FCS系統

美國陸軍的未來戰鬥系統（Future Combat Systems—FCS),是由眾多系統組成的跨軍兵種聯網系統。在這個巨大的系統中，包含有18個獨立的子系統。在這18個獨立的子系統中包括大量無人單位。
FCS:現場匯流排控制系統（Fieldbus Control System)
計算機和網路技術的飛速發展，引起了自動化控制系統結構的變革，一種世界上最新型的控制系統即現場匯流排控制系統（Fieldbus Control System，FCS）在上世紀九十年代走向實用化，並正以迅猛的勢頭快速發展。現場匯流排控制系統是目前自動化技術中的一個熱點，正越來越受到國內外自動化設備製造商與用戶的關注。現場匯流排控制系統的出現，將給自動化領域在過程控制系統上帶來又一次革命，其深度和廣度將超過歷史的任何一次，從而開創自動化的新紀元。
FCS可以說是第五代過程控制系統，是由PLC（Programmable Logic Controller）或DCS（Distributed Control System）發展而來的。FCS與PLC及DCS之間有千絲萬縷的聯繫，又存在著本質的差異。本文針對PLC、DCS、FCS三大控制系統的特點、性能和差異作一分析。
1 PLC、DCS、FCS三大控制系統的基本特點
目前，在連續型流程生產工業過程控制中，有三大控制系統，即PLC、DCS和FCS。它們各自的基本特點如下：
1.1 PLC
（1）從開關量控制發展到順序控制、運算處理，是從下往上的。
（2）邏輯控制、定時控制、 計數控制、 步進(順序)控制、連續PID控制、 數據控制――PLC具有數據處理能力、 通信和聯網等多功能。
（3）可用一台PC機為主站，多台同型PLC為從站。
（4）也可一台PLC為主站，多台同型PLC為從站，構成PLC網路。這比用PC機作主站方便之處是：有用戶編程時，不必知道通信協定，只要按說明書格式寫就行。
（5）PLC網路既可作為獨立DCS/TDCS，也可作為DCS/TDCS的子系統。
（6）主要用於工業過程中的順序控制，新型PLC也兼有閉環控制功能。
1.2 DCS
（1）分散控制系統DCS與集散控制系統TDCS是集4C（Communication，Computer， Control、CRT）技術於一身的監控技術，是第四代過程控制系統。既有計算機控制系統控制算式先進、精度高、回響速度快的優點，又有儀表控制系統安全可靠、維護方便的要求。
（2）從上到下的樹狀拓撲大系統，其中通信（Communication）是關鍵。
（3）是樹狀拓撲和並行連續的鏈路結構，也有大量電纜從中繼站並行到現場儀器儀表。
（4）模擬信號，A/D—D/A、帶微處理器的混合。是由幾台計算機和一些智慧型儀表智慧型部件組成，並逐漸地以數位訊號來取代模擬信號。
（5）一台儀表一對線接到I/O，由控制站掛到區域網路LAN。
（6）DCS是控制（工程師站）、操作（操作員站）、現場儀表（現場測控站）的3級結構。缺點是成本高，各公司產品不能互換，不能互操作，大DCS系統是各家不同的。
（7）用於大規模的連續過程控制，如石化、大型電廠機組的集中控制等。
1.3 FCS
（1）FCS是第五代過程控制系統，它是21世紀自動化控制系統的方向。是3C技術（Communication，Computer， Control）的融合。基本任務是：本質（本徵）安全、危險區域、易變過程、難於對付的非常環境。
（2）全數位化、智慧型、多功能取代模擬式單功能儀器、儀表、控制裝置。
（3）用兩根線聯接分散的現場儀表、控制裝置，取代每台儀表的兩根線。“現場控制”取代“分散控制”；數據的傳輸採用“匯流排”方式。
（4）從控制室到現場設備的雙向數字通信匯流排，是互聯的、雙向的、串列多節點、開放的數字通信系統取代單向的、單點、並行、封閉的模擬系統。
（5）用分散的虛擬控制站取代集中的控制站。
（6）把微機處理器轉入現場自控設備，使設備具有數字計算和數字通信能力，信號傳輸精度高，遠程傳輸。實現信號傳輸全數位化、控制功能分散、標準統一全開放。
（7）可上區域網路，再可與internet相通。既是通信網路，又是控制網路。
