FCS與DCS混合式集成控制系統研究
摘要： 控制系統由五十多年前的PCS( PneumatiCControl System)的第一代控制系統，經歷了ACS(AnalogouSControl System)、CCS(ComputerControl System)和DCS(Distributed Control System)，而發展成今天的第五代控制系統———現場總線控制系統FCS(FieldbuSControl System)。
Abstract：
Key words :
引 言
控制系統由五十多年前的PCS( PneumatiCControl System)的第一代控制系統，經歷了ACS(AnalogouSControl System)、CCS(ComputerControl System)和DCS(Distributed Control System)，而發展成今天的第五代控制系統———現場總線控制系統FCS(FieldbuSControl System)。
集散控制系統DCS由操作站、控制站(監視站)、應用模件與歷史模件、通訊網絡和工程師站等組成。DCS除采用高可靠性的軟硬件以及通信網絡、控制站等冗余措施外，還使用故障檢測與診斷工程軟件，可對生產工況進行監測，從而及早發現故障，及時采取措施，提高了生產的安全性。
上世紀80年代后期，在DCS的基礎上開始開發一種適用于工業環境的網絡結構和網絡協議，并實現傳感器、控制器層的通信，這就是現場總線。但研究工作進展緩慢，而且無國際標準可遵守。國際電工委員會( IEC)于2000年1月正式公布了IEC61158現場總線全部技術標準。但此標準中容納了8種互不兼容的通信協議。由于是妥協于各方面的既有利益，并沒有實現完全統一國際標準的初衷。
CAN(ControllerArea Network)總線是現場總線的一種，它一般采用典型的串行總線拓撲結構進行通訊，這種方式的位速率低于環形結構，但是結構簡單、成本低、而且通信可靠。CAN總線因傳輸時間短，受干擾的概率低，保證了通信的實時性。CAN能對錯誤的來源進行正確定位，將永久的硬件錯誤從軟件錯誤中獨立出來，其協議采用CRC檢驗，并提供相應的錯誤處理功能，同時保證了數據通信的可靠性。
混合式控制系統的提出
現場總線控制系統FCS應該與集散控制系統DCS相互兼容。首先從工程成本與效益看，現場總線的優勢是良好的互操作性，結構簡單，布線費用低；控制功能分散，靈活可靠，以及現場信息豐富。然而這些優勢是建立在FCS系統初裝的前提下，倘若企業建立有完善的DCS，要向FCS過渡，則必須仔細考慮現有投資對已有投資的回報率。充分利用已有的DCS設施，現有DCS的布線以及成熟的DCS控制管理方式來實現FCS是首選之途。雖然現場總線對已有的數字現場協議有優勢可言，但向其過渡的代價與風險比較大。再者，從技術的繼承及控制手段上，也要求FCS與DCS應相互兼容。FCS實現控制功能下移至現場層，使DCS的多層網絡被扁平化，各個現場設備節點的獨立功能得以加強，因此，在FCS中有必要增加和完善現場子層設備間的數據通訊功能。
FCS和DCS的集成主要包括三個方面：
(1)FCS和DCS輸入輸出總線的集成
DCS的控制站主要由控制單元(Control Unit，CU)和輸入輸出單元( Input Output Unit，IOU)組成，這兩個單元之間通過I/O總線連接。在I/O總線上掛接現場總線接口板或現場總線接口單元(Field bus Interface Unit，FIU)，如圖1所示?，F場儀表或現場設備通過現場總線與HU 通信，FIU 再通過I/O總線與DCS的控制單元通信。這樣便實現了現場總線和DCS輸入輸出總線的集成，即現場總線和DCS控制站的集成。
現場總線和DCS輸入輸出總線的集成具有以下3個特點：
①除了安裝現場總線接口板或現場總線接口單元外，不用對DCS再做其它變更；
②充分利用DCS控制站的運算和控制功能塊，因為初期開發的現場總線儀表中的功能塊數量和種類有限；
③利用已有DCS的技術和資源，投資少，見效快，便于推廣現場總線的應用。
(2)FCS和DCS網絡的集成
在DCS控制站的I/O總線上集成現場總線是一種最基本的初級集成技術，還可以在DCS的更高一層集成，即在DCS網絡(DCSnet)上集成現場總線，如圖2所示?，F場總線服務器(FieldbuSServer，FS)掛接在DCS網絡上，FS是一臺完整的計算機，并安裝了現場總線接口卡和DCS網絡接口卡。
