编者语： 正如电子技术是单元式组合仪表控制系统的关键技术，软件技术是数字化控制系统如DCS、PLC等的关键技术一样，网络技术将是FCS的关键技术。可以说，一套简洁明了、高效可靠、标准化的网络通信规约将是FCS能否真正成为下一代控制系统的关键。

1 现场信号的通信将从模拟方式走向数字方式

   对于一个控制系统来说，其前端的测量和后端的控制是最基础的功能，执行测量、控制功能的设备也是控制系统中最为重要、不可或缺的组成部分。完成测量功能的设备一般称作传感器和变送器，而完成控制功能的设备则称为执行器，这些设备又统称为现场设备，即直接与现场连接的设备，是控制系统与被控对象的接口。

   现场设备要正常工作并完成系统赋予它的功能，必须要解决两大问题，一是现场设备本身的供电问题（某些传感器不需供电，如热电偶），另一个是系统与现场设备之间的信号传输问题。供电的问题比较好理解，任何设备要正常工作，就必须由供电电源为其提供所需的能量；而信号的传输问题则比较复杂。

   上面谈到，现场设备是控制系统与被控对象之间的接口，因此现场设备是一个“两面”的设备：一方面，现场设备需要与被控对象实现信号的传输，另一方面，现场设备还要与系统进行信号的传输。这是由于被控对象所产生的测量信号和施加于被控对象的控制信号大多不是规范的电信号（电流、电压等），必须经过现场设备的转换，使其成为便于控制系统处理的、统一规格的电信号。一般情况下，现场设备都会安装在现场，即被控对象一侧，与测量控制元件形成了一个一体化的设备，而控制系统则安装在集中控制室中。因此现场设备与被控对象之间的信号连接往往不认为是传输问题，而只把现场设备与控制系统之间的信号连接看成是信号传输。

   在以常规仪表组成的模拟控制系统（一般指电动单元组合仪表）中，现场设备通过标准的4-20mA电流来表示测量值，控制单元使用模拟技术进行控制运算并输出用4-20mA电流表示的控制值，现场设备使用这个控制值实施控制；而在以计算机为控制器的数字式控制系统（如DCS、PLC等）中，系统首先要将现场设备的4-20mA测量值进行A/D转换，即进行数字化，经过计算机的运算后产生控制值，再经过D/A转换形成4-20mA的控制值，由现场设备实施控制。

   习惯上，数字式控制系统中的A/D转换和D/A转换均被认为是控制系统的一个组成部分，因此无论是模拟控制系统还是数字控制系统，其与现场设备的信号传输均采用4-20mA的标准模拟信号。可以说这是一个沿用了多年，并得到广泛认可、成熟可靠的信号传输标准。

   进入新世纪以后，随着信息技术和网络技术的快速发展，人们对现场与控制系统之间的信号传输提出了更高的要求。原来以4-20mA标准为基础的传输体系只能够传输一个信号，或是测量值，或是控制值，除此而外没有其它信息。但这个信号的质量如何，例如是否因断路或短路而使信号表现为最大值或最小值，或是否由于在信号传输过程中被干扰而与实际值产生了较大的偏差等，这些信息均无法体现。虽然4-20mA的标准比0-10mA的标准在断路或短路检测方面有了很大的改进，但其能力仍然是有限的。另外，对于现场除测量和控制值以外的信息传输，如现场设备本身的诊断信息、被控对象的参数和运行状态信息等，4-20mA标准是完全无能为力的。随着自动化系统的控制功能不断地完善和深入，控制系统越来越走向集成化，即除了基本的回路控制以外，还需要控制系统完成更加复杂的综合控制和协调控制，系统从单一的设备控制发展到多设备、多工序的联合控制。另外，控制系统也越来越多地与企业的生产调度、经营管理相结合，形成从底层控制到高层管理一体化的完整系统。在这样的发展趋势推动下，模拟传输体系所固有的通信能力差的问题越来越突出，而以数字化的网络通信替代模拟信号传输的要求也越来越迫切。

