現場總線與現場總線控制系統
http://www.debgrams.com 2009-01-12 16:15 來源：自動化博覽
編者語： 正如電子技術是單元式組合儀表控制系統的關鍵技術，軟件技術是數字化控制系統如DCS、PLC等的關鍵技術一樣，網絡技術將是FCS的關鍵技術。可以說，一套簡潔明了、高效可靠、標準化的網絡通信規約將是FCS能否真正成為下一代控制系統的關鍵。
1 現場信號的通信將從模擬方式走向數字方式
對于一個控制系統來說，其前端的測量和后端的控制是最基礎的功能，執行測量、控制功能的設備也是控制系統中最為重要、不可或缺的組成部分。完成測量功能的設備一般稱作傳感器和變送器，而完成控制功能的設備則稱為執行器，這些設備又統稱為現場設備，即直接與現場連接的設備，是控制系統與被控對象的接口。
現場設備要正常工作并完成系統賦予它的功能，必須要解決兩大問題，一是現場設備本身的供電問題（某些傳感器不需供電，如熱電偶），另一個是系統與現場設備之間的信號傳輸問題。供電的問題比較好理解，任何設備要正常工作，就必須由供電電源為其提供所需的能量；而信號的傳輸問題則比較復雜。
上面談到，現場設備是控制系統與被控對象之間的接口，因此現場設備是一個“兩面”的設備：一方面，現場設備需要與被控對象實現信號的傳輸，另一方面，現場設備還要與系統進行信號的傳輸。這是由于被控對象所產生的測量信號和施加于被控對象的控制信號大多不是規范的電信號（電流、電壓等），必須經過現場設備的轉換，使其成為便于控制系統處理的、統一規格的電信號。一般情況下，現場設備都會安裝在現場，即被控對象一側，與測量控制元件形成了一個一體化的設備，而控制系統則安裝在集中控制室中。因此現場設備與被控對象之間的信號連接往往不認為是傳輸問題，而只把現場設備與控制系統之間的信號連接看成是信號傳輸。
在以常規儀表組成的模擬控制系統（一般指電動單元組合儀表）中，現場設備通過標準的4-20mA電流來表示測量值，控制單元使用模擬技術進行控制運算并輸出用4-20mA電流表示的控制值，現場設備使用這個控制值實施控制；而在以計算機為控制器的數字式控制系統（如DCS、PLC等）中，系統首先要將現場設備的4-20mA測量值進行A/D轉換，即進行數字化，經過計算機的運算后產生控制值，再經過D/A轉換形成4-20mA的控制值，由現場設備實施控制。
習慣上，數字式控制系統中的A/D轉換和D/A轉換均被認為是控制系統的一個組成部分，因此無論是模擬控制系統還是數字控制系統，其與現場設備的信號傳輸均采用4-20mA的標準模擬信號。可以說這是一個沿用了多年，并得到廣泛認可、成熟可靠的信號傳輸標準。
進入新世紀以后，隨著信息技術和網絡技術的快速發展，人們對現場與控制系統之間的信號傳輸提出了更高的要求。原來以4-20mA標準為基礎的傳輸體系只能夠傳輸一個信號，或是測量值，或是控制值，除此而外沒有其它信息。但這個信號的質量如何，例如是否因斷路或短路而使信號表現為最大值或最小值，或是否由于在信號傳輸過程中被干擾而與實際值產生了較大的偏差等，這些信息均無法體現。雖然4-20mA的標準比0-10mA的標準在斷路或短路檢測方面有了很大的改進，但其能力仍然是有限的。另外，對于現場除測量和控制值以外的信息傳輸，如現場設備本身的診斷信息、被控對象的參數和運行狀態信息等，4-20mA標準是完全無能為力的。隨著自動化系統的控制功能不斷地完善和深入，控制系統越來越走向集成化，即除了基本的回路控制以外，還需要控制系統完成更加復雜的綜合控制和協調控制，系統從單一的設備控制發展到多設備、多工序的聯合控制。另外，控制系統也越來越多地與企業的生產調度、經營管理相結合，形成從底層控制到高層管理一體化的完整系統。在這樣的發展趨勢推動下，模擬傳輸體系所固有的通信能力差的問題越來越突出，而以數字化的網絡通信替代模擬信號傳輸的要求也越來越迫切。