現場設備或現場儀表通過現場總線與其接口卡通信，現場儀表中的輸入、輸出、控制和運算等功能塊可以在現場總線上獨立構成控制回路，而不必借用DCS控制站的功能?，F場總線服務器通過其DCS網絡接口卡與DCS網絡(DCSnet)通信，也可以把FCS看作DCS網絡上的一個節點或DCS的一臺設備。這樣FCS和DCS之間可以互相共享資源。FCS直接借用DCS的操作員站或工程師站。
FCS和DCS網絡的集成具有以下4個特點：①除了安裝現場總線服務器外，不用對DCS再做其它變更；② 在現場總線上可以獨立構成控制回路，實現徹底的分散控制；③現場總線服務器中一些高級功能塊，可以與現場儀表中的基本功能塊統一組態，構成復雜控制回路；④利用已有DCS的部分資源，投資少、見效快，便于推廣現場總線的應用。
(3)FCS和DCS的系統集成
FCS和DCS的系統集成可以有兩種方式：一種是FCS網絡(FCSnet)通過網關(Gateway)與DCS網絡(DCSnet)集成，在各自網絡上直接交換信息，如圖3所示；另一種是FCS和DCS分別掛接在企業網絡( Intranet)上，通過企業網絡間接交換信息。
FCS和DCS的集成具有以下4個特點：①獨立安裝FCS，對DCS幾乎不做任何變更，只需在DCSnet上接一臺網關；②FCS是一個完整的系統，不必借用比DCS的資源；③既有利于FCS的發展和推廣，又有利于充分利用現有DCS的資源；④系統投資大，適用于新建裝置。
基于混合控制的多軸超聲檢測系統
多軸超聲檢測系統要完成的主要功能如下：多軸聯動超聲自動掃查檢測；棒材的螺旋面成像、橫截面成像和縱截面成像；鍛件和碳纖維的平面掃描；準三維掃描成像；A/B/C成像和分析；缺陷定量及其缺陷圖像分析；缺陷定位及標記等。
該超聲檢測系統的各個I/O組件及各主件內部的各模塊之間的數據聯系采用了傳統的并行網絡，系統控制網絡引入了CANbus，通過該總線可以實現對現場伺服控制器直接控制，同時還可實現該系統同其他超聲設備間的數據交換。如果采用多主模式還可以向上融入系統網絡。多軸超聲檢測系統的結構示意圖如圖4。
為了完成多軸聯動超聲自動掃查檢測，采用CAN總線對多臺伺服電機進行控制。系統中選用安裝在控制站中的CAN總線適配卡與CAN總線相連，實現現場總線和DCS輸入輸出總線集成，現場節點是帶有CAN控制端口的6只伺服控制器，通過伺服控制器來完成對外圍的伺服電機的控制，實現各種點位運動。采用德國百格拉公司的TCL6系列控制器，該型控制器除了具有伺服控制器的全部基本功能外，它還內置可編程邏輯控制器(PLC)，可以編程控制，通過在TCL6基礎上添加CAN通訊接口，實現遠程控制。
基于現場總線的通訊和控制策略：首先初始化CAN總線適配卡和CAN通訊接口；實現總線適配卡與控制器之間的通訊。其次，通過總線傳輸數據到控制器中，PC機先把需要下傳的數據按一定的數據結構寫入PCCAN卡中，PCCAN卡把該數據傳送到總線上，當與總線數據中的包含的目的地址相同的控制器探測到總線上的該數據，開始接受該數據并檢查數據在傳送中是否被破壞，如完整將執行該指令，同時向PCCAN傳送肯定的回答信息。當通訊建立后，電機按指令完成動作，通過PLC可以把固定的運動方式固化在控制器中。為了減輕總線的通訊壓力，通過PLC編程來完成主要的運動控制工作。例如，在已知運動軌跡的情況下，采用電子齒輪比模式時，把已知運動軌跡分段并把每段的電子齒輪比一起編入特定的PLC程序段中，完成以主軸電機為主的隨動控制。
實際運用中，只需從總線發出一個開始的廣播信號，下屬電機的運動控制就由PLC單獨完成，PLC通過計算光電編碼器反饋的信號，適時調用預制的電子齒輪比來完成復雜的運動。這種處理方式就比上位機通過總線實時訪問光電編碼器的信號來改變每臺電機的電子齒輪要簡單，總線只需按照監視界面讀取電機位置狀態即可。采用這樣的設計可減少總線50%的通訊任務，也減輕了上位機的工作強度，以便上位機有更多的資源解決其它運算任務。
該系統能夠較好完成多功能檢測系統的要求，由于選擇了總線控制，使系統較以前的控制方式可靠性得到大大提高，同時還連線簡化。同時因為內置PLC的伺服控制器的運用，這使得上位機的一部分工作移到下位機處理，上位機就有了更多的資源來進行相應的圖像處理等工作。
結 論
根據測控系統中FCS與DCS的特點，本文分析了FCS與DCS的控制機理和應用現狀，提出了“FCS和DCS輸入輸出總線的集成”、“FCS和DCS網絡的集成”和“FCS和DCS的集成”三種混合式控制模型，并對混合式控制模型采用的控制策略和通訊機理做了研究。通過多軸超聲檢測系統項目的研究和現場實施驗證了FCS和DCS的集成模型的可行性，并對該模型在項目實施應用過程遇到的技術難點作了詳細闡述。
