现场总线与DCS控制系统

化工自动化及仪表,1999,26(3):1～3

现场总线与DCS控制系统

程正群　许宝祥　钱积新

(浙江大学工业控制技术研究所,杭州,310027)

　　摘要　首先阐述了现场总线产生的原因及其优点,讨论了现场总线和DCS系统的并存的局面,分析了现场总线对DCS的影响。

　　关键词:　现场总线　DCS　智能仪表　总线网络

1　现场总线产生的原因

众所周知,传统的DCS控制系统由各种工作站通过局域网连接而成,工程师站、操作管理站、信息管理站完成系统的组态、监视操作和运行管理,现场测控站完成生产过程信息的采集和控制。DCS的核心思想是分散控制、集中监控,但是与工

生的事故已屡见不鲜。

(4)互操作性差。尽管模拟仪表统一了4～20mA的信号标准,可是大部分技术参数仍由

制造商自定,致使不同品牌的仪表无法互换。这就导致了用户依赖制造厂,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情况。

1.2　现场总线的优点

(1)一对N结构。一对传输线,N台仪表,双

业过程打交道的过程测控站仍然还是集中的,现场信号的检测、传输与控制还是采用4～20mA的

模拟信号,而这正是对分散控制、集中监控思想的违背。而现场总线正是为了解决这一问题而产生的。

至今,模拟仪表和DCS的技术已相当成熟,几十年形成的标准和系列已得到了世界的公认,而现场总线将变革传统的模拟仪表和DCS,有些人对此表示不理解,认为一旦变革会吃力不讨好。为此对模拟仪表与现场总线的优点进行对比分析,阐述现场总线产生的原因。现场总线产生的原因可以归结为以下四条。1.1　传统DCS的缺点

(1)一对一结构。一台仪表,一对传输线,单向传输1个信号。这种一对一结构造成接线庞杂、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度低,而且易受干扰。为此采用各种措施进行提高抗干扰性和传输精度,其结果是增加了成本。

(3)失控状态。操作员在控制室即不了解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。由于操作员不能及时发现现场仪表的故障,而发

向传输多个信号。这种一对N结构使得接线简单、工程周期短、安装费用低、维护方便。如果增加现场仪表或现场设备,只需并行挂到电缆上,无需架设新的电缆。

(2)可靠性高。数字信号传输抗干扰性强、精度高,无需采用抗干扰和提高精度的措施。

(3)可控状态。操作员在控制室即可以了解现场设备或现场仪表的工作状况,也能对其进行参数调整,还可以预测和寻找事故,始终处于操作员的远程监视与可控状态,提高系统的可靠性、可控性和可维护性。

(4)互换性。用户可以自由选择不同制造商所提供的性能价格比最优的现场设备或现场仪表,并将不同品牌的仪表进行互换。即使某台仪表发生故障,换上其他品牌的同类仪表,系统仍能照常工作,实现即接即用。

(5)互操作性。用户把不同制造商的各种品牌的仪表集成在一起,进行统一组态,构成它所需

　　收稿日期　1998-11-16。

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化工自动化及仪表　　　　　　　　　　　　　　第26卷・　　　　　　　　　　　　　　　　2・

要的控制回路。用户不必绞尽脑汁,为集成不同

品牌的产品而在硬件或软件上花费力气或增加额外投资。

(6)综合功能。现场仪表既有检测、变换和补偿功能,也有控制和运算功能。实现了一表多用,不仅方便了用户,也节省了成本。

(7)分散控制。控制站功能分散到现场仪表中,通过现场仪表可构成控制回路,实现彻底的分散控制。提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。

(8)统一组态。由于现场设备或现场仪表都引入了功能块的概念,所有制造商都使用相同的功能块,并统一组态方法。这样就使组态非常简单,用户不需要因为现场设备或现场仪表的不同而采用不同的组态方法。

(9)开放式系统。现场总线为开放式互联网络,所有的技术和标准都是公开的,所有制造商都必须遵循。这样,用户可以自由集成不同制造商的通信网络,既可以与同层网络互连,也可以与不同层网络互连;另外,用户可以极其方便地共享网络数据库。

1.3　计算机技术和网络技术的发展

否占32%,不明确占8%;几年内将使用现场总

线?回答2～5年占76%,2年内占12%,不明确占12%。

另外,FF还预测到2000年模拟仪表使用率将下降到30%,而智能仪表使用率将上升到70%。

FF拿现场总线示范工程与传统DCS相比,各

项费用节省率:导线82%,螺钉63%,接口板50%,安全栅50%。另外还节省材料费、工时费等;其结果是每个测控点平均节省416美元,这笔费用对用户来说是十分可观的。2　现场总线与DCS控制系统的并存DCS(DistributedControlSsytem),顾名思义,其意义是分散控制系统,但由于传统DCS控制系统的过程测控站是集中的,不能达到完全分散控制的目标,所以在译为中文时,译为集散控制系统。而基于现场总线技术的控制系统,由于采用了现场智能仪表和现场总线网络结构,实现了真正意义上的分散控制、集中监控,所以也可将其称为分散控制系统。

虽然现场总线控制系统与DCS控制系统相比具有巨大的优势,但现场总线取代DCS也不是一朝一夕的事。这方面的原因归纳起来主要有以下几条。

(1)用户的习惯问题。在目前投入运行的大型过程控制系统几乎全部是DCS控制系统,DCS控制系统具有良好的运行稳定性,用户对此深有体会,用户不会轻易放弃DCS控制系统。另一方面,目前国内缺乏具有明显示范效应的现场总线示范工程,现场总线控制系统取代DCS控制系统尚待时日。

