羅  安（1946－）
男，研究員級高級工程師，享受?chē)艺厥饨蛸N專(zhuān)家。長(cháng)期從事自動(dòng)化控制系統的研究開(kāi)發(fā)、工程應用工作，現任北京和利時(shí)系統工程股份有限公司總工程師。

摘要：本文從控制系統的體系結構入手，分析了現場(chǎng)總線(xiàn)這一熱點(diǎn)技術(shù)對當前控制系統的發(fā)展所帶來(lái)的影響，并從應用角度提出了控制系統今后的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：現場(chǎng)總線(xiàn)（FB）；控制系統；現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（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 現場(chǎng)信號的通信將從模擬方式走向數字方式

    對于一個(gè)控制系統來(lái)說(shuō)，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(chēng)作傳感器和變送器，而完成控制功能的設備則稱(chēng)為執行器，這些設備又統稱(chēng)為現場(chǎng)設備，即直接與現場(chǎng)連接的設備，是控制系統與被控對象的接口。

    現場(chǎng)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(wèn)題，一是現場(chǎng)設備本身的供電問(wèn)題（某些傳感器不需供電，如熱電偶），另一個(gè)是系統與現場(chǎng)設備之間的信號傳輸問(wèn)題。供電的問(wèn)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(wèn)題則比較復雜。

    上面談到，現場(chǎng)設備是控制系統與被控對象之間的接口，因此現場(chǎng)設備是一個(gè)“兩面”的設備：一方面，現場(chǎng)設備需要與被控對象實(shí)現信號的傳輸，另一方面，現場(chǎng)設備還要與系統進(jìn)行信號的傳輸。這是由于被控對象所產(chǎn)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(jīng)過(guò)現場(chǎng)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(chǎng)設備都會(huì )安裝在現場(chǎng)，即被控對象一側，與測量控制元件形成了一個(gè)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(chǎng)設備與被控對象之間的信號連接往往不認為是傳輸問(wèn)題，而只把現場(chǎng)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(dòng)單元組合儀表）中，現場(chǎng)設備通過(guò)標準的4-20mA電流來(lái)表示測量值，控制單元使用模擬技術(shù)進(jìn)行控制運算并輸出用4-20mA電流表示的控制值，現場(chǎng)設備使用這個(gè)控制值實(shí)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(chǎng)設備的4-20mA測量值進(jìn)行A/D轉換，即進(jìn)行數字化，經(jīng)過(guò)計算機的運算后產(chǎn)生控制值，再經(jīng)過(guò)D/A轉換形成4-20mA的控制值，由現場(chǎng)設備實(shí)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(gè)組成部分，因此無(wú)論是模擬控制系統還是數字控制系統，其與現場(chǎng)設備的信號傳輸均采用4-20mA的標準模擬信號?？梢哉f(shuō)這是一個(gè)沿用了多年，并得到廣泛認可、成熟可靠的信號傳輸標準。

    進(jìn)入新世紀以后，隨著(zhù)信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的快速發(fā)展，人們對現場(chǎng)與控制系統之間的信號傳輸提出了更高的要求。原來(lái)以4-20mA標準為基礎的傳輸體系只能夠傳輸一個(gè)信號，或是測量值，或是控制值，除此而外沒(méi)有其它信息。但這個(gè)信號的質(zhì)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(guò)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(wú)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(jìn)，但其能力仍然是有限的。另外，對于現場(chǎng)除測量和控制值以外的信息傳輸，如現場(chǎng)設備本身的診斷信息、被控對象的參數和運行狀態(tài)信息等，4-20mA標準是完全無(wú)能為力的。隨著(zhù)自動(dòng)化系統的控制功能不斷地完善和深入，控制系統越來(lái)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(xié)調控制，系統從單一的設備控制發(fā)展到多設備、多工序的聯(lián)合控制。另外，控制系統也越來(lái)越多地與企業(yè)的生產(chǎn)調度、經(jīng)營(yíng)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(fā)展趨勢推動(dòng)下，模擬傳輸體系所固有的通信能力差的問(wèn)題越來(lái)越突出，而以數字化的網(wǎng)絡(luò )通信替代模擬信號傳輸的要求也越來(lái)越迫切。

