【摘要】 隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)等信息技術(shù)的發(fā)展 ，工業(yè)控制系統(tǒng)己成為計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中最具活力的一個(gè)分支，特別是 DCS （分 散 式控制系統(tǒng)）。 本文給出基于 FDT 技術(shù)，集成現(xiàn)場(chǎng)總線（ Fieldbus ）的 分散控制系統(tǒng)（ DCS ）一體化網(wǎng)絡(luò)解決方案設(shè)計(jì)方法，在現(xiàn)階段 DCS 應(yīng)用開(kāi)發(fā)過(guò)程中 具有較好的應(yīng)用推廣價(jià)值 。
【關(guān)鍵字】 FDT DTM DCS Fieldbus 分散控制系統(tǒng) 現(xiàn)場(chǎng)總 線
1 分散控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì) 從 50 年代末期，計(jì)算機(jī)開(kāi)始應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域，數(shù)字式控制技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，此后微處理機(jī)技術(shù)和數(shù)字通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，促使了 1975 年分散控制系統(tǒng)的誕生。三十年來(lái)，分散控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中迅速普及，目前廣泛應(yīng)用于電力、石化、冶金等行業(yè)，分散控制系統(tǒng)的應(yīng)用大幅度地提高了生產(chǎn)過(guò)程的安全性、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和可靠性。
隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、各種組態(tài)軟件技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等信息技術(shù)的發(fā)展，以及用戶對(duì)先進(jìn)的控制功能與管理功能需求的增加，近年來(lái)，各 DCS 廠商紛紛推出以 Information ( 信息 ) 和 Integration （集成）為主要標(biāo)志的第四代分散控制系統(tǒng)（ DCS ）。
信息化體現(xiàn)在各 DCS 系統(tǒng)已經(jīng)不是一個(gè)以控制功能為主的控制系統(tǒng)，而是一個(gè)充分發(fā)揮信息管理功能的綜合平臺(tái)系統(tǒng)； DCS 的集成性則體現(xiàn)在功能的集成和產(chǎn)品的集成。過(guò)去的 DCS 廠商基本上是以自主開(kāi)發(fā)為主，提供的系統(tǒng)也是自己的系統(tǒng)。當(dāng)今的 DCS 廠商更強(qiáng)調(diào)的系統(tǒng)集成性和方案能力， DCS 中除保留傳統(tǒng) DCS 所實(shí)現(xiàn)的過(guò)程控制功能之外，還集成了 PLC （可編程邏輯控制器）、 RTU （采集發(fā)送器）、 FCS （總線控制系統(tǒng)）、各種多回路調(diào)節(jié)器、各種智能采集或控制單元等，形成包容了過(guò)程控制、邏輯控制和批處理控制的混合控制系統(tǒng)。
如何讓 DCS 更好的包容 FCS ，實(shí)現(xiàn)真正的 DCS ，充分展示 DCS 平臺(tái)的開(kāi)放性與服務(wù)的專業(yè)化，為不同的用戶提供專業(yè)化的解決方案并實(shí)施專業(yè)化的服務(wù)，將是今后各 DCS 廠家和系統(tǒng)集成商競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，同時(shí)也是各廠家盈利的主要來(lái)源。
2 現(xiàn)場(chǎng)總線及應(yīng)用現(xiàn)狀 現(xiàn)場(chǎng)總線（ Fieldbus ）是 90 年代中期發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù)，是將現(xiàn)場(chǎng)的控制器和智能儀表設(shè)備互連的實(shí)時(shí)控制通訊網(wǎng)絡(luò)，遵循 ISO 的 OSI 開(kāi)放系統(tǒng)互連協(xié)議，雙向傳輸，支持雙向多節(jié)點(diǎn)，總線式的全數(shù)字通訊�，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)順應(yīng)了“智能化，數(shù)字化，信息化，網(wǎng)絡(luò)化，分散化”的自控技術(shù)發(fā)展的主流，是當(dāng)今自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)，代表了工業(yè)控制領(lǐng)域今后的一種發(fā)展方向。隨著市場(chǎng)需求的急劇增長(zhǎng)和包括智能儀表在內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品的大量出現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)?huì)扮演越來(lái)越重要的角色。