由于模擬信號傳輸體系的上述不足，數字化的網絡傳輸體系自然受到了極大的關注。數字傳輸的最大特點是可以攜帶巨大的信息量，其數量比模擬信號傳輸要大成百上千倍。而且，數字信號的傳輸可以施加有效的校驗手段，以保證信號能夠無失真地進行傳輸，因此有極強的抗干擾能力。在進行信息集成方面，數字通信更是有著無可比擬的優勢。
2 數字通信方式面臨的問題
雖然數字信號傳輸體系比模擬信號傳輸體系有著巨大的優勢，但要大規模應用并取代模擬信號傳輸體系還要解決不少問題。
首先，是信號傳輸的實時性問題。對于模擬信號來說，由于采用了一個電流值來表示物理量的大小，而這個電流的瞬時值隨時可以測量，即使通過較長的傳輸線，信號的延遲也僅僅是電子傳遞時間，因此可以認為其對物理量的表達基本上是沒有延遲的。而數字信號則不同，由于數字信號是用一串0或1組成的“比特流”來表達物理量的值，因此要得到一個物理量，就必須將表達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，這個過程是需要時間的，其長短與傳輸線路的“比特率”有關，同時還與在同一條線路上傳輸的信號數量有關。這樣，在數字信號傳輸體系中，我們就必須評估信號傳輸的延遲是否在保證控制質量所允許的范圍之內，這就是我們經常談論的“實時性”問題。
第二，是要解決數字傳輸的成本問題。對于模擬信號來說，其接口電路十分簡單，甚至可以直接使用模擬信號驅動運算、顯示等單元。而數字信號則需要比較復雜的接口電路，同時還需要用軟件對數字信號進行處理，因此在數字傳輸線路的兩端均需要配備能夠執行軟件的微處理器。當然通過在同一條傳輸線路上傳送多個物理量的方法可以將傳輸成本均攤，達到降低每個信號傳輸費用的目的，但這又要犧牲實時性，因此需要進行權衡。
第三，是要解決數字傳輸的可靠性問題。從原理上講，數字傳輸因為可以采取多種校驗措施，因此可以保證信號在傳輸過程中不失真。但因為數字傳輸是基于比特流的，先后傳輸的各個比特之間的關聯性極強，任何一個比特的錯碼均可導致一次傳輸的失敗，而這樣的傳輸失敗往往又影響到后面的傳輸。一旦出現這種情況，控制系統將不能夠在要求的時間內得到信息或發出信息，嚴重時將使系統失效。另外，為了充分利用數字傳輸的容量，除測量控制信號外，在同一線路上還經常傳輸其它信息，如設備診斷信息、設備參數信息、設備狀態信息等。如果軟件處理得不好，這些信息就會對測量和控制信號造成干擾，至少會影響測量控制信號傳輸的實時性。
[page_break]
總之，模擬信號傳輸體系是一種一對一的單一參數傳輸體系，其實時性有確切保證，在傳輸線受到破壞時影響面小，但基本上不具備信息集成能力；而數字化的網絡通信體系則是一種一對多的、多參數傳輸體系，因此有極強的信息集成能力，但在傳輸線受到破壞時對系統的影響面大，同時還要綜合考慮傳輸系統的實時性和成本因素。
3 現場總線控制系統FCS
目前在自動化界，最為熱點的技術當屬現場總線技術，其根本點是將現場設備與控制系統之間的信號傳輸由模擬傳輸體系改變為數字網絡通信體系。而這個在信號傳輸體制方面的變化，造成了控制系統在體系結構方面發生了一些根本性的改變，因此出現了“現場總線控制系統”（Field bus Control System - FCS）這樣一個全新的系統概念和形態。
如前所述，DCS是一種有幾十年發展歷史的、非常成熟可靠的控制系統。它是在集中式數字控制系統的基礎上演進而來的，DCS將所有要進行控制的回路分成若干組，每組由一個控制器進行控制，同時通過系統網絡將各個控制器連接起來，并與人機界面、數據庫服務器和高層控制管理服務器等計算機相連接，成為一個完整的系統。DCS具備數字控制的優勢，又對控制進行了適度的分散以降低某臺控制器失效帶來的風險。與模擬方式的單元組合儀表控制系統相比，DCS實現了數字控制，并對控制回路進行了適度的集中以提高控制功能；與集中式數字控制系統相比，DCS對控制回路進行了適度的分散以降低失效風險，這就形成了DCS獨有的體系結構。
