现场总线控制系统的组成及特点

《装备制造技术｝２０１５年第２期　

集散控制系统与现场总线控制系统的比较　

刘　瑞　

（天津机电职业技术学院，天津３００１３１）　

摘要：对集散控制系统ＤＣＳ与现场总线控制系统ＦＣＳ的构成和特点进行比较和分析，并阐述了二者之间的联系和发　展趋势。　关键词：集散控制系统（ＤＣＳ）；现场总线控制系统（ＦＣＳ）；比较研究　

中图分类号：ＴＱ１２３　文献标识码：Ｂ　文章编号：１　６７２—５４５Ｘ（２０１　５）０２—０２２９—０２　

集散控制系统ＤＣＳ的本质是以微处理为基础，　综合４Ｃ技术（计算机技术、测量控制技术、通信网络　

技术、屏幕显示技术）成果，对生产过程进行集中监　视、操作、管理和分散控制的综合计算机控制系统。　

从８０年代中期起，在集散控制系统蓬勃发展的基础　上，一种更为开放的现场总线开始出现。现场总线是　

一种适用于工业现场控制的网络集成式全分布控制　系统ＦＣＳ。　

本论文通过对集散控制系统（ＤＣＳ）与现场总线　控制系统（ＦＣＳ）的研究，阐述了集散控制系统发展到　现场总线控制系统的进步性。同时，论文分析现场总　

线的体系结构、功能、类型，比较集散控制系统与现　场总线控制系统的区别。　

１集散控制系统　

１．１集散控制系统的构成　集散控制系统ＤＣＳ或称分散控制系统，它是以　

现场控制站为核心，中央管理计算机进行集中操作、　显示、报警、优化控制功能等一般典型的ＤＣＳ测控系　

统。实现地理和功能上相对分散的控制系统，通过数　据通道把各个分散点的信息集中起来，进行集中的　

监视和操作。　１．２集散控制系统特点　

（１）集散控制系统是综合４Ｃ（Ｃｏｎ—ｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ、　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ、Ｃｏｎｔｒｏｌ、ＣＲＴ）技术于一身的综合计算机控　制系统。　

（２）可以执行从常规的ＰＩＤ运算到Ｓｍｉｔｈ预估，　

三阶矩阵乘法等各种运算。　（３）具有树状拓扑和并行连续的链路结构，也有　

大量电缆从中继站并行到现场仪器仪表。　（４）回路控制功能由现场控制站完成，系统可有　

现场总线与现场总线控制系统

编者语：正如电子技术是单元式组合仪表控制系统的关键技术，软件技术是数字化控制系统如DCS、PLC等的关键技术一样，网络技术将是FCS的关键技术。可以说，一套简洁明了、高效可靠、标准化的网络通信规约将是FCS能否真正成为下一代控制系统的关键。

1 现场信号的通信将从模拟方式走向数字方式

对于一个控制系统来说，其前端的测量和后端的控制是最基础的功能，执行测量、控制功能的设备也是控制系统中最为重要、不可或缺的组成部分。完成测量功能的设备一般称作传感器和变送器，而完成控制功能的设备则称为执行器，这些设备又统称为现场设备，即直接与现场连接的设备，是控制系统与被控对象的接口。

现场设备要正常工作并完成系统赋予它的功能，必须要解决两大问题，一是现场设备本身的供电问题（某些传感器不需供电，如热电偶），另一个是系统与现场设备之间的信号传输问题。供电的问题比较好理解，任何设备要正常工作，就必须由供电电源为其提供所需的能量；而信号的传输问题则比较复杂。

上面谈到，现场设备是控制系统与被控对象之间的接口，因此现场设备是一个“两面”的设备：一方面，现场设备需要与被控对象实现信号的传输，另一方面，现场设备还要与系统进行信号的传输。这是由于被控对象所产生的测量信号和施加于被控对象的控制信号大多不是规范的电信号（电流、电压等），必须经过现场设备的转换，使其成为便于控制系统处理的、统一规格的电信号。一般情况下，现场设备都会安装在现场，即被控对象一侧，与测量控制元件形成了一个一体化的设备，而控制系统则安装在集中控制室中。因此现场设备与被控对象之间的信号连接往往不认为是传输问题，而只把现场设备与控制系统之间的信号连接看成是信号传输。