控制系統由五十多年前的PCS( PneumatiCControl System)的第一代控制系統，經歷了ACS(AnalogouSControl System)、CCS(ComputerControl System)和DCS(Distributed Control System)，而發展成今天的第五代控制系統———現場總線控制系統FCS(FieldbuSControl System)。
集散控制系統DCS由操作站、控制站(監視站)、應用模件與歷史模件、通訊網絡和工程師站等組成。DCS除采用高可靠性的軟硬件以及通信網絡、控制站等冗余措施外，還使用故障檢測與診斷工程軟件，可對生產工況進行監測，從而及早發現故障，及時采取措施，提高了生產的安全性。
上世紀80年代后期，在DCS的基礎上開始開發一種適用于工業環境的網絡結構和網絡協議，并實現傳感器、控制器層的通信，這就是現場總線。但研究工作進展緩慢，而且無國際標準可遵守。國際電工委員會( IEC)于2000年1月正式公布了IEC61158現場總線全部技術標準。但此標準中容納了8種互不兼容的通信協議。由于是妥協于各方面的既有利益，并沒有實現完全統一國際標準的初衷。
CAN(ControllerArea Network)總線是現場總線的一種，它一般采用典型的串行總線拓撲結構進行通訊，這種方式的位速率低于環形結構，但是結構簡單、成本低、而且通信可靠。CAN總線因傳輸時間短，受干擾的概率低，保證了通信的實時性。CAN能對錯誤的來源進行正確定位，將永久的硬件錯誤從軟件錯誤中獨立出來，其協議采用CRC檢驗，并提供相應的錯誤處理功能，同時保證了數據通信的可靠性。
混合式控制系統的提出
現場總線控制系統FCS應該與集散控制系統DCS相互兼容。首先從工程成本與效益看，現場總線的優勢是良好的互操作性，結構簡單，布線費用低；控制功能分散，靈活可靠，以及現場信息豐富。然而這些優勢是建立在FCS系統初裝的前提下，倘若企業建立有完善的DCS，要向FCS過渡，則必須仔細考慮現有投資對已有投資的回報率。充分利用已有的DCS設施，現有DCS的布線以及成熟的DCS控制管理方式來實現FCS是首選之途。雖然現場總線對已有的數字現場協議有優勢可言，但向其過渡的代價與風險比較大。再者，從技術的繼承及控制手段上，也要求FCS與DCS應相互兼容。FCS實現控制功能下移至現場層，使DCS的多層網絡被扁平化，各個現場設備節點的獨立功能得以加強，因此，在FCS中有必要增加和完善現場子層設備間的數據通訊功能。
FCS和DCS的集成主要包括三個方面：
(1)FCS和DCS輸入輸出總線的集成
DCS的控制站主要由控制單元(Control Unit，CU)和輸入輸出單元( Input Output Unit，IOU)組成，這兩個單元之間通過I/O總線連接。在I/O總線上掛接現場總線接口板或現場總線接口單元(Field bus Interface Unit，FIU)，如圖1所示?，F場儀表或現場設備通過現場總線與HU 通信，FIU 再通過I/O總線與DCS的控制單元通信。這樣便實現了現場總線和DCS輸入輸出總線的集成，即現場總線和DCS控制站的集成。
現場總線和DCS輸入輸出總線的集成具有以下3個特點：
①除了安裝現場總線接口板或現場總線接口單元外，不用對DCS再做其它變更；
②充分利用DCS控制站的運算和控制功能塊，因為初期開發的現場總線儀表中的功能塊數量和種類有限；
③利用已有DCS的技術和資源，投資少，見效快，便于推廣現場總線的應用。
(2)FCS和DCS網絡的集成
在DCS控制站的I/O總線上集成現場總線是一種最基本的初級集成技術，還可以在DCS的更高一層集成，即在DCS網絡(DCSnet)上集成現場總線，如圖2所示?，F場總線服務器(FieldbuSServer，FS)掛接在DCS網絡上，FS是一臺完整的計算機，并安裝了現場總線接口卡和DCS網絡接口卡。
現場設備或現場儀表通過現場總線與其接口卡通信，現場儀表中的輸入、輸出、控制和運算等功能塊可以在現場總線上獨立構成控制回路，而不必借用DCS控制站的功能?，F場總線服務器通過其DCS網絡接口卡與DCS網絡(DCSnet)通信，也可以把FCS看作DCS網絡上的一個節點或DCS的一臺設備。這樣FCS和DCS之間可以互相共享資源。FCS直接借用DCS的操作員站或工程師站。
