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0 引言

　　DCS/' target='_blank'>集散控制系統（DCS）由于其操作簡便、穩定可靠而被廣泛地用于生產過程控制領域，其主要特點是管理集中、控制分散。DCS雖然在控制功能上實現了分散，但在物理上仍是集中式控制系統，仍采用傳統的集中式I/O系統（見圖1）。圖1中DCS的信號采用一對一的物理連接，有專門的I/O處理模塊和端子板，這造成電廠電纜龐雜，工程周期長，安裝調試費用高，維護困難。各DCS制造商通常采用自己定義的專用網絡和協議，使不同廠家的設備或系統之間的互聯存在很多困難，整個DCS系統成為一個封閉的“信息孤島”[1]。并且DCS的現場儀表仍采用只能單向傳輸4～20mA模擬信號,不僅速度慢、精度低、易受到電磁干擾，而且已經越來越成為限制DCS功能發揮的瓶頸。

　　現場總線是將現場儀表與控制室內儀表連接起來的全數字化、雙向、串行通訊網絡，它的本質優點在于全數字化，實質性特點是徹底分散，更深層次的優點在于它的開放性[2]。現場總線采用分布式I/O系統（見圖2），可以真正的實現控制功能和物理上的全分散性。圖2中的PROFIBUS網絡使用智能傳感器、執行機構等現場智能設備, 采用數字信號傳輸，只需一對線就能將現場信號傳輸到過程級控制計算機，它突破了傳統4～20mA模擬傳輸信號在精度、功能上的限制，能在控制室對現場設備進行遠程在線診斷、調試、操作。由于功能進一步分散到現場智能設備中，使風險進一步分散，從而提高了系統的安全性和可靠性。

圖1 基于DCS的集中式I/O系統

圖2 基于PROFIBUS的分布式I/O系統

1 基于PROFIBUS的集散控制系統

　　目前國際上有多種現場總線標準，如PROFIBUS、FF、HART和CAN等。在眾多的現場總線標準中，PROFIBUS應用最廣泛，并且在我國眾多領域獲得成功應用。在眾多的DCS廠家中，ABB貝利公司的Industrial IT Symphony系統應用最為廣泛。因此，選擇PROFIBUS總線和Symphony系統研究基于現場總線技術的集散控制系統，是具有代表性的。

　　基于PROFIBUS的DCS采用一種分層體系結構，如圖3所示，從下至上系統可以分為過程I/O層、過程控制層、過程管理層和企業管理層，對應的網絡分別為PROFIBUS-DP網絡、控制通道Control Way（C.W）、控制網絡Control Network（Cnet）和企業管理網絡MIS。

圖3 基于PROFIBUS的分散控制系統的結構

　　PROFIBUS-DP網絡，使用RS485傳輸技術，其傳輸速率為9.6K bit/s～12M bit/s。主站之間采用令牌傳送方式，主站與從站之間采用主從方式。令牌傳遞程序保證每個主站在一個確切規定的時間內得到總線存取權。令牌在所有主站中循環一周的最長時間是根據主站多少事先規定的。主從方式允許主站在得到總線存取令牌時可與從站通信，每個主站均可向從站循環查詢。主站決定總線的數據通信，當主站得到總線控制權時，沒有外界請求也可以主動發送信息。從站為外圍設備，如閥門、驅動器和輸入輸出裝置，沒有總線控制權，僅對接收到的信息給予確認或當主站發出請求時向主站發送信息。

　　控制通道采用的是1 Mbit/s的串行冗余總線網絡，支持32個智能處理模件。智能處理模件包括通信模件對INNIS和INNPM、橋控制器BRC。通過通信模件對，控制通道可以實現與控制網絡的通信。每一塊橋控制器BRC通過I/O擴展總線（X.B）可以掛64個子模件，在這一層網絡中，提供了與PROFIBUS現場總線的網絡接口——現場總線子模件（FBS）。因此，每一塊BRC都可以掛64個FBS。通過FBS，可以實現PROFIBUS-DP網絡與Symphony控制通道的通信。控制通道采用的通信協議是IEEE802.3的以太網協議。

