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    羅  安（1946－）
男，研究員級(jí)高級(jí)工程師，享受國(guó)家政府特殊津貼專家。長(zhǎng)期從事自動(dòng)化控制系統(tǒng)的研究開發(fā)、工程應(yīng)用工作，現(xiàn)任北京和利時(shí)系統(tǒng)工程股份有限公司總工程師。

摘要：本文從控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)入手，分析了現(xiàn)場(chǎng)總線這一熱點(diǎn)技術(shù)對(duì)當(dāng)前控制系統(tǒng)的發(fā)展所帶來的影響，并從應(yīng)用角度提出了控制系統(tǒng)今后的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線（FB）；控制系統(tǒng)；現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）；網(wǎng)絡(luò)；通信協(xié)議

Abstract: This paper analyses how the Field Bus, a hotspot technology, affects the current progress of control systems by using its system architecture. The paper also forecasts the trends of control systems in application fields.

Key words: Field Bus (FB), Control Systems, Field bus Control Systems (FCS), Network, Communication Protocol

1 現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的通信將從模擬方式走向數(shù)字方式

    對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)來說，其前端的測(cè)量和后端的控制是最基礎(chǔ)的功能，執(zhí)行測(cè)量、控制功能的設(shè)備也是控制系統(tǒng)中最為重要、不可或缺的組成部分。完成測(cè)量功能的設(shè)備一般稱作傳感器和變送器，而完成控制功能的設(shè)備則稱為執(zhí)行器，這些設(shè)備又統(tǒng)稱為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，即直接與現(xiàn)場(chǎng)連接的設(shè)備，是控制系統(tǒng)與被控對(duì)象的接口。

    現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備要正常工作并完成系統(tǒng)賦予它的功能，必須要解決兩大問題，一是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備本身的供電問題（某些傳感器不需供電，如熱電偶），另一個(gè)是系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的信號(hào)傳輸問題。供電的問題比較好理解，任何設(shè)備要正常工作，就必須由供電電源為其提供所需的能量；而信號(hào)的傳輸問題則比較復(fù)雜。

    上面談到，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是控制系統(tǒng)與被控對(duì)象之間的接口，因此現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是一個(gè)“兩面”的設(shè)備：一方面，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備需要與被控對(duì)象實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸，另一方面，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備還要與系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)的傳輸。這是由于被控對(duì)象所產(chǎn)生的測(cè)量信號(hào)和施加于被控對(duì)象的控制信號(hào)大多不是規(guī)范的電信號(hào)（電流、電壓等），必須經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的轉(zhuǎn)換，使其成為便于控制系統(tǒng)處理的、統(tǒng)一規(guī)格的電信號(hào)。一般情況下，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都會(huì)安裝在現(xiàn)場(chǎng)，即被控對(duì)象一側(cè)，與測(cè)量控制元件形成了一個(gè)一體化的設(shè)備，而控制系統(tǒng)則安裝在集中控制室中。因此現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與被控對(duì)象之間的信號(hào)連接往往不認(rèn)為是傳輸問題，而只把現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制系統(tǒng)之間的信號(hào)連接看成是信號(hào)傳輸。

    在以常規(guī)儀表組成的模擬控制系統(tǒng)（一般指電動(dòng)單元組合儀表）中，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA電流來表示測(cè)量值，控制單元使用模擬技術(shù)進(jìn)行控制運(yùn)算并輸出用4-20mA電流表示的控制值，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備使用這個(gè)控制值實(shí)施控制；而在以計(jì)算機(jī)為控制器的數(shù)字式控制系統(tǒng)（如DCS、PLC等）中，系統(tǒng)首先要將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的4-20mA測(cè)量值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，即進(jìn)行數(shù)字化，經(jīng)過計(jì)算機(jī)的運(yùn)算后產(chǎn)生控制值，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換形成4-20mA的控制值，由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)施控制。

    習(xí)慣上，數(shù)字式控制系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換均被認(rèn)為是控制系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，因此無論是模擬控制系統(tǒng)還是數(shù)字控制系統(tǒng)，其與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信號(hào)傳輸均采用4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)?？梢哉f這是一個(gè)沿用了多年，并得到廣泛認(rèn)可、成熟可靠的信號(hào)傳輸標(biāo)準(zhǔn)。