   由于模拟信号传输体系的上述不足，数字化的网络传输体系自然受到了极大的关注。数字传输的最大特点是可以携带巨大的信息量，其数量比模拟信号传输要大成百上千倍。而且，数字信号的传输可以施加有效的校验手段，以保证信号能够无失真地进行传输，因此有极强的抗干扰能力。在进行信息集成方面，数字通信更是有着无可比拟的优势。

2 数字通信方式面临的问题

   虽然数字信号传输体系比模拟信号传输体系有着巨大的优势，但要大规模应用并取代模拟信号传输体系还要解决不少问题。

   首先，是信号传输的实时性问题。对于模拟信号来说，由于采用了一个电流值来表示物理量的大小，而这个电流的瞬时值随时可以测量，即使通过较长的传输线，信号的延迟也仅仅是电子传递时间，因此可以认为其对物理量的表达基本上是没有延迟的。而数字信号则不同，由于数字信号是用一串0或1组成的“比特流”来表达物理量的值，因此要得到一个物理量，就必须将表达该物理量的所有比特完整地接收下来，然后才能够得到物理量的值。显然，这个过程是需要时间的，其长短与传输线路的“比特率”有关，同时还与在同一条线路上传输的信号数量有关。这样，在数字信号传输体系中，我们就必须评估信号传输的延迟是否在保证控制质量所允许的范围之内，这就是我们经常谈论的“实时性”问题。

   第二，是要解决数字传输的成本问题。对于模拟信号来说，其接口电路十分简单，甚至可以直接使用模拟信号驱动运算、显示等单元。而数字信号则需要比较复杂的接口电路，同时还需要用软件对数字信号进行处理，因此在数字传输线路的两端均需要配备能够执行软件的微处理器。当然通过在同一条传输线路上传送多个物理量的方法可以将传输成本均摊，达到降低每个信号传输费用的目的，但这又要牺牲实时性，因此需要进行权衡。

   第三，是要解决数字传输的可靠性问题。从原理上讲，数字传输因为可以采取多种校验措施，因此可以保证信号在传输过程中不失真。但因为数字传输是基于比特流的，先后传输的各个比特之间的关联性极强，任何一个比特的错码均可导致一次传输的失败，而这样的传输失败往往又影响到后面的传输。一旦出现这种情况，控制系统将不能够在要求的时间内得到信息或发出信息，严重时将使系统失效。另外，为了充分利用数字传输的容量，除测量控制信号外，在同一线路上还经常传输其它信息，如设备诊断信息、设备参数信息、设备状态信息等。如果软件处理得不好，这些信息就会对测量和控制信号造成干扰，至少会影响测量控制信号传输的实时性。

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   总之，模拟信号传输体系是一种一对一的单一参数传输体系，其实时性有确切保证，在传输线受到破坏时影响面小，但基本上不具备信息集成能力；而数字化的网络通信体系则是一种一对多的、多参数传输体系，因此有极强的信息集成能力，但在传输线受到破坏时对系统的影响面大，同时还要综合考虑传输系统的实时性和成本因素。

3 现场总线控制系统FCS

   目前在自动化界，最为热点的技术当属现场总线技术，其根本点是将现场设备与控制系统之间的信号传输由模拟传输体系改变为数字网络通信体系。而这个在信号传输体制方面的变化，造成了控制系统在体系结构方面发生了一些根本性的改变，因此出现了“现场总线控制系统”（Field bus Control System - FCS）这样一个全新的系统概念和形态。

   如前所述，DCS是一种有几十年发展历史的、非常成熟可靠的控制系统。它是在集中式数字控制系统的基础上演进而来的，DCS将所有要进行控制的回路分成若干组，每组由一个控制器进行控制，同时通过系统网络将各个控制器连接起来，并与人机界面、数据库服务器和高层控制管理服务器等计算机相连接，成为一个完整的系统。DCS具备数字控制的优势，又对控制进行了适度的分散以降低某台控制器失效带来的风险。与模拟方式的单元组合仪表控制系统相比，DCS实现了数字控制，并对控制回路进行了适度的集中以提高控制功能；与集中式数字控制系统相比，DCS对控制回路进行了适度的分散以降低失效风险，这就形成了DCS独有的体系结构。