但總線目前處于多種并存的局面， 成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)就有數(shù)十種； FCS 與成熟的 DCS 相比，由于現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)本身在發(fā)展中，從而給產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和測(cè)試帶來(lái)難度，大多數(shù)用戶更傾向于對(duì)他們現(xiàn)有的儀表系統(tǒng)進(jìn)行逐步的增添和替換；其次，在某些場(chǎng)合中， FCS 還無(wú)法提供 DCS 已有的控制功能；再者， DCS 系統(tǒng)及其儀表的消失或完全被取代，對(duì)于費(fèi)用或人力而言也都是不合理的�，F(xiàn)階段最可行的方案是考慮如何使現(xiàn)場(chǎng)總線與傳統(tǒng)的 DCS 系統(tǒng)盡可能地協(xié)同工作，這種集成方案能夠得到靈活的系統(tǒng)組態(tài)，以適用于更廣泛的、富于實(shí)用價(jià)值的應(yīng)用。現(xiàn)場(chǎng)總線集成于 DCS 系統(tǒng)是現(xiàn)階段控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)。
3 FDT 技術(shù) FDT ( Field Device Tool) 是一種開(kāi)放、獨(dú)立、公開(kāi)的軟件接口規(guī)范。該規(guī)范描述了工程框架和設(shè)備軟件組織之間的軟件接口和相互關(guān)系。 FDT 規(guī)范主要包括二個(gè)要素：設(shè)備類型管理器 (DTM) 、框架應(yīng)用程序 (FA) 。它們是基于客戶端與服務(wù)器模型，其中 DTM 作為框架應(yīng)用程序管理的服務(wù)器組件。
3.1 FDT 框架應(yīng)用程序 (FA) FDT 框架應(yīng)用程序提供 FDT 接口，可以集成各種類型的 DTM ，并通過(guò) DTM 訪問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互與管理。 FDT 框架應(yīng)用程序保證了系統(tǒng)的一致性，并可實(shí)現(xiàn)多用戶環(huán)境與客戶服務(wù)器操作。
3.2 設(shè)備類型管理器 (DTM) 設(shè)備類型管理器（ DTM ）是一種設(shè)備描述軟件的組件，由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備制造商提供，它必須在 FDT 框架程序中運(yùn)行。 DTM 通過(guò)滿足此規(guī)范的 FDT 接口被集成到工程系統(tǒng)中。集成的方法向大多數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備開(kāi)放并且滿足了不同類型的設(shè)備集成到異構(gòu)控制系統(tǒng)的需要。 DTM 提供了簡(jiǎn)單的圖形用戶界面，了解硬件的邏輯規(guī)則，參數(shù)設(shè)定與配置信息。它可以分為三類：直接訪問(wèn)通訊模塊的被稱為通訊 DTM ；用來(lái)作為不同通訊協(xié)議間路由的稱為網(wǎng)關(guān) DTM ；代表現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的稱為設(shè)備 DTM 。設(shè)備 DTM 必須要通過(guò)通訊 DTM 或網(wǎng)關(guān) DTM 來(lái)訪問(wèn)各種智能設(shè)備。
FA 與 DTM 之間 C/S 交互模式如圖 1 所示：
4. 基于 FDT 集成 Fieldbus 的 DCS 系統(tǒng)模型 在一個(gè)傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)項(xiàng)目中大量的來(lái)自不同供應(yīng)商的不同類型設(shè)備使系統(tǒng)的組態(tài)任務(wù)十分費(fèi)時(shí)費(fèi)力。工程人員必須掌握不同的工具使數(shù)據(jù)在這些工具之間交換。由于數(shù)據(jù)交換方式?jīng)]有標(biāo)準(zhǔn)化，所以經(jīng)常必須將數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這需要很精深的專業(yè)知識(shí)。為了保證數(shù)據(jù)、文件、組態(tài)信息完全轉(zhuǎn)換，必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行十分嚴(yán)格的測(cè)試。此外，中央控制室對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控?zé)o法覆蓋現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的全部功能，不同的設(shè)備專用工具也無(wú)法整合到系統(tǒng)軟件工具。隨著工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議越來(lái)越多，給用戶的系統(tǒng)集成帶來(lái)很多困惑和困難。為了把不同標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)、不同廠商的設(shè)備集成到一起并整合到同一用戶界面，用戶不得不承受很高的代價(jià)，承擔(dān)很大的系統(tǒng)穩(wěn)定和安全風(fēng)險(xiǎn)。
F D T 出現(xiàn)，很好的解決上述的這個(gè)問(wèn)題，把多通信協(xié)議連接到一個(gè)簡(jiǎn)單易用的用戶平臺(tái)，充分利用設(shè)備供應(yīng)商在設(shè)備上傳遞的專業(yè)知識(shí)，降低最終用戶的成本和風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)總線（ Fieldbus ）新特性，將 FDT 技術(shù)應(yīng)用于分散控制系統(tǒng)（ DCS ）中，一方面，降低 DCS 廠商開(kāi)發(fā) DCS 系統(tǒng)集成現(xiàn)場(chǎng)總線（ Fieldbus ）的難度，將多種現(xiàn)場(chǎng)總線友好的集成到 DCS 系統(tǒng)中；另一方面，充分利用設(shè)備供應(yīng)商在設(shè)備上傳遞的專業(yè)知識(shí)，豐富和提升 DCS 系統(tǒng)功能，向信息化和集成化方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)真正的 DCS 。