    進(jìn)入新世紀(jì)以后，隨著信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)現(xiàn)場(chǎng)與控制系統(tǒng)之間的信號(hào)傳輸提出了更高的要求。原來以4-20mA標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的傳輸體系只能夠傳輸一個(gè)信號(hào)，或是測(cè)量值，或是控制值，除此而外沒有其它信息。但這個(gè)信號(hào)的質(zhì)量如何，例如是否因斷路或短路而使信號(hào)表現(xiàn)為最大值或最小值，或是否由于在信號(hào)傳輸過程中被干擾而與實(shí)際值產(chǎn)生了較大的偏差等，這些信息均無法體現(xiàn)。雖然4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)比0-10mA的標(biāo)準(zhǔn)在斷路或短路檢測(cè)方面有了很大的改進(jìn)，但其能力仍然是有限的。另外，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)除測(cè)量和控制值以外的信息傳輸，如現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備本身的診斷信息、被控對(duì)象的參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)信息等，4-20mA標(biāo)準(zhǔn)是完全無能為力的。隨著自動(dòng)化系統(tǒng)的控制功能不斷地完善和深入，控制系統(tǒng)越來越走向集成化，即除了基本的回路控制以外，還需要控制系統(tǒng)完成更加復(fù)雜的綜合控制和協(xié)調(diào)控制，系統(tǒng)從單一的設(shè)備控制發(fā)展到多設(shè)備、多工序的聯(lián)合控制。另外，控制系統(tǒng)也越來越多地與企業(yè)的生產(chǎn)調(diào)度、經(jīng)營(yíng)管理相結(jié)合，形成從底層控制到高層管理一體化的完整系統(tǒng)。在這樣的發(fā)展趨勢(shì)推動(dòng)下，模擬傳輸體系所固有的通信能力差的問題越來越突出，而以數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)通信替代模擬信號(hào)傳輸?shù)囊笠苍絹碓狡惹小?br />
    由于模擬信號(hào)傳輸體系的上述不足，數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)傳輸體系自然受到了極大的關(guān)注。數(shù)字傳輸?shù)淖畲筇攸c(diǎn)是可以攜帶巨大的信息量，其數(shù)量比模擬信號(hào)傳輸要大成百上千倍。而且，數(shù)字信號(hào)的傳輸可以施加有效的校驗(yàn)手段，以保證信號(hào)能夠無失真地進(jìn)行傳輸，因此有極強(qiáng)的抗干擾能力。在進(jìn)行信息集成方面，數(shù)字通信更是有著無可比擬的優(yōu)勢(shì)。

2 數(shù)字通信方式面臨的問題

    雖然數(shù)字信號(hào)傳輸體系比模擬信號(hào)傳輸體系有著巨大的優(yōu)勢(shì)，但要大規(guī)模應(yīng)用并取代模擬信號(hào)傳輸體系還要解決不少問題。

    首先，是信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性問題。對(duì)于模擬信號(hào)來說，由于采用了一個(gè)電流值來表示物理量的大小，而這個(gè)電流的瞬時(shí)值隨時(shí)可以測(cè)量，即使通過較長(zhǎng)的傳輸線，信號(hào)的延遲也僅僅是電子傳遞時(shí)間，因此可以認(rèn)為其對(duì)物理量的表達(dá)基本上是沒有延遲的。而數(shù)字信號(hào)則不同，由于數(shù)字信號(hào)是用一串0或1組成的“比特流”來表達(dá)物理量的值，因此要得到一個(gè)物理量，就必須將表達(dá)該物理量的所有比特完整地接收下來，然后才能夠得到物理量的值。顯然，這個(gè)過程是需要時(shí)間的，其長(zhǎng)短與傳輸線路的“比特率”有關(guān)，同時(shí)還與在同一條線路上傳輸?shù)男盘?hào)數(shù)量有關(guān)。這樣，在數(shù)字信號(hào)傳輸體系中，我們就必須評(píng)估信號(hào)傳輸?shù)难舆t是否在保證控制質(zhì)量所允許的范圍之內(nèi)，這就是我們經(jīng)常談?wù)摰?ldquo;實(shí)時(shí)性”問題。

    第二，是要解決數(shù)字傳輸?shù)某杀締栴}。對(duì)于模擬信號(hào)來說，其接口電路十分簡(jiǎn)單，甚至可以直接使用模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)運(yùn)算、顯示等單元。而數(shù)字信號(hào)則需要比較復(fù)雜的接口電路，同時(shí)還需要用軟件對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，因此在數(shù)字傳輸線路的兩端均需要配備能夠執(zhí)行軟件的微處理器。當(dāng)然通過在同一條傳輸線路上傳送多個(gè)物理量的方法可以將傳輸成本均攤，達(dá)到降低每個(gè)信號(hào)傳輸費(fèi)用的目的，但這又要犧牲實(shí)時(shí)性，因此需要進(jìn)行權(quán)衡。

