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案例頻道一、引言
目前，在過程控制領域中，DCS系統已經得到了廣泛的應用，占據了主導地位。但是從自動控制系統的發展來看，采用總線技術的FCS系統必將最終取代DCS系統。
不過經長期的研究和實踐，DCS系統已建立了一套標準化、通用化和靈活化的成熟策略，為應用企業帶來了明顯地整體效益。相比較而言，FCS系統正處于探索應用階段，還未形成一種統一、標準的體系。因而，控制界普遍認為FCS系統完全替代DCS系統尚需經歷一段較長的過渡時期。同時，對于一些已經投入巨資建立有完善DCS系統的企業，舍棄前期投入，重新建立新型FCS系統是不現實的。因此，筆者認為，當前找到一種合理的方案，在充分利用原有DCS資源地基礎上，少量投入，采用改造的手段，來實現FCS系統功能的方式更具有實際意義。
二、DCS系統改造中存在的主要問題
1．直接向FCS系統改造經濟代價高
目前工業控制中大量的現場控制儀表為模擬儀表，不具備控制和通信功能，而現場總線控制系統FCS則要求現場儀表是自身帶有微處理器的數字式智能儀表。但徹底替換低層儀表進行，花費是驚人的，也是不現實的。當然，目前市場上也有各種各樣的智能節點轉換裝置，不過這些裝置為了適應各種不同的應用環境，一般都是集成有多路輸入和輸出的通用型結構。不但價格相對較高，而且使用時比較適用于現場測控點集中的地方，如果測控點距離較大時，還是需要很長的接線，體現不出總線的優勢。
2．FCS系統的功能模塊和組態控制功能還不完善
作為FCS系統的主體的現場測控節點，其組態功能模塊太少且不能執行快速復雜的算法。在石油、化工等行業則存在有很多的多變量控制要求，對這類多輸入、多輸出點的情形，FCS系統尚無良好的解決方法。然而，具有成熟策略的DCS則有上百種功能塊，具有方便、靈活、豐富的組態能力。故就目前情況而言，存在復雜控制要求的場合，FCS系統還暫時無法完全勝任。
3．各種形式的現場總線協議并存
在控制領域，當前存在著40多種現場總線，每一類總線都有自己的總線協議，在其特定領域內具有一定的優勢，但還沒有一種現場總線能覆蓋所有的應用范圍。而現在各異構網要真正做到互可操作和互用，并不是一件容易的事情。因此，FCS強調的開放性就受到了限制。
三、DCS系統向FCS系統過渡的改造設想
由以上分析不難看出，盡管FCS的先進性是無庸置疑的，然而指望短時間內在控制領域中完全替代DCS系統是不可能的。推廣FCS系統應因企業實際情況來定。具體在我國，新建企業可以優先考慮采用FCS；但對于一個已擁有了投入運行且行之有效的DCS系統的企業來說，是沒有必要投入大量資金去更新它的。企業可以通過技術改造和升級系統的做法，循序漸進地向FCS系統過渡。
過渡過程的具體改造做法可以是：利用現場總線將DCS系統的現場級徹底開放，實現總線控制的功能。然后，將一定區域的低層測控點作為原DCS系統的一個節點“掛接”到DCS系統中。充分利用DCS的豐富組態和完善的策略解決復雜的控制要求以及不同總線系統并存的難題，使FCS系統和DCS系統進行有機的結合。也就是說，在現場利用一些小型的測控轉換電路實現現場數據的采集和實時控制。然后通過一塊支持這些節點的現場協議轉換器，使FCS成為DCS的一個節點。讓DCS控制站負責進行各種復雜的運算、控制及建模。
在這一改造設想中，所采用的測控點轉換器電路有別于目前市面供應的現成的智能節點轉換裝置。本設計方案中的智能轉換電路是一個具有模塊結構的電路構形。采用一塊帶有某種總線通信接口的單片機最小系統板為核心，根據實際情況，設計不同類型的輸入輸出的電路模塊，然后根據現場測控點的布局的實際情況來決定使用哪種電路進行連接使用。同樣，將單片機系統程序也設計為模塊結構，根據不同的硬件結構裝入不同的程序塊。這種設計成本低，投入代價小，組合靈活。能夠真正做到從原DCS系統結構出發，分析系統特點，用靈活多變的轉換器去適應DCS系統原有的變送器、執行器等裝置，而不是通過改變低層儀表和設備來適應轉換裝置的方法來達到系統改造的目的。這種做法更有利于對原有DCS系統資源的運用。
同時，將FCS系統作為DCS系統的一個節點使用，這樣只要每個節點中的遵循同樣的總線協議，而不同的節點可以有著不同的總線協議。DCS系統可通過支持這些節點的現場網卡，有機地將這些節點構成一個大系統使用，因此實現了不同總線協議在同一系統中的使用了。
四、測控轉換器電路硬件的設計
本方案中測控轉換器電路設計分為4類模塊電路：CPU系統板、數據采集輸入板、控制輸出板和電源板。并可按需要外加單片機的顯示鍵盤電路。其中，輸入板還可分為模擬量輸入和數字量輸入兩種；同樣，輸出板也有模擬量和數字量之分。其結構如圖1所示。
本測控轉換器硬件電路設計的主要特點有：
1．可以根據實際需要的輸入、輸出以及輸入/出信號類型的不同，選擇不同的模塊電路與CPU系統板電路相連接，靈活組合成各類現場轉換器。
2．模擬量輸入模塊電路可根據工業生產過程中有關物理參數的檢測技術及特點設計，使之可以直接與現場變送器、傳感器連接。
3．根據原DCS系統的現場布局，合理設置輸入、輸出通道數量，并可方便地進行擴展。
4．只要保證在同一區域中使用相同的總線和總線協議，即作為DCS系統的一個節點采用一種總線，通過針對該總線系統的網卡“掛接”入原DCS系統。就可以實現在同一套DCS系統中出現多種不同總線結構的情況，以此解決不同總線并存使用的問題。
5．由于采用了總線控制技術，各控制回路尤其是簡單的、傳統的控制回路可通過總線直接實現控制，而不需要像原來的DCS系統那樣由上位機進行處理，不但可以作到真正的低層分散檢測和控制，而且控制速度也可得到大幅度的提高，提升了整個系統的可靠性。
五、測控轉換器的軟件設計
為了使得該測控電路具有更大的適應性和靈活度，將軟件的設計也模塊化。即將控制中所使用到的各類算法、I/O驅動程序等分別編寫成小的程序塊，在系統改造過程中，按實際情況靈活組合。例如：根據對不同采樣信號的要求分析，適應不同的傳感器，編寫具有針對性的子程序塊。然后，在硬件組合完成后，將適應該場合的子程序塊進行組合調試后，寫入單片機中。同理，根據不同的控制裝置編寫對應的子程序，和硬件組合后使用。
具體而言，軟件系統可分為兩個部分：一是控制函數庫，包含各類常用自動控制算法模塊，根據實際控制要求組態使用；二是初始化和I/O驅動程序，根據具體使用場合，配合硬件，完成通道檢測、中斷處理、I/O驅動，以及網絡通信等功能，如圖2所示。
六、結束語
本文作者的創新觀點是：提出了一種針對現今已經存在的DCS系統進行改造的方案，不同于目前常采用的方法之處，就在于本方案是以最大限度地適應原有的DCS系統為立足點的。走一條低投入、高適用性的改造路線。為已具備有DCS系統的企業向FCS系統過渡，提供一套切實可行的改造方案。
參考文獻：
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