　　控制網絡承擔著過程管理、操作等數據傳遞的任務，采用的是速率為10 M bit/s的環形網絡結構，包括中心環Central Ring和子環Ring，最多支持250個節點。使用的通信協議為多點、多目標的存儲轉發協議。由于沒有通信指揮器，網絡上各節點沒有主從之分，是獨立的、帶有緩沖寄存器的信息轉發器。同一時刻內所有的節點均能點對點地發送、轉發、接收數據，并且使用了信息打包技術，因此，具有較高的通信效率。

　　企業管理網絡采用的是標準的以太網，用于管理整個企業的各種數據。

2 PROFIBUS-DP的網絡結構

　　由于現場總線技術適合于分散的、具有通信接口的現場受控設備系統，對于具有集中I/O的單機控制系統，現場總線技術沒有明顯優勢，而且目前開發的現場智能設備和軟件系統的品種還不是很多，價格也偏高。因此針對不同的特點應該選用不同的方案。

　　（1）對一些相對集中的模擬量參數，如鍋爐管壁溫度、金屬溫度、發電機靜子線圈溫度、轉機的軸承溫度等，可采用分散式I/O或遠程智能I/O。如果對這些集中的測點都采用現場總線技術，不僅發揮不了現場總線的技術優勢，而且還會增加成本。

　　（2）對單參數調節回路的設備和分布廣泛較獨立的測點，都采用智能變送器或智能執行機構接入現場總線。

　　根據現場設備是否具備PROFIBUS接口，系統有三種網絡結構。

　　（1）總線接口型:現場設備不具備PROFIBUS接口，采用分散式I/O作為總線接口與現場設備連接。

　　（2）單一總線型:現場設備為都具備PROFIBUS接口的智能型設備。這是一種理想情況，可使用現場總線技術，實現完全的分布式結構，能充分享受這一先進技術所帶來的利益。新建項目可能具有這種條件，就目前來看，這種方案設備成本會較高。

　　（3）混合型：現場設備部分具備PROFIBUS接口，這時應采用PROFIBUS+分散式I/O混合使用的辦法。

　　無論是舊設備改造還是新建項目，希望全部使用具備PROFIBUS接口現場設備的場合可能不多，分散式I/O可作為通用的現場總線接口，是一種靈活的集成方案。因此，PROFIBUS-DP網絡采用混合型網絡結構，如圖3中，PROFIBUS-DP網絡為多主多從結構，對于無PROFIBUS接口的現場設備通過西門子公司的分布式I/O模塊ET200連接到PROFIBUS-DP總線上，帶PROFIBUS接口的智能設備就可以直接連到PROFIBUS-DP網絡上。網絡中設計了兩類一類主站DPM1，它們分別通過兩種不同的方式與DCS集成的。

　　（1）以PLC或其它控制器組成的一類主站，監控站通過PROFIBUS網卡連接到PROFIBUS總線上，作為二類主站。這種網絡結構用于分散的輔助控制系統，如火電廠的水網、輸煤系統。DCS的監控站可在集控室完成遠程編程、參數化設置及在線監控功能，從而實現無人值班。

　　（2） 以堅固式PC機（COMPACT COMPUTER）+PROFIBUS接口+SOFTPLC的結構組成一類主站。這種網絡結構用于其它的獨立控制系統中，如火電廠的電氣控制系統ECS，是一種監控站與一類主站一體化控制的網絡結構，它可完成編程、故障報警、設備圖形監控畫面設計、數據庫建立、設備狀態在線圖形監控、數據存儲及統計、報表等功能。

3 性能分析

　　DCS作為工業控制通信網絡，特別強調實時性和可靠性，在滿足系統實時性和可靠性的基礎上要充分考慮系統的經濟性。

　　3.1 實時性

　　實時性是工業控制網絡一項十分重要的指標。要保證整個通信網絡的實時性必須滿足3個時間約束條件：

　　（1）限制每個節點每次取得通信權的時間上限值，若超過此值，無論本次通信任務是否完成，均應立即釋放通信權。

　　（2）保證在某一固定的時間周期內，通信子網上的每一個站都有機會取得通信權。

　　（3）對于緊急任務，當其實時性要求臨時變得很高時，應當給以優先服務。對實時性要求較高的站，也應當給予較高的優先權。

　　工業控制網絡常用的協議有令牌總線、令牌環網和CSMA/CD。綜合比較這3種網絡的優缺點，作為工業過程通信網絡，令牌總線比較適宜，令牌環網次之，CSMA/CD以太網最差[3]。PROFIBUS采用的是令牌總線網絡，且有較高的通信速率，可以顯著的改善DCS的通信性能。