    第三，是要解決數(shù)字傳輸?shù)目煽啃詥栴}。從原理上講，數(shù)字傳輸因?yàn)榭梢圆扇《喾N校驗(yàn)措施，因此可以保證信號(hào)在傳輸過程中不失真。但因?yàn)閿?shù)字傳輸是基于比特流的，先后傳輸?shù)母鱾€(gè)比特之間的關(guān)聯(lián)性極強(qiáng)，任何一個(gè)比特的錯(cuò)碼均可導(dǎo)致一次傳輸?shù)氖?，而這樣的傳輸失敗往往又影響到后面的傳輸。一旦出現(xiàn)這種情況，控制系統(tǒng)將不能夠在要求的時(shí)間內(nèi)得到信息或發(fā)出信息，嚴(yán)重時(shí)將使系統(tǒng)失效。另外，為了充分利用數(shù)字傳輸?shù)娜萘?，除測(cè)量控制信號(hào)外，在同一線路上還經(jīng)常傳輸其它信息，如設(shè)備診斷信息、設(shè)備參數(shù)信息、設(shè)備狀態(tài)信息等。如果軟件處理得不好，這些信息就會(huì)對(duì)測(cè)量和控制信號(hào)造成干擾，至少會(huì)影響測(cè)量控制信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

    總之，模擬信號(hào)傳輸體系是一種一對(duì)一的單一參數(shù)傳輸體系，其實(shí)時(shí)性有確切保證，在傳輸線受到破壞時(shí)影響面小，但基本上不具備信息集成能力；而數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)通信體系則是一種一對(duì)多的、多參數(shù)傳輸體系，因此有極強(qiáng)的信息集成能力，但在傳輸線受到破壞時(shí)對(duì)系統(tǒng)的影響面大，同時(shí)還要綜合考慮傳輸系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和成本因素。

3 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS

    目前在自動(dòng)化界，最為熱點(diǎn)的技術(shù)當(dāng)屬現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，其根本點(diǎn)是將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制系統(tǒng)之間的信號(hào)傳輸由模擬傳輸體系改變?yōu)閿?shù)字網(wǎng)絡(luò)通信體系。而這個(gè)在信號(hào)傳輸體制方面的變化，造成了控制系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)方面發(fā)生了一些根本性的改變，因此出現(xiàn)了“現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)”（Field bus Control System - FCS）這樣一個(gè)全新的系統(tǒng)概念和形態(tài)。

    如前所述，DCS是一種有幾十年發(fā)展歷史的、非常成熟可靠的控制系統(tǒng)。它是在集中式數(shù)字控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上演進(jìn)而來的，DCS將所有要進(jìn)行控制的回路分成若干組，每組由一個(gè)控制器進(jìn)行控制，同時(shí)通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)控制器連接起來，并與人機(jī)界面、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和高層控制管理服務(wù)器等計(jì)算機(jī)相連接，成為一個(gè)完整的系統(tǒng)。DCS具備數(shù)字控制的優(yōu)勢(shì)，又對(duì)控制進(jìn)行了適度的分散以降低某臺(tái)控制器失效帶來的風(fēng)險(xiǎn)。與模擬方式的單元組合儀表控制系統(tǒng)相比，DCS實(shí)現(xiàn)了數(shù)字控制，并對(duì)控制回路進(jìn)行了適度的集中以提高控制功能；與集中式數(shù)字控制系統(tǒng)相比，DCS對(duì)控制回路進(jìn)行了適度的分散以降低失效風(fēng)險(xiǎn)，這就形成了DCS獨(dú)有的體系結(jié)構(gòu)。

    控制器是DCS實(shí)現(xiàn)控制的核心，它由一個(gè)主處理單元、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、與上層計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口以及相應(yīng)的軟件系統(tǒng)組成?？刂破魍ㄟ^A/D得到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量信號(hào)，經(jīng)過控制計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果通過D/A送給現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行控制。同時(shí)，控制器還通過網(wǎng)絡(luò)接口將與人機(jī)界面、高層管理與計(jì)算相關(guān)的信息送往相應(yīng)的計(jì)算機(jī)。如果控制器之間需要交換信息，例如需要得到其它控制器的信號(hào)或?qū)⑿盘?hào)送往其它控制器，也將通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信傳遞。

    根據(jù)FCS的設(shè)計(jì)理念，F(xiàn)CS是一種既實(shí)現(xiàn)了數(shù)字控制，又具有類似單元組合儀表體系結(jié)構(gòu)（即每個(gè)控制回路一個(gè)控制單元）的系統(tǒng)。

    下面我們可以大致分析一下FCS的體系結(jié)構(gòu)：為了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制系統(tǒng)的數(shù)字通信，各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都必須具有能夠?qū)⒛M信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的A/D或D/A轉(zhuǎn)換器、同時(shí)還需要有能夠?qū)?shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理的嵌入式微控制器、當(dāng)然還需要具備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)總線通信的網(wǎng)絡(luò)接口以及相應(yīng)的處理軟件。這些配置已完全滿足了形成一個(gè)單個(gè)回路控制所需要的各種條件，因此很自然地形成了FCS體系結(jié)構(gòu)。