FCS和DCS網絡的集成具有以下4個特點：①除了安裝現場總線服務器外，不用對DCS再做其它變更；② 在現場總線上可以獨立構成控制回路，實現徹底的分散控制；③現場總線服務器中一些高級功能塊，可以與現場儀表中的基本功能塊統一組態，構成復雜控制回路；④利用已有DCS的部分資源，投資少、見效快，便于推廣現場總線的應用。
(3)FCS和DCS的系統集成
FCS和DCS的系統集成可以有兩種方式：一種是FCS網絡(FCSnet)通過網關(Gateway)與DCS網絡(DCSnet)集成，在各自網絡上直接交換信息，如圖3所示；另一種是FCS和DCS分別掛接在企業網絡( Intranet)上，通過企業網絡間接交換信息。
FCS和DCS的集成具有以下4個特點：①獨立安裝FCS，對DCS幾乎不做任何變更，只需在DCSnet上接一臺網關；②FCS是一個完整的系統，不必借用比DCS的資源；③既有利于FCS的發展和推廣，又有利于充分利用現有DCS的資源；④系統投資大，適用于新建裝置。
基于混合控制的多軸超聲檢測系統
多軸超聲檢測系統要完成的主要功能如下：多軸聯動超聲自動掃查檢測；棒材的螺旋面成像、橫截面成像和縱截面成像；鍛件和碳纖維的平面掃描；準三維掃描成像；A/B/C成像和分析；缺陷定量及其缺陷圖像分析；缺陷定位及標記等。
該超聲檢測系統的各個I/O組件及各主件內部的各模塊之間的數據聯系采用了傳統的并行網絡，系統控制網絡引入了CANbus，通過該總線可以實現對現場伺服控制器直接控制，同時還可實現該系統同其他超聲設備間的數據交換。如果采用多主模式還可以向上融入系統網絡。多軸超聲檢測系統的結構示意圖如圖4。
為了完成多軸聯動超聲自動掃查檢測，采用CAN總線對多臺伺服電機進行控制。系統中選用安裝在控制站中的CAN總線適配卡與CAN總線相連，實現現場總線和DCS輸入輸出總線集成，現場節點是帶有CAN控制端口的6只伺服控制器，通過伺服控制器來完成對外圍的伺服電機的控制，實現各種點位運動。采用德國百格拉公司的TCL6系列控制器，該型控制器除了具有伺服控制器的全部基本功能外，它還內置可編程邏輯控制器(PLC)，可以編程控制，通過在TCL6基礎上添加CAN通訊接口，實現遠程控制。
基于現場總線的通訊和控制策略：首先初始化CAN總線適配卡和CAN通訊接口；實現總線適配卡與控制器之間的通訊。其次，通過總線傳輸數據到控制器中，PC機先把需要下傳的數據按一定的數據結構寫入PCCAN卡中，PCCAN卡把該數據傳送到總線上，當與總線數據中的包含的目的地址相同的控制器探測到總線上的該數據，開始接受該數據并檢查數據在傳送中是否被破壞，如完整將執行該指令，同時向PCCAN傳送肯定的回答信息。當通訊建立后，電機按指令完成動作，通過PLC可以把固定的運動方式固化在控制器中。為了減輕總線的通訊壓力，通過PLC編程來完成主要的運動控制工作。例如，在已知運動軌跡的情況下，采用電子齒輪比模式時，把已知運動軌跡分段并把每段的電子齒輪比一起編入特定的PLC程序段中，完成以主軸電機為主的隨動控制。
實際運用中，只需從總線發出一個開始的廣播信號，下屬電機的運動控制就由PLC單獨完成，PLC通過計算光電編碼器反饋的信號，適時調用預制的電子齒輪比來完成復雜的運動。這種處理方式就比上位機通過總線實時訪問光電編碼器的信號來改變每臺電機的電子齒輪要簡單，總線只需按照監視界面讀取電機位置狀態即可。采用這樣的設計可減少總線50%的通訊任務，也減輕了上位機的工作強度，以便上位機有更多的資源解決其它運算任務。
該系統能夠較好完成多功能檢測系統的要求，由于選擇了總線控制，使系統較以前的控制方式可靠性得到大大提高，同時還連線簡化。同時因為內置PLC的伺服控制器的運用，這使得上位機的一部分工作移到下位機處理，上位機就有了更多的資源來進行相應的圖像處理等工作。
結 論
根據測控系統中FCS與DCS的特點，本文分析了FCS與DCS的控制機理和應用現狀，提出了“FCS和DCS輸入輸出總線的集成”、“FCS和DCS網絡的集成”和“FCS和DCS的集成”三種混合式控制模型，并對混合式控制模型采用的控制策略和通訊機理做了研究。通過多軸超聲檢測系統項目的研究和現場實施驗證了FCS和DCS的集成模型的可行性，并對該模型在項目實施應用過程遇到的技術難點作了詳細闡述。
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