對線接到I/O，由控制站掛到局域網LAN。
(6) DCS是控制(工程師站)、操作(操作員站)、現場儀表(現場控制站)的三級結構。
(7) 缺點是成本高，各公司產品不能互換，不能互操作，大DCS系統是各家不同的。
(8) 用于大規模的連續過程控制，如石化等。
(9) 制造商:Bailey(美)、Westinghouse(美)、HITACH(日)、LEEDS&NORTHRMP(美)、Siemens(德)、Foxboro(美)、ABB(瑞士)
2.2 FCS
(1) 基本任務是:本質(本征)、安全、危險區域、易變過程、難于對付的非常環境。 (2) 全數字化、智能、多功能取代模擬式單功能儀器、儀表、控制裝置。
(3) 在總線上PID與儀器、儀表、控制裝置都是平等的。
(4) 多變量、多節點、串行、數字通信系統取代單變量、單點、并行、模擬系統，是雙向的、開放的取代單向的、封閉的。
(5) 用分散的虛擬控制站取代集中的控制站。
(6) 制造商:美Honeywell、Smar、Fisher-Rosemount、AB/Rochwell、Elsag-Bailey、Foxboro。歐Siemens、GEC-Alsthom、Schneider、Process-Data、ABB
(7) 3類FCS的典型
a)連續的工藝過程自動控制如石油化工，其中“本安防爆”技術是絕對重要的，典型產品是FF、WorldFIP、Profibus-PA
b)分立的工藝動作自動控制，如汽車制造機器人。汽車典型產品是Probifus-DP、CANbus
c)多點控制如樓宇自動化，典型產品是Lonwork、Profibus-FMS
3 兩大控制系統之間的差異
我們已經知道，FCS是由DCS與PLC發展而來，FCS不僅具備DCS與PLC的特點，而且跨出了革命性的一步。而目前，新型的DCS與新型的PLC，都由向對方靠攏的趨勢。新型的DCS已有很強的順序控制功能；而新型的PLC，在處理閉環控制方面也不差，并且兩者都能組成大型網絡，DCS與PLC的適用范圍，已有很大的交叉，下面我著重介紹DCS和FCS兩大控制系統間的差異要點。
3.1 DCS
DCS的關鍵是通信。也可以說數據公路是分散控制系統DCS的脊柱。由于它的任務是為系統所有部件之間提供通信網絡，因此，數據公路自身的設計就決定了總體的靈活性和安全性。數據公路的媒體可以是:一對絞線、同軸電纜或光纖電纜。
通過數據公路的設計參數，基本上可以了解一個特定DCS系統的相對優點與弱點:
(1) 系統能處理多少I/O信息
(2) 系統能處理多少與控制有關的控制回路的信息
(3) 能適應多少用戶和裝置(CRT、控制站等)
(4) 傳輸數據的完整性是怎樣徹底檢查的
(5) 數據公路的最大允許長度是多少
(6) 數據公路能支持多少支路
(7) 數據公路是否能支持有其他制造廠生產的硬件(可編程序控制器、計算機、數據記錄裝置等)。
為保證通信的完整，大部分DCS廠家都能提供冗余數據公路，為了保證系統的安全性，使用了復雜的通信規約和檢錯技術。所謂通信規約就是一組規則，用以保證所傳輸的數據被接收，并且被理解得和發送得數據一樣。
3.2 FCS
FCS的關鍵要點有以下三點:
(1)FCS系統的核心是總線協議，即總線標準，只要總線協議一經確定，相關的關鍵技術與有關的設備也就被確定。就一個特定類型的現場總線而言，只要遵循該類型現場總線的總線協議，對其產品是開放的，并具有互操作性。換句話說，不論什么廠家的產品，也不一定是該現場總線公司的產品，只要遵循該總線協議，產品之間是開放的，并具有互操作性，就可以組成總線網絡。
(2) FCS系統的基礎是數字智能現場裝置。數字智能現場裝置是FCS系統的硬件支撐，是基礎。FCS系統執行的是自動控制裝置與現場裝置之間的雙向數字通信現場總線信號制。如果現場裝置不遵循統一的總線協議，即相關的通信規約，不具備數字通信功能，那么所謂雙向數字通信是一句空話，也不能稱之為現場總線控制系統
(3) FCS系統的本身是信息處理現場化。對于一個控制系統，無論是采用DCS還是采用現場總線，系統需要處理的信息量至少是一樣的。實際上，采用現場總線后，可以從現場得到更多的信息。現場總線系統的信息量沒減少，甚至增加了，而傳輸信息的線纜卻大大減少了，可以說，現場總線的本質就是信息處理的現場化。
4 FCS與DCS的集成
