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浅谈DCS集散控制系统产品开发

作者：佚名文章来源：不详点击数：更新时间：2008-9-24 17:33:02

开放性，不同厂家的产品不能互换、互联，限制了用户的选择范围。利用现场总线技术，开发FCS系统的目标是针对现存的DCS的某些不足，改进控制系统的结构，提高其性能和通用性。

FCS想要在实际中取代DCS，既要具备DCS所具有的功能，又要能克服DCS的缺点。FCS由于采用了现场总线技术，在开放性、控制分散等方面优于传统DCS。但是由于它是一种新技术，目前连标准本身都还没有制定统一，因此FCS与成熟的DCS相比，还存在下列的一些欠缺。

（1）由于现场总线标准本身尚在发展中，从而给产品的开发和测试带来难度。这在一定程度上造成产品开发商、生产商少，产品品种单一而且价格昂贵。

（2）在某些场合中，FCS还无法提供DCS已有的控制功能。由于软硬件水平的限制，其功能块的功能还不是很强，品种也不够齐全；用现场仪表还只能组成一般的控制回路如单回路、串级、比例控制等，对于复杂的、先进的控制算法还无法在仪表中实现，对于单回路内有多输入、多输出的情况缺乏好的解决方案。

（3）目前FCS成功的应用实例不多，难以评估实际应用效果。

由于以上这些原因，FCS取代DCS将是一个逐渐的过程。在这一过程中，会出现一些过渡型的系统结构，如在DCS中以FCS取代DCS中的某些子系统。用户将现场总线设备连接到独立的现场总线网络服务器，服务器配有DCS中连接操作站的上层网络接口，与操作站直接通信。在DCS的软件系统中可增添相应的通信与管理软件。这样不需要对原有控制系统作结构上的重大变动。

（4）当前，各种形式的现场总线协议并存于控制领域。在楼宇自控领域，Lonworks和CAN网络具有一定的优势；在过程自动化领域，主要有过渡型的HART协议、得到广泛支持的FF现场总线协议以及同样较有竞争力的PROFIBUS协议。HART协议将是目前几年内智能化仪表的主要通信协议；基金会现场总线是过程自动化领域中较有前途的一种现场总线，得到许多自动化仪表设备厂商的支持；由于Lonworks技术的开放性，国内出现了利用它开发控制系统的许多开发商。考虑到统一的开放式现场总线协议标准制定的长期性和艰巨性，传统DCS的退出将是一个渐进过程。在一段时期内，会出现几种现场总线共存、同一生产现场有几种异构网络互连通讯的局面。但是，发展共同遵从的统一的标准规范，真正形成开放式互连系统，是大势所趋。

6．DCS的硬件系统及其发展方向

关于硬件系统，我们还没有更深入的讨论。不过，DCS或者是今后的FCS硬件肯定会大量采用单片嵌入式软硬件系统。这是因为：

1. 无论是DCS的智能模件还是今后FCS的现场模块，必须具备自我诊断、数据交换等功能；
2. 由于DCS和今后的FCS都会将控制、采集任务下达给远端绝大部分的模件或模块，以让其分散系统任务，故该类模件或模块必须具备状态或数据采集、或者进行PID控制。因此，它不能缺少MCU；
3. 由于通讯功能的增强，有必要加强通讯协议的认可、总线设备地址的辨识、误码的智能判断及相应错误的纠正等。

所谓单片嵌入式软硬件系统是指具备可安装与PCB（印制板）还仪器、仪表、专业模块设备内的计算机系统。它并不包括我们常说的PC计算机。

6．1采用单片微处理器的嵌入式软硬件系统

这种系统即是我们常说的单片计算机系统。它往往采用一片单片机加外围芯片构成。主要有AD、DA、DI、DO芯片作为与外部设备交换传统的模拟量信号和开关量信号。并增加与外部的通讯接口电路、完成所谓的RS485物理接口并配合通讯协议在控制总线或现场总线上与主计算机或其他设备交换数据。

由于传统的单片机功能有限，往往还加入了大量的逻辑处理单元和大容量存储器。例如：采用PAL 、GAL、CPLD等。也有采用FPGA以完成逻辑、译码、存储、通讯控制和特殊布尔计算。

必须指出，单片计算机计术仍然在不断发展。很多单片机采用RISC精简指令集和CPLD、FPGA或者是DSP技术，可以片内带FLASH MEMORY，并有JTAG接口，可以在线完成程序擦除、下载、调试等工作。工业控制领域以16BIT单片机为主，逐步采用32BIT甚至64BIT单片机，而应用于通讯领域中以8BIT单片机为多。据《电子工程专辑》报道：由于因特网的接入需求为8位MCU带来新的活力。这表现在8位单片机供应商纷纷采取措施推出增强因特网接入功能的新型8位MCU，这给本来由于常规8位单片机极高的市场需求又注入新的活力。市场预计从2000年的90亿美元增加到2004年的160亿美元。而16位、32位MCU加起来还不到8位MCU的一半。完全打破某些专家和公司预计的16位MCU将在短时间内替代8位MCU。他们的依据8位MCU是没有能力实现与因特网连接。然而，这些预言是错误的。基于8位MCU的低价格性和软件嵌入式操作系统的支持，加上单片机上集成硬件的TCP/IP控制协处理器。这比采用16位甚至32位MCU要可靠、经济。如果说世界各大厂商在采用8位MCU完成通讯功能、而你却想用16位MCU，这除非是你的产品成本比别人低得多，否则无法与别人竞争。