(2)费用的问题。现场总线控制系统以现场智能仪表为基础,而由于智能仪表的价格普遍高于常规仪表,这对于小型化、地理分布集中的过程控制系统来说,初始的投资费用要高于DCS的投资费用,致使有些厂家在选择控制系统的时候,是选择DCS而不是选择现场总线控制系统。

(3)DCS控制系统本身的发展问题。DCS是一个不断发展的控制系统,DCS制造厂在不断采用当代新技术,推动了DCS控制系统的发展,例如:控制网LAN的传送速度由1Mbps发展为10Mbps、控制器采用RISCCPU、工程技术环境采用工作站、PC机等。由于PC机的性能价格比不

每台现场设备或现场仪表就是一台微处理

器,既有CPU、内存、接口和通信等数字信号处理,还有非电量信号检测、变换和放大等模拟信号处理功能。

由于必须安装在生产现场或生产装置上,而且工作环境非常恶劣,对于易燃易爆场所,必须提供总线供电的本质安全,这就要求微处理器体积小、功能全、性能好、可靠性高、耗电少。另外,现场通信网络分布于生产现场,网络结点具有互换性和互操作性,并由结点构成虚拟控制站,这就要求采用先进的网络技术和分布式数据库技术。所以说,现场总线的出现得益于微处理器技术、通信技术和集成电路技术的发展。1.4　用户需求和市场竞争由于模拟仪表存在诸多缺点,传统DCS也无法摆脱模拟仪表的束缚,致使其性能无法充分发挥,体系结构也无法更新,成本无法下降,市场受到约束,出现了用户和制造厂商都不满意的僵局,这就促使仪表和传统DCS制造厂商研制新一代控制系统,以满足市场的需求。

现场总线基金会于1995年对用户作过调查,现场总线对用户是否重要?回答是占60%,回答

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第3期　　　　　　　　　　　　　程正群等.现场总线与DCS控制系统　　　　　　　　　　　　　　　　　・3・

断提高,在DCS中开始引入PC机,使得DCS控制系统从性能和价格两个方面得到改善。3　现场总线对DCS结构的影响

由于最近一段时间内现场总线与DCS并存,以及大部分现场总线生产商同时是DCS生产商的事实,DCS为保持其竞争能力,也有可能采用一些现场总线的技术对其DCS系统进行改造,产生一些介于传统DCS和现场总线之间的控制系统。

现在有许多DCS开发商宣称他们的DCS控制系统兼容现场总线,按照其对现场总线兼容程度的不同,我们在这里对兼容现场总线的DCS划分为三个比较大的范畴:初步兼容、异质兼容和同质兼容。

初步兼容现场总线的DCS是指在DCS中使用现场总线的智能仪表,将总线仪表的变量输入或输出到DCS控制系统。这种结构的DCS能够容纳总线仪表,但并未充分利用总线仪表的优势,基本上不能通过DCS对智能仪表进行直接的参数访问,需要对总线仪表的数据进行转换。设备的诊断和报警功能也未被吸收入这种DCS。其示意图如图1所示。

OI

ProprietarynetworkC

C

C

Application

ERNET或FDDI(fibredistributiondatainterface)。其

示意图如图3所示。

OI

ProprietarynetworkC

C

C

Application

BridgeBridgeBridge

总线仪表I/OI/OI/OI/OI/OI/O

图2　异质兼容现场总线的DCS

OIETHERNETC

C

ApplicationFDDI

C

BridgeBridgeBridge

总线仪表I/OI/OI/OI/OI/OI/O

图3　同质兼容现场总线的DCS

4　结束语

Driver常规仪表I/O

I/O

I/O

I/O

I/O

I/O

总线仪表

图1　初步兼容现场总线的DCS

图注:OI———operatorinterface;C———controlstation

现场总线控制系统是未来的发展趋势,这一

点已不容质疑,但现场总线控制系统从根本上取代DCS控制系统尚需时日。由于现场总线与DCS在一段时间内将共存并竞争,DCS必然会采用现场总线方面的一些技术对自身进行改造。随着现场总线的有关技术进入DCS控制系统,引入了大量总线仪表和网桥的DCS系统的配置机柜的体积将大大缩小,低层控制将逐渐向现场总线网络靠拢,而DCS的上层向总线网络过渡的速度相对来说,可能会慢一些,但其向开放式网络过渡是必然趋势。

参考文献

1　王锦标.现场总线和现场总线控制系统.化工自动化及仪表,

1997;24(2):328

2　WilliamR.Hodson.HowFieldbusWillAffectDCSArchitecture.In2tech,1996;(12):50253

3　Fisher2Rosemount公司.基于现场结构的新概念.微计算机信

　　异质兼容现场总线的DCS使用网关设备将

大部分的现场总线功能映射到现存的DCS系统中,而对那些未映射入DCS的现场总线功能将丢失,在这种DCS中将提供对智能设备一般参数的访问功能,但是一些为DCS的上层无法兼容的功能,例如背离报警功能将不能实现。其示意图如图2所示。

如果DCS能够兼容现场总线的所有特征,那么我们就说这种DCS是同质兼容DCS的,在这种结构中控制站下接网桥,网桥下接总线仪表,实现设备之间的信息共享;DCS的上层工作站之间不再是由DCS厂商的专用网络结构,而是采用ETH2

息,1997;(3):11212

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