   控制器是DCS实现控制的核心，它由一个主处理单元、A/D和D/A转换器、与上层计算机的网络接口以及相应的软件系统组成。控制器通过A/D得到现场测量信号，经过控制计算，将计算结果通过D/A送给现场执行控制。同时，控制器还通过网络接口将与人机界面、高层管理与计算相关的信息送往相应的计算机。如果控制器之间需要交换信息，例如需要得到其它控制器的信号或将信号送往其它控制器，也将通过网络进行通信传递。

   根据FCS的设计理念，FCS是一种既实现了数字控制，又具有类似单元组合仪表体系结构（即每个控制回路一个控制单元）的系统。

   下面我们可以大致分析一下FCS的体系结构：为了实现现场设备与控制系统的数字通信，各个现场设备都必须具有能够将模拟信号转换成数字信号的A/D或D/A转换器、同时还需要有能够对数字信号进行运算处理的嵌入式微控制器、当然还需要具备进行现场总线通信的网络接口以及相应的处理软件。这些配置已完全满足了形成一个单个回路控制所需要的各种条件，因此很自然地形成了FCS体系结构。

   从控制系统的体系结构来看，单元式组合仪表以单回路控制为基础，集中式计算机控制系统将所有控制回路集中处理，DCS将控制进行了适度的分散，由若干控制器分担所有回路的控制，而FCS则又回到了单回路控制的体系结构。这看上去是走了一个循环，FCS又回到了仪表控制的原点，但这里有着一个最本质的区别，就是FCS已不是基于模拟控制技术，而是发展为数字控制技术，是在完全新一代技术基础上的体系结构的回归。

   应该说，FCS既有仪表控制系统将危险性高度分散的优点，又具有数字控制系统控制精度高、一致性好、有强大通信能力的优势，是今后的发展趋势。但FCS目前面临的最大问题，是网络通信的问题。这正如数字技术取代模拟技术时，所遇到的最大问题是软件的问题一样。当年人们都看到了数字技术具有模拟技术无法比拟的强大功能，因此都一致认同数字技术必将取代模拟技术，但人们还是花了很多时间和精力去解决软件的正确性、快速性、稳定性等问题，直到这些问题都解决了，才真正进入了数字控制时代。

   按照FCS的体系结构，控制系统将不再有集中或相对集中的控制器，其功能将嵌入到现场设备之中。控制系统的主控制室端将只包括人机界面工作站、全局实时数据库服务器、高层控制计算机、生产管理计算机等设备。现场与主控制室之间将通过现场总线实现通信。在这里，现场总线承担着双重的通信任务。其一是为了实现对现场的控制，嵌入式控制器必须通过现场总线获取被控对象的实时信息，或通过现场总线向被控对象发出控制命令。其二，现场的嵌入式控制器需要通过现场总线将被控对象的测量值、设备参数、运行状态、诊断信息、控制量等一系列数据送到主控制室；而主控制室也要通过现场总线将控制设定值、人工干预控制命令、包括对控制器的组态数据等信息送到现场嵌入式控制器。从这里我们可以看出，现场总线承担了繁重而复杂的通信任务。而如果有多个嵌入式控制器共用同一条现场总线，则通信任务将更加繁重。由于控制系统的几乎所有功能都依赖现场总线的通信实现，因此通信的可靠性、实时性、稳定性成为控制系统的核心问题。影响以上通信性能的因素，既有现场总线硬件性能，如通信速率、误码率、抗干扰能力等指标，也包括现场总线网络通信规约设计的合理性、有效性、时序逻辑的正确性等指标。

   当前，国际上各个自动化公司都在现场总线方面投入了巨大的资源进行研究与开发，因为这是进入下一代控制系统的关键技术，谁能够为解决现场总线目前存在的问题拿出完整有效的解决方案，谁就占据了市场的先机。另外，下一代控制系统要真正形成巨大的市场，除技术上要走向成熟之外，还要有一个能够得到广泛认可的标准。

   作者：罗  安（1946－）男，研究员级高级工程师，享受国家政府特殊津贴专家。长期从事自动化控制系统的研究开发、工程应用工作，现任北京和利时系统工程股份有限公司总工程师。