单片机系统配备TCP/IP通讯协议完成以太网接口是目前单片机的热点。国外甚至推出可以发E_mail、上Web浏览的单片机系统。因此，上网冲浪不再是PC 计算机的专利。只有充分享受网上资源的一切设备才是人们所追求的目标。这种技术的大量使用，无疑给未来的工业以太网探明道路。

6．2采用DSP数字处理器的嵌入式软硬件系统

DSP数字处理器是近来发展起来的新技术。它实际上也是单片计算机。一般的单片机内部总线采用程序区和存储器区共用的冯－诺依曼结构。程序按步进行，必须完成取指、运算、执行才能完成一个指令。而DSP采用哈佛结构，程序区和存储器区完全分开，取指、运算可以完全分开，即在运算阶段时可以进行取下一条指令操作。故可以高速、并行工作。由于集成大量的存储器和布尔处理器、复杂逻辑阵列及特殊算法功能块，可以高速处理大量数据甚至轻而易举地完成模糊控制或自适应控制等，是未来嵌入式系统的发展方向。

TMS320系列DSP是美国德州公司的产品。因其内部可以并行运行多个程序故可以处理更复杂的问题，相应程序执行速度得以大大提高。由于硬件回路功能较强，甚至AD、DA转换器也可以直接选择DSP某些接口来构成。

对于需要更快的处理速度（与纯硬件执行速度相当）某些设计完全可以由FPGA组成硬件，而采用VHDL设计语言来满足系统要求。则其执行方式完全并行工作，执行指令也完全与常规的us/步不同，因为它不是按每个功能需要多少个执行周期来完成，而是每个功能由多少个“硬件”构成，它总共延时多少ns。这个“硬件”是由软件来描述，而完成功能确实内部的硬件进行。可以说，它如同一个半导体厂定制的ASIC电路。内部功能由专用硬件构成（不过是看不见硬件），而生成的硬件却是由软件进行描述而生成的。
未来的DSP最终会向FPGA过渡。

6．3 DCS模件向FCS模块的演变

常规的DCS是由若干个机柜中安装各种模件或者是板卡所构成。它们相对集中并且通过内部的通讯、控制总线与各个模件相连接。由于DCS已经发展很久，但其总体结构变化不大。不过，这种结构已经明显显示出不足：

a．由于各板卡集中于几个机柜中，各自的通讯联络采用专用的协议，故属于封闭式，无法直接与第三方设备交换数据，必须进行相互接口、通讯协议转换。开放性较差；
b. 所有的模件接口采用传统的DI、DO、AI、AO，需要大量的电缆与现场设备相连接。直接导致安装复杂、成本居高不下，故障点增多；
c. 模件抗干扰能力、防静电能力差。

而FCS模块强调可以现场安装，高可靠性和恶劣的环境下高防护等级可以直接安装于现场。而相互连接可以通过冗余的通讯电缆连接，所有连接在通讯总线上的设备可以共享信息，最终实现控制功能下移至现场层。

7．结束语：

综上所述，DCS系统最终向FCS系统发展，我们究竟是使用别人的产品或是自己开发，是开发DCS还是FCS这要根据我们自身的实力和情况定。根据技术的发展方向和市场的需求，我认为：如果需要开发DCS产品应该顺应技术的发展方向和市场的需求进行。换句话说，应该结合目前现有品牌DCS并有所扩展－带FCS的模块以逐步向FCS系统过渡即寻找开发的捷径。

根据世界上成功合作例子，有许多厂商之间相互合作，例如美国GE公司与香港Fanuc组成GE FANUC品牌的90XX系列PLC。他们不再是简单的OEM组装，而是进入了较高层次的再开发，在亚州市场上取得了巨大成功。我们能否也借鉴此类方式合作。而不要采用成套购入别人硬件OEM简单的生产方式，共同投入技术，维护、发展产品。这样的合作方式当然取决与对方是否愿意。例如，征得ABB的同意，共同推出适合电站系统的INFI－DF DCS系统，并部分采用自己的硬件和软件系统，获得商标、硬件、软件的使用权，可以在初期按技术合作入股、提成等方式，在东汽生产模件并投入物力、人力开发与FCS相适应的现场总线模块扩展DCS应用范围。

如果此类方式遭到断然拒绝，那我们只有独立开发自己的DCS系统了

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