DCS、FCS、工业以太网之间的区别和联系

DCS、FCS与工业以太网的区别和联系摘要：本文对DCS（集散控制系统/分布式控制系统/distributed control system）、FCS(现场总线控制系统)和工业以太网三种工业自动化控制系统进行了简要的介绍，结合其各自的特点对它们之间的区别和联系进行了论述。

希望读者能够通过本文，对这三种控制系统有一定的认识和了解。

关键词：DCS FCS 工业以太网区别联系1 概述DCS是20世纪70年代随着微处理器的出现而逐渐发展起来的一种计算机控制系统。

因其控制功能分散、操作监视与管理功能集中的特点，称为分布式控制系统。

它是目前在工业控制领域应用最广的计算机控制系统。

由于DCS存在生产厂商专有技术造成的硬件与软件的封闭性，20世纪90年代出现了现场总线技术FCS，它是连接智能测量与控制设备的全数字式、双向传输、具有多节点分支结构的通信链路，是工业自动化领域近年来的热点。

以太网是最著名的几种局域网之一，应用范围很广，它不仅是一种主要的办公自动化局域网，在工业控制网中也得到一定的应用。

以太网在工业控制网络结构中有两种不同的应用，一类是把以太网用在复合型结构的通信网络中作为管理子网，传递生产管理信息；另一类是把以太网当作控制网络使用，即把所有的工作站直接挂在以太网上传递过程数据。

2 三类控制系统的特点2.1DCS的特点典型DCS系统的体系结构一般为三层，即管理级、监控级（工程师站/操作站）和过程控制级，有三级网络连接各层相应的设备。

DCS因而具有三种类型的产品，即仪表型分散控制系统；以PLC为基础的分散控制系统；以PC总线为基础的分散控制系统。

DCS过程控制器与现场变送器的直接连接采用一对一的设备连接方式，需消耗大量的连接电缆且安装和维护费时费力。

DCS属于半数字系统,还需大量的AI/ AO、DI/DO和PI/ PO等中间模板来完成模拟量与数字量间的信息转换。

DCS系统的特点如下：1)集4C(Communication，Computer，Control，CRT)技术与一身；2)是从上到下的树状拓扑系统，其中通信是关键；3)PID功能在中继站中，中继站连接计算机、现场仪器仪表与控制装置；4)是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；5)与现场仪器仪表间使用模拟信号进行通信；6)成本高，各公司产品不能互换和互操作；7)常用于控制精度要求高的大规模连续过程控制。

2.2FCS的特点现场总线具有全分散、全数字化、智能、双向、多变量、多点多站、互操作的特点，它是用现场总线这一开放的、具有互操作性的网络将现场各个控制器和仪表设备互联，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维修费用。

FCS系统的特点如下：1)采用一对N的设备连接方式，成本低。

FCS属于纯数字系统，无需AI/AO、DI/DO和PI/PO等中间模板。

而且，用数字信号代替模拟信号传输，在一对双绞线或一条电缆上可挂接多个现场设备，节省硬件数量与投资。

节省安装费用，系统成本低。

2)能够将原先DCS系统中处于控制室的控制功能置入现场设备，使得控制过程直接在现场完成，即就地采集信息、就地处理、就地控制。

上位机主要对控制系统进行总体监督、协调、优化控制与管理，彻底实现了分散控制。

3)采用统一的协议标准，使得系统具有开放性和互操作性，不同厂家的现场设备可方便地接入同一网络中，且能够互相访问，简化了系统的集成。

4)通过数字化传输现场数据，FCS能获取现场设备的各种状态、诊断信息，实现实时的监控和管理。

系统组态十分方便灵活。

5)可以方便地应用于要求本征安全的危险工作区域和非常环境。

6)是互联的、开放的系统，用分散的虚拟控制站取代了DCS中的集中控制站。

通过局域网可以与Internet相通。

2.3工业以太网的特点工业以太网是基于IEEE-802.3(Ethernet)的强大的区域和单元网络。

工业以太网能够将控制系统与监视和信息管理系统集成起来，用于监控的PLC、工业计算机工作站以及商业计算机系统可以存取车间级的数据。

它广泛应用于生产和过程自动化。

这种信息网络作为一种灵活、方便、可靠的数据传输方式，在工业现场得到了越来越多的应用，并将在控制领域中占有更加重要的地位。

工业以太网的特点如下：1)应用广泛。

工业以太网是应用最为广泛的网络技术，几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发。

2)可持续发展潜力大。

工业以太网的引人将为控制系统的后续发展提供可能性，用户在技术升级方面无需独自的研究投人。

3)资源共享能力强。

随着互联网的发展，以太网已渗透到各个角落，网络上的用户已解除了资源地理位置上的束缚，在联入互联网的任何一台计算机上就能浏览工业控制现场的数据，实现"控管一体化"。

这是其他任何一种现场总线都无法比拟的。

4)通信速率高。

现在10、100 Mb/s的快速以太网已开始广泛应用，1Gb/s的以太网技术也逐渐成熟，而相比之下，传统的现场总线最高速率只有12Mb/s（如西门子Profibus-DP）。

显然，以太网的速率要比传统现场总线要快的多，完全可以满足工业控制网络不断增长的带宽要求。

3 三类控制系统的比较下面首先分析DCS、FCS与工业以太网在体系结构、设计、使用等方面的具体情况，再对其异同进行论述。

3.1DCS系统DCS系统的关键是通信,也可以说数据公路是DCS的脊柱。

由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络。

因此,数据公路自身的设计就决定了系统总体的灵活性和安全性。

数据公路的媒介可以是一对绞线、同轴电缆或光纤电缆。

通过数据公路的设计参数，基本上可以了解一个特定的DCS系统的相对优点与弱点，如系统能处理多少I/O信息；能处理多少与控制有关的控制回路的信息；能适应多少用户和装置；传输数据的完整性是怎样彻底检查的；数据公路的最大允许长度是多少；数据公路能支持多少支路等。