    由于模擬信號傳輸體系的上述不足，數字化的網(wǎng)絡(luò )傳輸體系自然受到了極大的關(guān)注。數字傳輸的最大特點(diǎn)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(wú)失真地進(jìn)行傳輸，因此有極強的抗干擾能力。在進(jìn)行信息集成方面，數字通信更是有著(zhù)無(wú)可比擬的優(yōu)勢。

2 數字通信方式面臨的問(wèn)題

    雖然數字信號傳輸體系比模擬信號傳輸體系有著(zhù)巨大的優(yōu)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(wèn)題。

    首先，是信號傳輸的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。對于模擬信號來(lái)說(shuō)，由于采用了一個(gè)電流值來(lái)表示物理量的大小，而這個(gè)電流的瞬時(shí)值隨時(shí)可以測量，即使通過(guò)較長(cháng)的傳輸線(xiàn)，信號的延遲也僅僅是電子傳遞時(shí)間，因此可以認為其對物理量的表達基本上是沒(méi)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(lái)表達物理量的值，因此要得到一個(gè)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(lái)，然后才能夠得到物理量的值。顯然，這個(gè)過(guò)程是需要時(shí)間的，其長(cháng)短與傳輸線(xiàn)路的“比特率”有關(guān)，同時(shí)還與在同一條線(xiàn)路上傳輸的信號數量有關(guān)。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(zhì)量所允許的范圍之內，這就是我們經(jīng)常談?wù)摰?ldquo;實(shí)時(shí)性”問(wèn)題。

    第二，是要解決數字傳輸的成本問(wèn)題。對于模擬信號來(lái)說(shuō)，其接口電路十分簡(jiǎn)單，甚至可以直接使用模擬信號驅動(dòng)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(shí)還需要用軟件對數字信號進(jìn)行處理，因此在數字傳輸線(xiàn)路的兩端均需要配備能夠執行軟件的微處理器。當然通過(guò)在同一條傳輸線(xiàn)路上傳送多個(gè)物理量的方法可以將傳輸成本均攤，達到降低每個(gè)信號傳輸費用的目的，但這又要犧牲實(shí)時(shí)性，因此需要進(jìn)行權衡。

    第三，是要解決數字傳輸的可靠性問(wèn)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(guò)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(gè)比特之間的關(guān)聯(lián)性極強，任何一個(gè)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(shí)間內得到信息或發(fā)出信息，嚴重時(shí)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(xiàn)路上還經(jīng)常傳輸其它信息，如設備診斷信息、設備參數信息、設備狀態(tài)信息等。如果軟件處理得不好，這些信息就會(huì )對測量和控制信號造成干擾，至少會(huì )影響測量控制信號傳輸的實(shí)時(shí)性。

    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(shí)時(shí)性有確切保證，在傳輸線(xiàn)受到破壞時(shí)影響面小，但基本上不具備信息集成能力；而數字化的網(wǎng)絡(luò )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(xiàn)受到破壞時(shí)對系統的影響面大，同時(shí)還要綜合考慮傳輸系統的實(shí)時(shí)性和成本因素。

3 現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統FCS

    目前在自動(dòng)化界，最為熱點(diǎn)的技術(shù)當屬現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，其根本點(diǎn)是將現場(chǎng)設備與控制系統之間的信號傳輸由模擬傳輸體系改變?yōu)閿底志W(wǎng)絡(luò )通信體系。而這個(gè)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(fā)生了一些根本性的改變，因此出現了“現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統”（Field bus Control System - FCS）這樣一個(gè)全新的系統概念和形態(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。它是在集中式數字控制系統的基礎上演進(jìn)而來(lái)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(guò)系統網(wǎng)絡(luò )將各個(gè)控制器連接起來(lái)，并與人機界面、數據庫服務(wù)器和高層控制管理服務(wù)器等計算機相連接，成為一個(gè)完整的系統。DCS具備數字控制的優(yōu)勢，又對控制進(jìn)行了適度的分散以降低某臺控制器失效帶來(lái)的風(fēng)險。與模擬方式的單元組合儀表控制系統相比，DCS實(shí)現了數字控制，并對控制回路進(jìn)行了適度的集中以提高控制功能；與集中式數字控制系統相比，DCS對控制回路進(jìn)行了適度的分散以降低失效風(fēng)險，這就形成了DCS獨有的體系結構。