（8）3類FCS的典型套用：1) 連續的工藝過程自動控制如石油化工，其中“本安防爆”技術是絕對重要的；2）分立的工藝動作自動控制如汽車製造機器人、汽車；3）多點控制如樓宇自動化。
這三大控制系統，尤其是DCS、PLC，都在電站得到了廣泛套用，而且效果也非常好。
2 三大控制系統之間的差異
2.1 差異
2.1.1 DCS或PLC
PLC系統與DCS系統的結構差異不大，只是在功能的著重點上的不同，DCS著重於閉環控制及數據處理。PLC著重於邏輯控制及開關量的控制，也可實現模擬量控制。
DCS或PLC系統的關鍵是通信。也可以說數據公路是分散控制系統DCS及PLC的脊柱。由於它的任務是為系統所有部件之間提供通信網路，因此，數據公路自身的設計就決定了總體的靈活性和安全性。數據公路的媒體可以是：一對絞線、同軸電纜或光纖電纜。
DCS的特點是：（1）控制功能強。可實現複雜的控制規律，如串級、前饋、解耦、自適應、最優和非線性控制等。也可實現順序控制。（2）系統可靠性高。（3）採用CRT操作站有良好的人機界面。（4）軟硬體採用模組化積木式結構。（5）系統容易開發。（6）用組態軟體，編程簡單，操作方便。（7）有良好的性價比。
通過數據公路的設計參數，基本上可以了解一個特定DCS或PLC系統的相對優點與弱點。
（1）系統能處理多少I/O信息。
（2）系統能處理多少與控制有關的控制迴路的信息。
（3）能適應多少用戶和裝置（CRT、控制站等）。
（4）傳輸數據的完整性是怎樣徹底檢查的。
（5）數據公路的最大允許長度是多少。
（6）數據公路能支持多少支路。
（7）數據公路是否能支持由其它製造廠生產的硬體（可程式序控制器、計算機、數據記錄裝置等）。為保證通信的完整，大部分DCS或PLC廠家都能提供冗餘數據公路。
為了保證系統的安全性，使用了複雜的通信規約和檢錯技術。所謂通信規約就是一組規則，用以保證所傳輸的數據接收與傳送。
目前在DCS和PLC系統中一般使用兩類通信手段，即同步的和異步的，同步通信依靠一個時鐘信號來調節數據的傳輸和接收，異步網路採用沒有時鐘的報告系統。
2.1.2 FCS
FCS具有（1）很好的開放性、互操作性和互換性。（2）全數字通信。（3）智慧型化與功能自治性。（4）高度分散性。（5）很強的適用性。
FCS的關鍵要點有三點：
（1）FCS系統的核心是匯流排協定，即匯流排標準。
採用雙絞線、光纜或無線電方式傳輸數位訊號，減少大量導線，提高了可靠性和抗干擾能力。FCS從感測器、變送器到調節器一直是數位訊號，這就使我們很容易地處理更複雜、更精確的信號，同時數字通信的差錯功能可檢出傳輸中的誤碼。
FCS可以將PID控制徹底分散到現場設備（Field Device）中。基於現場匯流排的FCS又是全分散、全數位化、全開放和可互操作的新一代生產過程自動化系統，它將取代現場一對一的4～20mA模擬信號線，給傳統的工業自動化控制系統體系結構帶來革命性的變化。
根據IEC61158的定義，現場匯流排是安裝在製造或過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網路。現場匯流排使測控設備具備了數字計算和數字通信能力，提高了信號的測量、傳輸和控制精度，提高了系統與設備的功能、性能。IEC/TC65的SC65C/WG6工作組於1984年開始致力於推出世界上單一的現場匯流排標準工作，走過了16年的艱難歷程，於1993年推出了IEC61158-2，之後的標準制定就陷於混亂。2000年初公布的IEC61158現場匯流排國際標準子集有八種，分別為：
①類型1 IEC技術報告（FFH1）；②類型2 Control-NET（美國Rockwell公司支持）；③類型3 Profibus（德國Siemens公司支持）；④類型4 P-NET（丹麥Process Data公司支持）；⑤類型5 FFHSE（原FFH2）高速乙太網（美國Fisher Rosemount公司支持）；⑥類型6 Swift-Net（美國波音公司支持）；⑦類型7 WorldFIP（法國Alsto公司支持）；⑧類型8 Interbus（美國Phoenix Contact公司支持）。