为了保证系统的安全性，使用了复杂的通信规约和检错技术。

所谓通信规约就是一组规则，用以保证所传输的数据被接收，并被理解成和发送的数据一样。

目前，在DCS系统中一般使用两类通信方式，同步或异步。

同步通信依靠一个时钟信号来调节数据的传输和接收，异步网络采用没有时钟的报告系统。

3.2FCS系统FCS系统的核心是总线协议，即总线标准。

一种类型的总线，只要其总线协议一经确定，相关的关键技术与有关的设备也就被确定。

由于各种原因，各类总线的总线协议存在很大的差异。

目前现场总线国际标准中的各类型总线，不论其市场占有率有多少，每个总线协议都有一套软件、硬件的支撑，要实现这些总线的相互兼容和互操作，现在仍然是不可能的。

FCS系统的基础是数字智能现场装置，它是FCS系统的硬件支撑。

FCS系统执行的是自动控制装置与现场装置之间的双向数字通信现场总线信号制。

如果现场装置不遵循统一的总线协议，或者不具备数字通信功能，就无法形成现场总线控制系统。

FCS系统的本质是信息处理现场化。

采用现场总线后，可以从线上得到更多的信息。

相比于DCS，FCS的总信息量是增加的。

但传输信息的线缆却大大减少。

这就要求一方面要大大提高线缆传输信息的能力，另一方面要让大量的信息在现场就完成处理过程。

现在一些现场总线的仪器仪表本身就装了许多功能块，实际建立FCS系统时，一个网络支路上有许多性能类同功能块的情况是很可能出现的。

这时，选用哪一个现场仪表上的功能块，是系统组态要解决的问题。

解决这个问题的原则是：尽量减少总线上的信息往返。

3.3工业以太网与FCS相比，工业以太网能提供一个开放的标准，使工业企业从现场控制到管理层实现全面的无缝的信息集成，它有效解决了由于协议上的不同导致的"自动化孤岛"问题。

嵌入式以太网是最近网络应用的热点，是通过Internet使所有连接网络的设备彼此互通。

在企业内部，可以利用企业信息网络，进行工厂实时运行数据的发布和显示，管理者通过Web浏览器对现场工况进行实时远程监控、远程设备调试和远程设备故障诊断和处理。

实现的最简单办法就是采用独立的以太网控制器，连接具有TCP/IP 界面的控制主机以及具有RS-232或RS-485接口的现场设备。

以太网控制器在这里扮演了通用计算机网络和各类现场设备之间的一个桥梁。

以太网在工业控制网络结构中有两种不同的应用，一类是把以太网用在复合型结构的通信网络中作为管理子网，传递生产管理信息；另一类是把以太网当作控制网络使用，即把所有的工作站直接挂在以太网上用来传递过程数据。

由于以太网采用CSMA/CD存取控制方法，并不满足实时性约束条件，故把以太网作为工业控制网使用时，需要在通信负荷比较轻的时候才能具有良好的实时性。

但是，采用CSMA/CD存取控制方式的网络接口远比令牌环及令牌总线的网络接口简单，容易实现，而且扩展性好，容易实现。

因此，尽管在通信负荷比较重时，CSMA/CD方法实时性将急剧恶化，人们还是创造环境，控制通信负荷，使得以太网能够作为工业控制局域网使用。

3.4三种控制系统的比较FCS可以减少大量现场接线，不同制造产商生产的装置间可以完全互操作，并增加现场一级的控制功能，系统集成大大简化，维护也十分方便。

这些优点都是DCS所不具备的。

在实际设计和使用过程中，由于DCS系统经过了长期的发展，其设计使用和组态都已经有了成熟的方案。

而作为FCS系统，上世纪90年代才开始出现，其开发初期的技术要求，诸如兼容开放、双向数字通信、数字智能现场装置、高速总线等，目前的实现情况还不理想。

可以说FCS系统仍然具有很大的发展空间，有望在未来成为工业控制网络的主流。

具体来说，首先DCS系统是个大系统，其控制器在整个系统中的作用十分重要，故整体投资需要一步到位，事后扩容难度较大。

而FCS实现信息处理现场化，数字智能现场装置广泛采用，使得FCS投资起点相对较低。

另外，DCS是封闭式系统，各公司产品基本不兼容。

而FCS是开放式系统，用户可以根据需要选择不同厂商的产品来组成系统。

其次，DCS使用模拟仪表，信号在现场仪表和控制器传递必须要经过A/D和D/A转换。

而FCS使用数字化仪表，免去了A/D和D/A过程，提高了集成性和精度。

另外，FCS由于信息处理现场化，与DCS相比可以省去相当数量的隔离器、端子柜、I/O终端及I/O柜，同样的，FCS 也可以减少大量电缆与铺设电缆的桥架等，同时也节省了设计、安装和维护费用。

工业以太网作为控制网来使用，首先需要考虑实时性问题，CSMA/CD存取控制方式在网络负荷较大时，网络传输的不确定性不能满足工业控制的要求，需要其他的机制来对实时性进行保证。

另外，它所用的接插件、集线器、交换机和电缆等是为办公室应用而设计的，不符合工业现场恶劣环境的要求，在工厂环境中，工业以太网的抗干扰性能较差。