    控制器是DCS實(shí)現控制的核心，它由一個(gè)主處理單元、A/D和D/A轉換器、與上層計算機的網(wǎng)絡(luò )接口以及相應的軟件系統組成?？刂破魍ㄟ^(guò)A/D得到現場(chǎng)測量信號，經(jīng)過(guò)控制計算，將計算結果通過(guò)D/A送給現場(chǎng)執行控制。同時(shí)，控制器還通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接口將與人機界面、高層管理與計算相關(guān)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(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信傳遞。

    根據FCS的設計理念，FCS是一種既實(shí)現了數字控制，又具有類(lèi)似單元組合儀表體系結構（即每個(gè)控制回路一個(gè)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(shí)現現場(chǎng)設備與控制系統的數字通信，各個(gè)現場(chǎng)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(shí)還需要有能夠對數字信號進(jìn)行運算處理的嵌入式微控制器、當然還需要具備進(jìn)行現場(chǎng)總線(xiàn)通信的網(wǎng)絡(luò )接口以及相應的處理軟件。這些配置已完全滿(mǎn)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體系結構。

    從控制系統的體系結構來(lái)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(jìn)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(gè)循環(huán)，FCS又回到了儀表控制的原點(diǎn)，但這里有著(zhù)一個(gè)最本質(zhì)的區別，就是FCS已不是基于模擬控制技術(shù)，而是發(fā)展為數字控制技術(shù)，是在完全新一代技術(shù)基礎上的體系結構的回歸。

    應該說(shuō)，FCS既有儀表控制系統將危險性高度分散的優(yōu)點(diǎn)，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(yōu)勢，是今后的發(fā)展趨勢。但FCS目前面臨的最大問(wèn)題，是網(wǎng)絡(luò )通信的問(wèn)題。這正如數字技術(shù)取代模擬技術(shù)時(shí)，所遇到的最大問(wèn)題是軟件的問(wèn)題一樣。當年人們都看到了數字技術(shù)具有模擬技術(shù)無(wú)法比擬的強大功能，因此都一致認同數字技術(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、穩定性等問(wèn)題，直到這些問(wèn)題都解決了，才真正進(jìn)入了數字控制時(shí)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(chǎng)設備之中?？刂葡到y的主控制室端將只包括人機界面工作站、全局實(shí)時(shí)數據庫服務(wù)器、高層控制計算機、生產(chǎn)管理計算機等設備?，F場(chǎng)與主控制室之間將通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)實(shí)現通信。在這里，現場(chǎng)總線(xiàn)承擔著(zhù)雙重的通信任務(wù)。其一是為了實(shí)現對現場(chǎng)的控制，嵌入式控制器必須通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)獲取被控對象的實(shí)時(shí)信息，或通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)向被控對象發(fā)出控制命令。其二，現場(chǎng)的嵌入式控制器需要通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)將被控對象的測量值、設備參數、運行狀態(tài)、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(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)將控制設定值、人工干預控制命令、包括對控制器的組態(tài)數據等信息送到現場(chǎng)嵌入式控制器。從這里我們可以看出，現場(chǎng)總線(xiàn)承擔了繁重而復雜的通信任務(wù)。而如果有多個(gè)嵌入式控制器共用同一條現場(chǎng)總線(xiàn)，則通信任務(wù)將更加繁重。由于控制系統的幾乎所有功能都依賴(lài)現場(chǎng)總線(xiàn)的通信實(shí)現，因此通信的可靠性、實(shí)時(shí)性、穩定性成為控制系統的核心問(wèn)題。影響以上通信性能的因素，既有現場(chǎng)總線(xiàn)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(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信規約設計的合理性、有效性、時(shí)序邏輯的正確性等指標。

    當前，國際上各個(gè)自動(dòng)化公司都在現場(chǎng)總線(xiàn)方面投入了巨大的資源進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā)，因為這是進(jìn)入下一代控制系統的關(guān)鍵技術(shù)，誰(shuí)能夠為解決現場(chǎng)總線(xiàn)目前存在的問(wèn)題拿出完整有效的解決方案，誰(shuí)就占據了市場(chǎng)的先機。另外，下一代控制系統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)能夠得到廣泛認可的標準。

4 結語(yǔ)

    正如電子技術(shù)是單元式組合儀表控制系統的關(guān)鍵技術(shù)，軟件技術(shù)是數字化控制系統如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)?？梢哉f(shuō)，一套簡(jiǎn)潔明了、高效可靠、標準化的網(wǎng)絡(luò )通信規約將是FCS能否真正成為下一代控制系統的關(guān)鍵。