除了IEC61158的8種現場匯流排外，IEC TC17B通過了三種匯流排標準：SDS（Smart Distributed System）；ASI（Actuator Sensor Interface）；Device NET。另外，ISO公布了ISO 11898 CAN標準。其中Device NET於2002年10月8日被中國批准為國家標準，並於2003年4月1日開始實施。
所以，要實現這些匯流排類型的相互兼容和互操作，就目前狀態而言，幾乎是不可能的。開放的現場匯流排控制系統的互操作性，就一個特定類型的現場匯流排而言，只要遵循同一類型現場匯流排的匯流排協定，對其產品是開放的，並具有互操作性。換句話說，不論什麼廠家的產品，也不一家是該現場匯流排公司的產品，只要遵循同一類型匯流排的匯流排協定，產品之間是開放的，並具有互操作性，就可以組成匯流排網路。
另外，FCS還可以通過網關和企業的上級管理網路相連，以便管理者掌握第一手資料，為決策提供依據。所以現場匯流排具有開放性、互操作性、系統結構的高度分散性、靈活的網路拓撲結構、現場設備的高度智慧型化、對環境的高度適應性等諸多突出特點。
（2）FCS系統的基礎是數字智慧型現場裝置
控制功能下放到現場儀表中，控制室內儀表裝置主要完成數據處理、監督控制、最佳化控制、協調控制和管理自動化等功能。
數字智慧型現場裝置是FCS系統的硬體支撐，是基礎；道理很簡單，FCS系統執行的是自動控制裝置與現場裝置之間的雙向數字通信現場匯流排信號制。現場裝置必須遵循統一的匯流排協定，即相關的通訊規約，具備數字通信功能，能實現雙向數字通。再一點，現場匯流排的一大特點就是要增加現場一級控制功能。
（3）FCS系統的本質是信息處理現場化
對於一個控制系統，無論是採用DCS還是採用現場匯流排，系統需要處理的信息量至少是一樣多的。實際上，採用現場匯流排後，可以從現場得到更多的信息。現場匯流排系統的信息量沒有減少，甚至增加了，而傳輸信息的線纜卻大大減少了。這就要求一方面要大大提高線纜傳輸信息的能力，另一方面要讓大量信息在現場就地完成處理，減少現場與控制機房之間的信息往返。可以說現場匯流排的本質就是信息處理的現場化。
由現場智慧型儀表完成數據採集、數據處理、控制運算和數據輸出等功能。現場儀表的數據（包括採集的數據和診斷數據）通過現場匯流排傳送到控制室的控制設備上，控制室的控制設備用來監視各個現場儀表的運行狀態，保存智慧型儀表上傳的數據，同時完成少量現場儀表無法完成的高級控制功能。
2.2 典型系統比較
通過使用現場匯流排，用戶可以大量減少現場接線，用單個現場儀表可實現多變數通信，不同製造廠生產的裝置間可以完全互操作，增加現場一級的控制功能，系統集成大大簡化，並且維護十分簡便。典型的現場匯流排系統框圖示於圖1。
從圖1中可以看出，傳統的過程控制儀表系統每個現場裝置到控制室都需使用一對專用的電纜或雙絞線，以傳送4mA~20mA信號。圖2所示現場匯流排系統中，每個現場裝置到接線盒的雙絞線仍然可以使用，但是從現場接線盒到中央控制室僅用一根雙絞線完成數字通信。
通過採用現場匯流排控制系統，到底能節省多少電纜，編者就不作詳細的計算。
2.3 套用差異
上述的比較是偏重於純技術性的比較，下面就DCS與FCS系統在具體套用方面進行比較。前題是DCS系統與典型的、理想的FCS系統進行比較。
具體比較：
（1）DCS系統是個大系統，其控制器的功能強而且在系統中的作用十分重要，數據公路更是系統的關鍵，所以，必須整體投資一步到位，事後的擴容難度較大。而FCS功能下放較徹底，信息處理現場化，數字智慧型現場裝置的廣泛採用，使得控制器功能與重要性相對減弱。因此，FCS系統投資起點低，可以邊用、邊擴、邊投運。
（2）DCS系統是封閉式系統，各公司產品基本不兼容。而FCS系統是開放式系統，不同廠商、不同品牌的各種產品基本能同時連入同一現場匯流排，達到最佳的系統集成。