　　工業控制網絡對響應時間的要求有時比普通局域網快幾百倍。由于在過程控制層采用了PROFIBUS的數字化通信網絡，能大大縮短控制運算周期。在一個有著32個站點的分布系統中，PROFIBUS-DP對所有站點傳送512 bit/s輸入和512 bit/s輸出，在12M bit/s時只需1毫秒。FCS設備對PID調節運算可達10-20次/s，而目前DCS的運算周期一般為4-5次/s[2]，這使系統調節特性得到很大的改善。在多主站PROFIBUS-DP網絡中，節點數量越多，實時性越差[4]。

　　3.2 可靠性

　　可靠性是工業控制網絡另一個重要指標。一般遵循三個準則：

　　（1）系統運行不受故障影響的準則。即系統內任一裝置發生故障，除故障裝置所涉及的功能外，不應引起整個系統或其他功能的故障。采用冗余設計和多級操作可使故障的影響最小。

　　（2）系統不易發生故障的準則。即從系統現場控制層裝置的可靠性著手。

　　（3）迅速排出故障的準則。即從故障診斷、在線監視、易維護性著手。

　　目前DCS的可靠性都在99.99%～99.9999%[5]之間，已經具有較高的可靠性。由于系統吸收了PLC和DCS技術成熟、穩定可靠的優點，并且在DCS的過程控制層中采用了PROFIBUS現場總線，在功能和設備上實現了徹底的分散性，可以顯著地改善可靠性三個準則中的 “系統運行不受故障影響的準則”。因此，可以進一步提高系統的可靠性。

　　3.3 經濟性

　　（1）PROFIBUS采用1對N接線結構，一對傳輸線可以接N臺設備。火電廠主廠房內的熱工系統屬I/0點密集、立體布置的特殊大型系統，按目前DCS的標準設計，300MW 機組熱工電纜約需360km。相對于集中控制方式能節約30%～40%的控制電纜，并且能節約昂貴的熱電偶補償導線。對主廠房外的輔助系統實現集中監控， 采用FCS能節約60%左右的電纜[2]。

　　（2）可減少電子設備間的機柜、聯系電纜數量,縮小電子間的面積數量,電纜夾層也將逐步走向消亡,為最終實現駕駛倉式的控制室奠定了基礎。

　　（3）可簡化系統，降低設計、安裝、調試和維護費用。

　　由于系統吸收了DCS的優點，具有以下FCS目前不可替代的優勢：

　　（1）PLC和DCS可以組成大型的控制系統，FCS目前在這方面比較欠缺。

　　（2）PLC和DCS功能全面，可以有連續、順序、模擬量、數字量控制等，但是FCS的功能就不是很全面，特別是數字量方面。

4 結束語

　　現場總線技術已是一種成熟可靠的技術，隨著其應用范圍的不斷擴大，開放的全數字化的時代必將到來。PROFIBUS總線技術在工業控制領域的應用證明，使用全分布式I/O系統代替集中式I/O系統，不僅可以顯著降低成本，而且對于實現包括集基礎自動化、管理自動化和決策自動化于一體的綜合信息自動化有著十分重要的意義。

本文作者創新點：

　　1、系統設計了一種基于PROFIBUS的集散控制系統，分析了這種集散控制系統的分層體系結構的工作機理和通信原理，可以顯著改善集散控制系統的實時性和可靠性。

　　2、論述了設計的集散控制系統的過程I/O層—PROFIBUS-DP網絡結構，解決了集散控制系統采用集中式I/O的不足，能產生巨大的經濟效益，并對于現場總線在集散控制系統的應用有重要的指導意義。</