    從控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)來看，單元式組合儀表以單回路控制為基礎(chǔ)，集中式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)將所有控制回路集中處理，DCS將控制進(jìn)行了適度的分散，由若干控制器分擔(dān)所有回路的控制，而FCS則又回到了單回路控制的體系結(jié)構(gòu)。這看上去是走了一個(gè)循環(huán)，F(xiàn)CS又回到了儀表控制的原點(diǎn)，但這里有著一個(gè)最本質(zhì)的區(qū)別，就是FCS已不是基于模擬控制技術(shù)，而是發(fā)展為數(shù)字控制技術(shù)，是在完全新一代技術(shù)基礎(chǔ)上的體系結(jié)構(gòu)的回歸。

    應(yīng)該說，F(xiàn)CS既有儀表控制系統(tǒng)將危險(xiǎn)性高度分散的優(yōu)點(diǎn)，又具有數(shù)字控制系統(tǒng)控制精度高、一致性好、有強(qiáng)大通信能力的優(yōu)勢(shì)，是今后的發(fā)展趨勢(shì)。但FCS目前面臨的最大問題，是網(wǎng)絡(luò)通信的問題。這正如數(shù)字技術(shù)取代模擬技術(shù)時(shí)，所遇到的最大問題是軟件的問題一樣。當(dāng)年人們都看到了數(shù)字技術(shù)具有模擬技術(shù)無法比擬的強(qiáng)大功能，因此都一致認(rèn)同數(shù)字技術(shù)必將取代模擬技術(shù)，但人們還是花了很多時(shí)間和精力去解決軟件的正確性、快速性、穩(wěn)定性等問題，直到這些問題都解決了，才真正進(jìn)入了數(shù)字控制時(shí)代。

    按照FCS的體系結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)將不再有集中或相對(duì)集中的控制器，其功能將嵌入到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之中?？刂葡到y(tǒng)的主控制室端將只包括人機(jī)界面工作站、全局實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、高層控制計(jì)算機(jī)、生產(chǎn)管理計(jì)算機(jī)等設(shè)備?，F(xiàn)場(chǎng)與主控制室之間將通過現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)通信。在這里，現(xiàn)場(chǎng)總線承擔(dān)著雙重的通信任務(wù)。其一是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的控制，嵌入式控制器必須通過現(xiàn)場(chǎng)總線獲取被控對(duì)象的實(shí)時(shí)信息，或通過現(xiàn)場(chǎng)總線向被控對(duì)象發(fā)出控制命令。其二，現(xiàn)場(chǎng)的嵌入式控制器需要通過現(xiàn)場(chǎng)總線將被控對(duì)象的測(cè)量值、設(shè)備參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)、診斷信息、控制量等一系列數(shù)據(jù)送到主控制室；而主控制室也要通過現(xiàn)場(chǎng)總線將控制設(shè)定值、人工干預(yù)控制命令、包括對(duì)控制器的組態(tài)數(shù)據(jù)等信息送到現(xiàn)場(chǎng)嵌入式控制器。從這里我們可以看出，現(xiàn)場(chǎng)總線承擔(dān)了繁重而復(fù)雜的通信任務(wù)。而如果有多個(gè)嵌入式控制器共用同一條現(xiàn)場(chǎng)總線，則通信任務(wù)將更加繁重。由于控制系統(tǒng)的幾乎所有功能都依賴現(xiàn)場(chǎng)總線的通信實(shí)現(xiàn)，因此通信的可靠性、實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性成為控制系統(tǒng)的核心問題。影響以上通信性能的因素，既有現(xiàn)場(chǎng)總線硬件性能，如通信速率、誤碼率、抗干擾能力等指標(biāo)，也包括現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)約設(shè)計(jì)的合理性、有效性、時(shí)序邏輯的正確性等指標(biāo)。

    當(dāng)前，國(guó)際上各個(gè)自動(dòng)化公司都在現(xiàn)場(chǎng)總線方面投入了巨大的資源進(jìn)行研究與開發(fā)，因?yàn)檫@是進(jìn)入下一代控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，誰(shuí)能夠?yàn)榻鉀Q現(xiàn)場(chǎng)總線目前存在的問題拿出完整有效的解決方案，誰(shuí)就占據(jù)了市場(chǎng)的先機(jī)。另外，下一代控制系統(tǒng)要真正形成巨大的市場(chǎng)，除技術(shù)上要走向成熟之外，還要有一個(gè)能夠得到廣泛認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語(yǔ)

    正如電子技術(shù)是單元式組合儀表控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，軟件技術(shù)是數(shù)字化控制系統(tǒng)如DCS、PLC等的關(guān)鍵技術(shù)一樣，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將是FCS的關(guān)鍵技術(shù)。可以說，一套簡(jiǎn)潔明了、高效可靠、標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)約將是FCS能否真正成為下一代控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。