（3）DCS系統的信息全都是二進制或模擬信號形成的，必須通過D/A與A/D轉換。而FCS系統將D/A與A/D轉換在現場一次表完成，實現全數位化通信，使精度得到大的提高，可提高到0.1%。並且FCS系統可以將PID閉環控制功能裝入現場設備中，縮短了控制周期，提高運算速度，從而改善調節性能。
（4）DCS它可以控制和監視工藝全過程，對自身進行診斷、維護和組態。但是，由於自身的致命弱點，其I/O信號採用傳統的模擬量信號，因此，它無法在DCS工程師站上對現場儀表（含變送器、執行器等）進行遠方診斷、維護和組態。FCS採用全數位化技術，數字智慧型現場裝置傳送多變數信息，而不僅僅是單變數信息，並且還具備檢測信息差錯的功能。FCS採用的是雙向數字通信現場匯流排信號制。因此，它可以對現場裝置（含變送器、執行機構等）進行遠方診斷、維護和組態。
（5）FCS由於信息處理現場化，與DCS相比可以省去相當數量的隔離器、端子櫃、I/O終端、I/O卡件、I/O檔案及I/O櫃，同時也節省了I/O裝置及裝置室的空間與占地面積。同時，FCS可以減少大量電纜與敷設電纜用的橋架等，同時也節省了設計、安裝和維護費用。
（6）FCS相對於DCS組態簡單，由於結構、性能標準化，便於安裝、運行、維護。
3 PLC與DCS的前景
大家都知道FCS是由PLC或DCS發展而來，現在FCS系統被廣泛的套用，那么，PLC與DCS前景又將如何。
PLC於20世紀60年代末期在美國首先出現，目的是用來取代繼電器，執行邏輯、計時、計數等順序控制功能，建立柔性程式控制系統。1976年正式命名，並給予定義：PLC（Programmable logic Controller）是一種數字控制專用電子計算機，它使用了可程式序存儲器儲存指令，執行諸如邏輯、順序、計時、計數與演算等功能，並通過模擬和數字輸入、輸出等組件，控制各種機械或工作程式。經過30多年的發展，PLC已十分成熟與完善，並具有強大的運算、處理和數據傳輸功能。並定義為可程式控制器（Programmable Controller　PLC）。PLC在FCS系統中的地位似乎已被確定並無多少爭論。參見圖3：IEC推薦的現場匯流排控制系統體系結構。PLC作為一個站掛在高速匯流排上。充分發揮PLC在處理開關量方面的優勢。另外，電廠輔助車間，例如水處理車間、循環水車間、除灰除渣車間、輸煤車間等，這些車間的工藝過程多以順序控制為主。PLC對於順序控制有其獨特的優勢。輔助車間的控制系統應以遵循現場匯流排通訊協定的PLC或能與FCS進行通訊交換信息的PLC為優選對象。
現場匯流排的套用是工業過程控制發展的主流之一。可以說FCS的發展套用是自動化領域一場革命。採用現場匯流排技術構造低成本現場匯流排控制系統，促進現場儀表的智慧型化、控制功能分散化、控制系統開放化，符合工業控制系統技術發展趨勢。
總之，計算機控制系統的發展在經歷了基地式氣動儀表控制系統、電動單元組合式模擬儀表控制系統、集中式數字控制系統以及集散控制系統（DCS）後，將朝著現場匯流排控制系統（FCS）的方向發展。雖然以現場匯流排為基礎的FCS發展很快，但FCS發展還有很多工作要做，如統一標準、儀表智慧型化等。另外，傳統控制系統的維護和改造還需要DCS，因此FCS完全取代傳統的DCS還需要一個漫長的過程，同時DCS本身也在不斷的發展與完善。可以肯定的是，結合DCS、工業乙太網、先進控制等新技術的FCS將具有強大的生命力。工業乙太網以及現場匯流排技術作為一種靈活、方便、可靠的數據傳輸方式，在工業現場得到了越來越多的套用，並將在控制領域中占有更加重要的地位。
4 結論
在未來，工業過程控制系統中，數位技術向智慧型化、開放性、網路化、信息化發展，同時，工業控制軟體也將向標準化、網路化、智慧型化、開放性發展。因此現場匯流排控制系統FCS的出現，數字式分散控制DCS及PLC並不會消亡，DCS及PLC系統會更加向智慧型化、開放性、網路化、信息化發展。或只是將過去處於控制系統中心地位的DCS移到現場匯流排的一個站點上去。這樣說，DCS或PLC處於控制系統中心地位的局面從此將被打破。今後的控制系統將會是：FCS處於控制系統中心地位，兼有DCS、PLC系統一種新型標準化、智慧型化、開放性、網路化、信息化控制系統。