體系結(jié)構(gòu)主要分為四層結(jié)構(gòu)：現(xiàn)場(chǎng)儀表層、控制單元層、工廠（車間）層和企業(yè)管理層，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
在此種集成現(xiàn)場(chǎng)總線的 DCS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系中，自下而上，現(xiàn)場(chǎng)總線可與 DCS 的 I/0 總線、過(guò)程總線集成，或通過(guò)網(wǎng)關(guān)與 DCS 系統(tǒng)并行集成。 DCS 系統(tǒng)中的 I/O 總線其實(shí)也是一種現(xiàn)場(chǎng)總線，現(xiàn)場(chǎng)總線與 I/O 總線的集成其實(shí)是不同總線協(xié)議之間的互聯(lián)互通，其關(guān)鍵是通過(guò)一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線接口卡掛接到 DCS 的 I/O 總線上，把現(xiàn)場(chǎng)總線當(dāng)中的數(shù)據(jù)信息映射成原有 DCS 的 I/O 總線上相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息；現(xiàn)場(chǎng)總線于 DCS 過(guò)程總線層的集成是把現(xiàn)場(chǎng)總線通過(guò)接口卡掛到 DCS 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層，現(xiàn)場(chǎng)總線中的控制信息和測(cè)量信息都可以通過(guò) DCS 的操作員站進(jìn)行瀏覽并進(jìn)行修改；現(xiàn)場(chǎng)總線與 DCS 系統(tǒng)并行集成，是現(xiàn)場(chǎng)總線通過(guò)網(wǎng)關(guān)與 DCS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息互聯(lián)，現(xiàn)場(chǎng)總線本身是一套 FCS 系統(tǒng)。這種集成中 FCS 系統(tǒng)和 DCS 系統(tǒng)是完全獨(dú)立的。
系統(tǒng)的研發(fā)與傳統(tǒng) DCS 研發(fā)相比主要在硬件和軟件兩部分增加相應(yīng)的功能。
硬件部分：自下而上完成現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議（ FF 、 HART 、 Profibus 等）到私有協(xié)議的轉(zhuǎn)換，包括相關(guān)支持硬件部分。
軟件部分：（ 1 ）基于 FDT 規(guī)范接口協(xié)議，完成 FDT 應(yīng)用程序框架及與協(xié)議匹配的通信 DTM 、網(wǎng)關(guān) DTM 的開(kāi)發(fā)；（ 2 ）與 DCS 上位機(jī)軟件交互接口，便于 DCS 上位機(jī)軟件集成；（ 3 ）與企業(yè)管理軟件交互接口，為信息化提供數(shù)據(jù)。
工作流程為：框架應(yīng)用程序發(fā)出命令；設(shè)備 DT M 向通信 DTM 發(fā)送請(qǐng)求；通信 DTM 向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送通信命令；通信 DTM 對(duì)設(shè)備 DT M 的請(qǐng)求做出回應(yīng)，設(shè)備 DT M 將采集到的數(shù)據(jù)顯示在它的用戶界面。 DCS 上位機(jī)軟件和企業(yè)管理軟件通過(guò) FDT 接口與 DTM 的數(shù)據(jù)交互獲得非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，監(jiān)控層與企業(yè)管理層也能隨時(shí)了解設(shè)備狀況和整個(gè)工廠的生產(chǎn)情況。
基于 FDT 集成 Fieldbus 的 DCS 系統(tǒng)，它將集數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析、遠(yuǎn)程配置與診斷、在線調(diào)校、標(biāo)定管理、預(yù)測(cè)性維護(hù)、日志記錄跟蹤、設(shè)備資產(chǎn)管理功能于 DCS 系統(tǒng)一體。為客戶在解決非現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制同時(shí)，提供的設(shè)備管理與維護(hù)功能，使智能設(shè)備自身能夠發(fā)揮最大的生產(chǎn)效益，減少儀表的損耗并降低維護(hù)成本，為用戶提供一個(gè)快速、方便、統(tǒng)一的管理平臺(tái)，不僅可以使工廠在減少操作、維護(hù)的工作量和運(yùn)營(yíng)成本，大幅提高工廠設(shè)備的可用性、生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量，而且可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理系統(tǒng)與 DCS 的無(wú)縫集成�？梢苑奖愕貙⒉煌膹S家設(shè)備、不同的系統(tǒng)、不同的運(yùn)行軟件集成為一個(gè)整體，從而為智能設(shè)備預(yù)防性維護(hù)、預(yù)測(cè)性維護(hù)及前攝性維護(hù)提供一體化解決方案。
5 結(jié)語(yǔ)
本文介紹的系統(tǒng)作為對(duì)常規(guī) DCS 系統(tǒng)的一種改進(jìn)系統(tǒng)，突出了如何借助 FDT 技術(shù)充分發(fā)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的優(yōu)越性，真正實(shí)現(xiàn) DCS 的開(kāi)放性及互操作性，推進(jìn) DCS 向信息化、集成化方向發(fā)展；在其他工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合，都具有較好的應(yīng)用推廣價(jià)值。