由于DCS應用廣泛、技術成熟，在現有的技術條件和市場條件下，FCS還不能完全取代DCS ，由此引出一個很重要的問題:如何在已有的DCS系統中應用現場總線新技術，即如何實現FCS與DCS的緊密集成，使二者各自的優勢都得到體現?從本質來說，FCS是一個網絡通信系統，而DCS雖然涉及網絡通信，但其標準由各廠家自行制定，沒有開放性，所以DCS與FCS集成只是一種過渡策略，因為這種混合系統不能完全發揮FCS的優勢。根據當前不同的應用需求，FCS和DCS有三個層次上的集成模式。
4.1 現場總線集成在DCS的I/O總線上
這種方式通過接口卡直接將現場總線集成到DCS系統中。與I/O功能塊相關的測量值和設定值可以通過接口卡映射成I/O總線上等價的值。通過這種映射關系，DCS就能透明地獲取現場總線智能儀表傳送的信息，其效果和傳統的變送器相同。
這種集成方式的優點:
l 只需安裝現場總線接口卡 ，無需改變或升級DCS系統。
l 對于一些初級的現場總線設備，廠家提供的功能塊有限，這種方式保留了DCS的控制功能。
l 采用低成本的PC作為現場總線組態、診斷的接口單元。
但這種方式也限制了DCS所能獲取的信息，無法利用現場設備中大量的狀態信息。
4.2 現場總線集成在DCS網絡上
這種集成方式通過現場總線接口單元連接到DCS網絡上，現場設備中用于控制、計算的各種功能塊操作信息可以在DCS控制臺中獲取和更改。通過接口單元提供的服務 ，DCS操作站能獲取更多的現場設備信息。
這種集成方式的優點:
l 控制和計算可以在現場設備中完成 ，相關的參數可以在DCS操作員站中訪問。
l 便于現場總線和DCS之間的通信。
l DCS可以訪問現場設備中更多的信息。但是這種集成方式中現場設備功能塊組態仍在PC中完成，與DCS組態數據庫分離。
4.3 過網關接口集成現場總線
這種集成方式通過專門設計的網關接口實現現場總線網絡和DCS系統的完全雙向連接，即DCS操作員站能訪問現場設備中的所有信息，而現場總線也能獲取DCS提供的各種信息 ，因此便于實現現場總線和DCS的協調控制。此外 ，在這種集成方式下，現場總線的控制功能更加獨立，可以構成一個脫離DCS的完整的控制系統。
這種方式主要適用于規模較大的控制系統，能有效保護用戶對DCS的先期投資。DCS負責監控、優化、先進控制、協調管理等較復雜的應用，是主控系統 ，而FCS負責現場設備層的數據采集和閉環控制并將設備的狀態、診斷信息實時地傳送至DCS 。
但是這種接口方式對網關接口技術要求很高，此接口要完成雙向的協議轉換，為DCS和現場總線提供透明的數據訪問。
以上簡單討論了DCS和FCS集成的三種途徑。實現應用時情況會更復雜，主要原因是DCS的很多設計要素不同于FCS，DCS的封閉性限制了現場總線分散化、網絡化特點的實現。傳統意義上的DCS實現分散控制、集中管理，但在實際應用中，DCS的控制功能并沒有真正分散化，其管理功能更多的也只是監控和協調。因此，在未來的技術發展中，需要著重考慮DCS與FCS的集成，使系統配置達到最優，從而實現完整的控制、管理網絡架構。這樣，DCS的基本控制功能將逐步消失，它將更多的承擔監控、管理和決策任務 ，成為真正意義上的管理系統的一部分;而FCS則協調現場智能測控設備之間的通信 ，實現生產過程控制的徹底分散化、網絡化。因此，DCS與FCS結合是當前提高過程控制系統自動化水平的基本思路。
5 結束語
現階段用戶在選擇FCS時，一定要根據具體的系統需求和生產過程的實際情況選擇恰當的系統配置。對于現有大量的DCS完全由FCS取代很不現實，因此應更多地考慮FCS與DCS的集成，保留了DCS豐富的監控、協調管理功能，另一方面也發揮了FCS網絡化、分散化控制的優勢，從而提高生產過程的綜合自動化水平
過程控制以計算機控制作為主流。近年來，計算機技術的飛速發展正迅速改變著工業自動化的現狀，傳統的生產過程計算機控制系統已僅僅是一個狹義的概念，現代計算機控制系統的含義已被大大擴展 ，它不僅包含我們最熟悉的各種自動控制系統、各種順序邏輯控制系統、各種自動批處理控制系統及聯鎖保護系統，還包括了各生產工段和各生產車間的優化調度系統，以及整個企業的決策系統和管理系統。本文重點分析作為現代工業順序邏輯控制的可編程邏輯控制PLC、現代工業主流的集散型控制系統(DCS)和未來工業主流的現場總線控制系統(FCS)及其相互關系。
2 DCS、FCS控制系統的基本要點
