DCS與FCS控制系統(tǒng)集成分析

摘 要： 考慮到集散控制系統(tǒng)（DCS）技術成熟、應用廣泛以及生產(chǎn)過程的實際情況， 在現(xiàn)有的DCS控制系統(tǒng)中如何集成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）的新技術是一個很重要的問題。本文在詳細論述DCS與FCS的工作原理和不同特點的基礎上比較了二者的優(yōu)缺點，探討了選擇FCS時應注意的問題， 并就FCS與DCS 集成的問題， 簡單介紹了一些思路和方法。

關鍵詞： DCS；FCS；系統(tǒng)集成；系統(tǒng)設計

1 引言

隨著生產(chǎn)由簡單過程向大型化、集成化和復雜化方向發(fā)展， 與之相應的控制理論和技術、控制系統(tǒng)和工具都發(fā)生了很大的變化。集散控制系統(tǒng)（DCS）問世到現(xiàn)在， 已經(jīng)廣泛地應用于工業(yè)的各個領域。DCS在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中引入計算機技術， 利用軟件組成各個功能塊替代過去傳統(tǒng)的電動單元組合儀表，使得控制策略更容易實現(xiàn)。使用DCS 集散控制系統(tǒng)后， 非常方便靈活，這給控制領域帶來了質的飛躍。但是從發(fā)展的眼光來看， 現(xiàn)在DCS已經(jīng)暴露出來了它自身的弱點。隨著現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS） 的興起， 擁有DCS產(chǎn)品的各大公司競相開發(fā)新一代產(chǎn)品， 已確保在新的市場中不被淘汰。相比較于完全取代DCS系統(tǒng)，充分利用已有的DCS設施， 用現(xiàn)有DCS的布線以及成熟的DCS控制管理方式來實現(xiàn)FCS系統(tǒng)是首選之途。

2 系統(tǒng)集成的必要性

在現(xiàn)階段，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS與集散控制系統(tǒng)DCS 相互兼容有如下的必要性：

（1）從工程角度看， 現(xiàn)場總線具有良好的互操作性，同時結構簡單， 布線費用低，控制功能分散，并且靈活可靠。然而如果企業(yè)建立有完善的DCS， 要集成FCS， 則必須仔細考慮現(xiàn)有投資對產(chǎn)業(yè)升級的回報率。

（2）從技術的繼承及控制手段上，也要求FCS與DCS應相互兼容。FCS實現(xiàn)控制功能下移至現(xiàn)場層，使得DCS多層網(wǎng)絡扁平化，各個現(xiàn)場設備節(jié)點的獨立功能得以加強。因此，在FCS中有必要增加和完善子層設備間的數(shù)據(jù)通訊功能。

3 系統(tǒng)集成分析

FCS與DCS集成主要體現(xiàn)在現(xiàn)場通信協(xié)議的相容和組態(tài)、監(jiān)控、操作軟件的統(tǒng)一，即FCS實現(xiàn)基本的測控回路，DCS作為高一層的管理協(xié)調者實現(xiàn)復雜的先進控制和優(yōu)化功能。FCS實現(xiàn)基本的測控回路，是控制系統(tǒng)獲得原始數(shù)據(jù)的基礎，在控制系統(tǒng)中至關重要。而對于不同的DCS系統(tǒng)必然要求不同的FCS型態(tài)，F(xiàn)CS的型態(tài)關系到集成性能的優(yōu)劣，所以集成之前FCS的選型問題顯得尤其突出。選擇FCS時要綜合各種影響因素，應著重從以下方面給予考察：

（1）布線安裝

現(xiàn)場總線能節(jié)約大量布線和安裝費用， 但必須結合具體情況區(qū)別對待。對于一個新建的控制系統(tǒng)，現(xiàn)場總線的確能節(jié)省大量的電纜、接線端子和I/ O接口卡，但是對于一個改建工程， 更新已有的電纜和設備就不太經(jīng)濟了，這時應考慮如何最大限度地利用現(xiàn)有的裝置設施。此外，還應根據(jù)系統(tǒng)的實際情況采用合理的網(wǎng)絡拓撲結構。FCS的初期投資中，布線安裝費用占了相當一部分，因此對于實際系統(tǒng)應充分合理地利用已有的結構和配置，以降低成本，優(yōu)化系統(tǒng)性能。