在以常规仪表组成的模拟控制系统（一般指电动单元组合仪表）中，现场设备通过标准的4-20mA电流来表示测量值，控制单元使用模拟技术进行控制运算并输出用4-20mA电流表示的控制值，现场设备使用这个控制值实施控制；而在以计算机为控制器的数字式控制系统（如DCS、PLC等）中，系统首先要将现场设备的4-20mA测量值进行A/D转换，即进行数字化，经过计算机的运算后产生控制值，再经过D/A转换形成4-20mA的控制值，由现场设备实施控制。

什么是现场总线现场总线的本质

现场总线是一种工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络。那么你对现场总线了解多少呢?以下是由店铺整理关于什么是现场总线的内容，希望大家喜欢!

现场总线的简介

现场总线是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。由于现场总线简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，因而受到了许多标准团体和计算机厂商的高度重视。

简单说，现场总线就是以数字通信替代了传统4-20mA模拟信号及普通开关量信号的传输，是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。

现场总线的本质

通信网络

用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络。

设备互联

依据实际需要使用不同的传输介质把不同的现场设备或者现场仪表相互关联。

互操作性

用户可以根据自身的需求选择不同厂家或不同型号的产品构成所需的控制回路，从而可以自由地集成FCS。

分散功能块

FCS 废弃了DCS 的输入/输出单元和控制站, 把DCS 控制站的功能块分散地分配给现场仪表, 从而构成虚拟控制站，彻底地实现了分散控制。

通信线供电

通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量, 这种方式提供用于本质安全环境的低功耗现场仪表, 与其配套的还有安全栅。

开放式互联网

现场总线为开放式互联网络，既可以与同层网络互联，也可与不同层网络互联，还可以实现网络数据库的共享。

从以上内容我们可以看到，现场总线体现了分布、开放、互联、高可靠性的特点，而这些正是DCS系统的缺点。DCS通常是一对一单独传送信号，其所采用的模拟信号精度低，易受干扰，位于操作室的操作员对模拟仪表往往难以调整参数和预测故障，处于“失控”状态，很多的仪表厂商自定标准，互换性差，仪表的功能也较单一，难以满足现代的要求，而且几乎所有的控制功能都位于控制站中。FCS则采取一对多双向传输信号，采用的数字信号精度高、可靠性强，设备也始终处于操作员的远程监控和可控状态，用户可以自由按需选择不同品牌种类的设备互联，智能仪表具有通信、控制和运算等丰富的功能，而且控制功能分散到各个智能仪表中去。由此我们可以看到FCS相对于DCS的巨大进步。

什么是现场总线？

随着计算机、控制、通信、网络等技术的发展，作为工业控制数字化、智能化与网络化典型代表的现场总线（FieldBus）技术也得到了发展迅速、影响巨大，引起了工程技术界的普遍兴趣与重视，使计算机控制系统逐步从集散控制系统（DistributedControlSystemDCS）走向以现场总线位基础的分布式现场总线控制系统（FieldbusControlSystem,FCS），被誉为工业自动化领域具有革命性的新技术。

现场总线技术是20世纪80年代中期在国际上发展起来的一种工业控制技术。通俗地讲，现场总线就是用在现场的总线技术，和计算机内部的总线概念一样，但是由于现场的特殊环境（如温度，安装条件，干扰等等），不同于计算机通常用于室内，为了区别，所以我们把这种总线称为现场总线。

现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一。

现场总线被誉为自动化领域的计算机局域网

1．1、现场总线的特点

根据国际电工委员会（IEC）和美国仪表协会(ISA)对现场总线的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字、双向传输、多分支结构的通信网络，它的关键标志是能支持双向多节点、总线式的全数字通讯，具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快、系统安全、造价低廉、维护成本低等特点。 国际电工协会（IEC）的SP50委员会对现场总线有以下三点要求：

（1）同一数据链上过程控制单元（PCU）、PLC等与数字1/0设备互连；

（2）现场总线控制器可对总线上的多个操作站、传感器及执行机构等进行数据存取；

（3）通信媒体安装费用较低。

SP50委员会提出的两种现场总线结构模型是：

●星型总线用短距离、廉价、低速率电缆取代模拟信号传输线

●总线型总线数据传输距离长、速率高，采用点对点、点对多点和广播式通信方式

2．2、现场总线技术特征

现场总线完整地实现了控制技术、计算机技术与通信技术的集成，具有以下几项技术特征。