目前，在連續型流程生產自動控制(PA)或習慣稱之為工業過程控制中，有兩大控制系統，即DCS和FCS。它們的各自基本要點如下:
2.1 DCS或TDCS
(1)分散控制系統DCS與集散控制系統是集通訊、計算、控制、顯示4C(Communication，Computer，Control，CRT)技術于一身的監控技術。
(2) 從上到下的樹狀拓撲大系統，其中通信(Communication)是關鍵。
(3) PID在中繼站中，中繼站聯接計算機與現場儀器儀表與控制裝置。
(4) 模擬信號A/D-D/A帶微處理的混合。
(5) 一臺儀表一對線接到I/O，由控制站掛到局域網LAN。
(6) DCS是控制(工程師站)、操作(操作員站)、現場儀表(現場控制站)的三級結構。
(7) 缺點是成本高，各公司產品不能互換，不能互操作，大DCS系統是各家不同的。
(8) 用于大規模的連續過程控制，如石化等。
(9) 制造商:Bailey(美)、Westinghouse(美)、HITACH(日)、LEEDS&NORTHRMP(美)、Siemens(德)、Foxboro(美)、ABB(瑞士)
2.2 FCS
(1) 基本任務是:本質(本征)、安全、危險區域、易變過程、難于對付的非常環境。 (2) 全數字化、智能、多功能取代模擬式單功能儀器、儀表、控制裝置。
(3) 在總線上PID與儀器、儀表、控制裝置都是平等的。
(4) 多變量、多節點、串行、數字通信系統取代單變量、單點、并行、模擬系統，是雙向的、開放的取代單向的、封閉的。
(5) 用分散的虛擬控制站取代集中的控制站。
(6) 制造商:美Honeywell、Smar、Fisher-Rosemount、AB/Rochwell、Elsag-Bailey、Foxboro。歐Siemens、GEC-Alsthom、Schneider、Process-Data、ABB
(7) 3類FCS的典型
a)連續的工藝過程自動控制如石油化工，其中“本安防爆”技術是絕對重要的，典型產品是FF、WorldFIP、Profibus-PA
b)分立的工藝動作自動控制，如汽車制造機器人。汽車典型產品是Probifus-DP、CANbus
c)多點控制如樓宇自動化，典型產品是Lonwork、Profibus-FMS
3 兩大控制系統之間的差異
我們已經知道，FCS是由DCS與PLC發展而來，FCS不僅具備DCS與PLC的特點，而且跨出了革命性的一步。而目前，新型的DCS與新型的PLC，都由向對方靠攏的趨勢。新型的DCS已有很強的順序控制功能；而新型的PLC，在處理閉環控制方面也不差，并且兩者都能組成大型網絡，DCS與PLC的適用范圍，已有很大的交叉，下面我著重介紹DCS和FCS兩大控制系統間的差異要點。
3.1 DCS
DCS的關鍵是通信。也可以說數據公路是分散控制系統DCS的脊柱。由于它的任務是為系統所有部件之間提供通信網絡，因此，數據公路自身的設計就決定了總體的靈活性和安全性。數據公路的媒體可以是:一對絞線、同軸電纜或光纖電纜。
通過數據公路的設計參數，基本上可以了解一個特定DCS系統的相對優點與弱點:
(1) 系統能處理多少I/O信息
(2) 系統能處理多少與控制有關的控制回路的信息
(3) 能適應多少用戶和裝置(CRT、控制站等)
(4) 傳輸數據的完整性是怎樣徹底檢查的
(5) 數據公路的最大允許長度是多少
(6) 數據公路能支持多少支路
(7) 數據公路是否能支持有其他制造廠生產的硬件(可編程序控制器、計算機、數據記錄裝置等)。
為保證通信的完整，大部分DCS廠家都能提供冗余數據公路，為了保證系統的安全性，使用了復雜的通信規約和檢錯技術。所謂通信規約就是一組規則，用以保證所傳輸的數據被接收，并且被理解得和發送得數據一樣。
3.2 FCS
FCS的關鍵要點有以下三點:
(1)FCS系統的核心是總線協議，即總線標準，只要總線協議一經確定，相關的關鍵技術與有關的設備也就被確定。就一個特定類型的現場總線而言，只要遵循該類型現場總線的總線協議，對其產品是開放的，并具有互操作性。換句話說，不論什么廠家的產品，也不一定是該現場總線公司的產品，只要遵循該總線協議，產品之間是開放的，并具有互操作性，就可以組成總線網絡。
(2) FCS系統的基礎是數字智能現場裝置。數字智能現場裝置是FCS系統的硬件支撐，是基礎。FCS系統執行的是自動控制裝置與現場裝置之間的雙向數字通信現場總線信號制。如果現場裝置不遵循統一的總線協議，即相關的通信規約，不具備數字通信功能，那么所謂雙向數字通信是一句空話，也不能稱之為現場總線控制系統