（2）系統(tǒng)結構

FCS系統(tǒng)具有兩層結構，即控制層和執(zhí)行層，而DCS系統(tǒng)是三層結構，即過程控制層、控制管理層和生產(chǎn)管理層。FCS中大量數(shù)據(jù)在執(zhí)行層之間傳遞，同時現(xiàn)場設備的很多狀態(tài)和診斷信息要向上位監(jiān)控機傳送，因此對網(wǎng)絡的實時性要求很高，在數(shù)據(jù)量很大的情況下可能會出現(xiàn)阻塞； DCS更多的信息是在層與層之間傳輸，容易實現(xiàn)遞階控制以及子系統(tǒng)之間的協(xié)調，但數(shù)據(jù)傳輸速度較慢。用戶在選擇時應就上述FCS與DCS的結構差異認真考慮，不能盲目放棄已有的DCS系統(tǒng)。

（3）可用性與兼容性

可用性指系統(tǒng)是否包括完整的系列產(chǎn)品以滿足用戶特定的需求以及具體產(chǎn)品的使用特性。具體到FCS， 就要考慮廠家是否提供從現(xiàn)場智能變送器、執(zhí)行器到網(wǎng)絡管理設備、網(wǎng)絡轉換接口、人機接口界面的全系列產(chǎn)品。如果系統(tǒng)構成不完整，會給用戶的系統(tǒng)集成和實際應用帶來很大不便。此外， 還要考慮所選系統(tǒng)的向上和向下的兼容性，向下兼容性是對原有DCS系統(tǒng)的兼容性， 這對改建項目的用戶尤其重要； 向上兼容性則是對后續(xù)FCS系統(tǒng)的兼容性， 即提供相應的接口設備支持先進的網(wǎng)絡技術。

（4）開放性與互操作性

FCS最大的特點是采用統(tǒng)一的協(xié)議標準，因此具有很強的開放性和互操作性。雖然統(tǒng)一的協(xié)議是現(xiàn)場總線技術的發(fā)展方向，但是目前各廠家支持不同的現(xiàn)場總線協(xié)議標準，即已有的FCS 產(chǎn)品只能實現(xiàn)有限的開放性，因此用戶在實施FCS時，需要在其中做出選擇，詳細考查廠家所提供的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡產(chǎn)品和現(xiàn)場智能設備是否通過權威機構的一致性和互操作性認證，是否能真正實現(xiàn)與其他廠家同協(xié)議產(chǎn)品的互連和互操作。在當前多種現(xiàn)場總線協(xié)議標準林立的情況下，用戶應選擇能最大限度地提供一致性和互操作性保證的現(xiàn)場總線產(chǎn)品。

（5）控制策略

FCS 更多地從網(wǎng)絡硬件上考慮對DCS的改進，對于控制策略的加強，F(xiàn)CS效果不明顯。DCS在先進控制方面已有多年應用，技術成熟?，F(xiàn)場總線的功能模塊一般只能解決基本的控制問題，如果用戶希望通過FCS解決一些先進控制的難題，可以將FCS 集成到原有的DCS中，F(xiàn)CS實現(xiàn)基本的測控回路，DCS作為高一層的管理協(xié)調者實現(xiàn)復雜的先進控制和優(yōu)化功能。

4 結論

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS與集散控制系統(tǒng)DCS相比，具有價格低、性能好以及更加靈活等優(yōu)勢。但從工業(yè)控制領域現(xiàn)狀來看，更多地考慮FCS與DCS的集成， 這樣一方面保留了DCS豐富的監(jiān)控、協(xié)調管理功能，另一方面也發(fā)揮了FCS網(wǎng)絡化、分散化控制的優(yōu)勢，從而以較低的成本應用現(xiàn)場總線新技術，提高生產(chǎn)過程的綜合自動化水平。■

參考文獻

[1] 李瑋. DCS向FCS平滑過渡的探討[J]. ASE自動化系統(tǒng)工程， 2006， 2：20-22

[2] 阮惠卿. PLC_DCS_FCS三大控制系統(tǒng)[J]. 長春理工大學學報（綜合版）2005， 1（4）： 119-121.

[3] 馮麗輝. DCS、FCS、CIPS 的集成與應用[J]. 工業(yè)儀表與自動化裝置， 2002， 2：7-9.

[4] 吳登權. DCS與FCS控制系統(tǒng)集成方案[J]. 自動化應用， 2010， （5）：73-74.

[5] 殷紅. DCS與FCS在控制系統(tǒng)中的應用比較[J]. 機械研究與應用， 2006， 19（5）： 66-67.

[6] 程曉琳， 徐用懋. FCS選型及與DCS 的集成[J]. 工業(yè)控制計算機，2000， 13（2）：1-4.

作者簡介：張新亮，（1981.1--）男，漢族，重慶渝北人，碩士，講師，研究方向：智能制造技術、數(shù)控技術與數(shù)控系統(tǒng)、PLC應用、金屬熱處理、材料成型技術。