控制器是DCS實現控制的核心，它由一個主處理單元、A/D和D/A轉換器、與上層計算機的網絡接口以及相應的軟件系統組成。控制器通過A/D得到現場測量信號，經過控制計算，將計算結果通過D/A送給現場執行控制。同時，控制器還通過網絡接口將與人機界面、高層管理與計算相關的信息送往相應的計算機。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或將信號送往其它控制器，也將通過網絡進行通信傳遞。
根據FCS的設計理念，FCS是一種既實現了數字控制，又具有類似單元組合儀表體系結構（即每個控制回路一個控制單元）的系統。
下面我們可以大致分析一下FCS的體系結構：為了實現現場設備與控制系統的數字通信，各個現場設備都必須具有能夠將模擬信號轉換成數字信號的A/D或D/A轉換器、同時還需要有能夠對數字信號進行運算處理的嵌入式微控制器、當然還需要具備進行現場總線通信的網絡接口以及相應的處理軟件。這些配置已完全滿足了形成一個單個回路控制所需要的各種條件，因此很自然地形成了FCS體系結構。
從控制系統的體系結構來看，單元式組合儀表以單回路控制為基礎，集中式計算機控制系統將所有控制回路集中處理，DCS將控制進行了適度的分散，由若干控制器分擔所有回路的控制，而FCS則又回到了單回路控制的體系結構。這看上去是走了一個循環，FCS又回到了儀表控制的原點，但這里有著一個最本質的區別，就是FCS已不是基于模擬控制技術，而是發展為數字控制技術，是在完全新一代技術基礎上的體系結構的回歸。
應該說，FCS既有儀表控制系統將危險性高度分散的優點，又具有數字控制系統控制精度高、一致性好、有強大通信能力的優勢，是今后的發展趨勢。但FCS目前面臨的最大問題，是網絡通信的問題。這正如數字技術取代模擬技術時，所遇到的最大問題是軟件的問題一樣。當年人們都看到了數字技術具有模擬技術無法比擬的強大功能，因此都一致認同數字技術必將取代模擬技術，但人們還是花了很多時間和精力去解決軟件的正確性、快速性、穩定性等問題，直到這些問題都解決了，才真正進入了數字控制時代。
按照FCS的體系結構，控制系統將不再有集中或相對集中的控制器，其功能將嵌入到現場設備之中。控制系統的主控制室端將只包括人機界面工作站、全局實時數據庫服務器、高層控制計算機、生產管理計算機等設備。現場與主控制室之間將通過現場總線實現通信。在這里，現場總線承擔著雙重的通信任務。其一是為了實現對現場的控制，嵌入式控制器必須通過現場總線獲取被控對象的實時信息，或通過現場總線向被控對象發出控制命令。其二，現場的嵌入式控制器需要通過現場總線將被控對象的測量值、設備參數、運行狀態、診斷信息、控制量等一系列數據送到主控制室；而主控制室也要通過現場總線將控制設定值、人工干預控制命令、包括對控制器的組態數據等信息送到現場嵌入式控制器。從這里我們可以看出，現場總線承擔了繁重而復雜的通信任務。而如果有多個嵌入式控制器共用同一條現場總線，則通信任務將更加繁重。由于控制系統的幾乎所有功能都依賴現場總線的通信實現，因此通信的可靠性、實時性、穩定性成為控制系統的核心問題。影響以上通信性能的因素，既有現場總線硬件性能，如通信速率、誤碼率、抗干擾能力等指標，也包括現場總線網絡通信規約設計的合理性、有效性、時序邏輯的正確性等指標。
當前，國際上各個自動化公司都在現場總線方面投入了巨大的資源進行研究與開發，因為這是進入下一代控制系統的關鍵技術，誰能夠為解決現場總線目前存在的問題拿出完整有效的解決方案，誰就占據了市場的先機。另外，下一代控制系統要真正形成巨大的市場，除技術上要走向成熟之外，還要有一個能夠得到廣泛認可的標準。
作者：羅 安（1946－）男，研究員級高級工程師，享受國家政府特殊津貼專家。長期從事自動化控制系統的研究開發、工程應用工作，現任北京和利時系統工程股份有限公司總工程師。
編輯精選