(3) FCS系統的本身是信息處理現場化。對于一個控制系統，無論是采用DCS還是采用現場總線，系統需要處理的信息量至少是一樣的。實際上，采用現場總線后，可以從現場得到更多的信息。現場總線系統的信息量沒減少，甚至增加了，而傳輸信息的線纜卻大大減少了，可以說，現場總線的本質就是信息處理的現場化。
4 FCS與DCS的集成
由于DCS應用廣泛、技術成熟，在現有的技術條件和市場條件下，FCS還不能完全取代DCS ，由此引出一個很重要的問題:如何在已有的DCS系統中應用現場總線新技術，即如何實現FCS與DCS的緊密集成，使二者各自的優勢都得到體現?從本質來說，FCS是一個網絡通信系統，而DCS雖然涉及網絡通信，但其標準由各廠家自行制定，沒有開放性，所以DCS與FCS集成只是一種過渡策略，因為這種混合系統不能完全發揮FCS的優勢。根據當前不同的應用需求，FCS和DCS有三個層次上的集成模式。
4.1 現場總線集成在DCS的I/O總線上
這種方式通過接口卡直接將現場總線集成到DCS系統中。與I/O功能塊相關的測量值和設定值可以通過接口卡映射成I/O總線上等價的值。通過這種映射關系，DCS就能透明地獲取現場總線智能儀表傳送的信息，其效果和傳統的變送器相同。
這種集成方式的優點:
l 只需安裝現場總線接口卡 ，無需改變或升級DCS系統。
l 對于一些初級的現場總線設備，廠家提供的功能塊有限，這種方式保留了DCS的控制功能。
l 采用低成本的PC作為現場總線組態、診斷的接口單元。
但這種方式也限制了DCS所能獲取的信息，無法利用現場設備中大量的狀態信息。
4.2 現場總線集成在DCS網絡上
這種集成方式通過現場總線接口單元連接到DCS網絡上，現場設備中用于控制、計算的各種功能塊操作信息可以在DCS控制臺中獲取和更改。通過接口單元提供的服務 ，DCS操作站能獲取更多的現場設備信息。
這種集成方式的優點:
l 控制和計算可以在現場設備中完成 ，相關的參數可以在DCS操作員站中訪問。
l 便于現場總線和DCS之間的通信。
l DCS可以訪問現場設備中更多的信息。但是這種集成方式中現場設備功能塊組態仍在PC中完成，與DCS組態數據庫分離。
4.3 過網關接口集成現場總線
這種集成方式通過專門設計的網關接口實現現場總線網絡和DCS系統的完全雙向連接，即DCS操作員站能訪問現場設備中的所有信息，而現場總線也能獲取DCS提供的各種信息 ，因此便于實現現場總線和DCS的協調控制。此外 ，在這種集成方式下，現場總線的控制功能更加獨立，可以構成一個脫離DCS的完整的控制系統。
這種方式主要適用于規模較大的控制系統，能有效保護用戶對DCS的先期投資。DCS負責監控、優化、先進控制、協調管理等較復雜的應用，是主控系統 ，而FCS負責現場設備層的數據采集和閉環控制并將設備的狀態、診斷信息實時地傳送至DCS 。
但是這種接口方式對網關接口技術要求很高，此接口要完成雙向的協議轉換，為DCS和現場總線提供透明的數據訪問。
以上簡單討論了DCS和FCS集成的三種途徑。實現應用時情況會更復雜，主要原因是DCS的很多設計要素不同于FCS，DCS的封閉性限制了現場總線分散化、網絡化特點的實現。傳統意義上的DCS實現分散控制、集中管理，但在實際應用中，DCS的控制功能并沒有真正分散化，其管理功能更多的也只是監控和協調。因此，在未來的技術發展中，需要著重考慮DCS與FCS的集成，使系統配置達到最優，從而實現完整的控制、管理網絡架構。這樣，DCS的基本控制功能將逐步消失，它將更多的承擔監控、管理和決策任務 ，成為真正意義上的管理系統的一部分;而FCS則協調現場智能測控設備之間的通信 ，實現生產過程控制的徹底分散化、網絡化。因此，DCS與FCS結合是當前提高過程控制系統自動化水平的基本思路。
5 結束語
現階段用戶在選擇FCS時，一定要根據具體的系統需求和生產過程的實際情況選擇恰當的系統配置。對于現有大量的DCS完全由FCS取代很不現實，因此應更多地考慮FCS與DCS的集成，保留了DCS豐富的監控、協調管理功能，另一方面也發揮了FCS網絡化、分散化控制的優勢，從而提高生產過程的綜合自動化水平
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