【摘要】 隨著網(wǎng)絡通信技術、計算機硬件技術、現(xiàn)場總線技術等信息技術的發(fā)展 ，工業(yè)控制系統(tǒng)己成為計算機技術應用領域中最具活力的一個分支，特別是 DCS （分 散 式控制系統(tǒng)）。 本文給出基于 FDT 技術，集成現(xiàn)場總線（ Fieldbus ）的 分散控制系統(tǒng)（ DCS ）一體化網(wǎng)絡解決方案設計方法，在現(xiàn)階段 DCS 應用開發(fā)過程中 具有較好的應用推廣價值 。
【關鍵字】 FDT DTM DCS Fieldbus 分散控制系統(tǒng) 現(xiàn)場總 線
1 分散控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢 從 50 年代末期，計算機開始應用于工業(yè)過程控制領域，數(shù)字式控制技術取得了長足的發(fā)展，此后微處理機技術和數(shù)字通訊技術的飛速發(fā)展，促使了 1975 年分散控制系統(tǒng)的誕生。三十年來，分散控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中迅速普及，目前廣泛應用于電力、石化、冶金等行業(yè)，分散控制系統(tǒng)的應用大幅度地提高了生產(chǎn)過程的安全性、經(jīng)濟性、穩(wěn)定性和可靠性。
隨著網(wǎng)絡通信技術、計算機硬件技術、現(xiàn)場總線技術、各種組態(tài)軟件技術、數(shù)據(jù)庫技術等信息技術的發(fā)展，以及用戶對先進的控制功能與管理功能需求的增加，近年來，各 DCS 廠商紛紛推出以 Information ( 信息 ) 和 Integration （集成）為主要標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)不是一個以控制功能為主的控制系統(tǒng)，而是一個充分發(fā)揮信息管理功能的綜合平臺系統(tǒng)； DCS 的集成性則體現(xiàn)在功能的集成和產(chǎn)品的集成。過去的 DCS 廠商基本上是以自主開發(fā)為主，提供的系統(tǒng)也是自己的系統(tǒng)。當今的 DCS 廠商更強調(diào)的系統(tǒng)集成性和方案能力， DCS 中除保留傳統(tǒng) DCS 所實現(xiàn)的過程控制功能之外，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 ，實現(xiàn)真正的 DCS ，充分展示 DCS 平臺的開放性與服務的專業(yè)化，為不同的用戶提供專業(yè)化的解決方案并實施專業(yè)化的服務，將是今后各 DCS 廠家和系統(tǒng)集成商競爭的焦點，同時也是各廠家盈利的主要來源。
2 現(xiàn)場總線及應用現(xiàn)狀 現(xiàn)場總線（ Fieldbus ）是 90 年代中期發(fā)展起來的一種新技術，是將現(xiàn)場的控制器和智能儀表設備互連的實時控制通訊網(wǎng)絡，遵循 ISO 的 OSI 開放系統(tǒng)互連協(xié)議，雙向傳輸，支持雙向多節(jié)點，總線式的全數(shù)字通訊。現(xiàn)場總線技術順應了“智能化，數(shù)字化，信息化，網(wǎng)絡化，分散化”的自控技術發(fā)展的主流，是當今自動控制技術發(fā)展的熱點，代表了工業(yè)控制領域今后的一種發(fā)展方向。隨著市場需求的急劇增長和包括智能儀表在內(nèi)的現(xiàn)場總線產(chǎn)品的大量出現(xiàn)，現(xiàn)場總線技術在工業(yè)控制領域?qū)缪菰絹碓街匾慕巧?/SPAN>
但總線目前處于多種并存的局面， 成為國際標準的現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)就有數(shù)十種； FCS 與成熟的 DCS 相比，由于現(xiàn)場總線標準本身在發(fā)展中，從而給產(chǎn)品的開發(fā)和測試帶來難度，大多數(shù)用戶更傾向于對他們現(xiàn)有的儀表系統(tǒng)進行逐步的增添和替換；其次，在某些場合中， FCS 還無法提供 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，對于費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、富于實用價值的應用�，F(xiàn)場總線集成于 DCS 系統(tǒng)是現(xiàn)階段控制網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢。
3 FDT 技術 FDT ( Field Device Tool) 是一種開放、獨立、公開的軟件接口規(guī)范。該規(guī)范描述了工程框架和設備軟件組織之間的軟件接口和相互關系。 FDT 規(guī)范主要包括二個要素：設備類型管理器 (DTM) 、框架應用程序 (FA) 。它們是基于客戶端與服務器模型，其中 DTM 作為框架應用程序管理的服務器組件。
3.1 FDT 框架應用程序 (FA) FDT 框架應用程序提供 FDT 接口，可以集成各種類型的 DTM ，并通過 DTM 訪問現(xiàn)場設備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互與管理。 FDT 框架應用程序保證了系統(tǒng)的一致性，并可實現(xiàn)多用戶環(huán)境與客戶服務器操作。
3.2 設備類型管理器 (DTM) 設備類型管理器（ DTM ）是一種設備描述軟件的組件，由現(xiàn)場設備制造商提供，它必須在 FDT 框架程序中運行。 DTM 通過滿足此規(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)場總線設備開放并且滿足了不同類型的設備集成到異構(gòu)控制系統(tǒng)的需要。 DTM 提供了簡單的圖形用戶界面，了解硬件的邏輯規(guī)則，參數(shù)設定與配置信息。它可以分為三類：直接訪問通訊模塊的被稱為通訊 DTM ；用來作為不同通訊協(xié)議間路由的稱為網(wǎng)關 DTM ；代表現(xiàn)場設備的稱為設備 DTM 。設備 DTM 必須要通過通訊 DTM 或網(wǎng)關 DTM 來訪問各種智能設備。
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 在一個傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)項目中大量的來自不同供應商的不同類型設備使系統(tǒng)的組態(tài)任務十分費時費力。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)]有標準化，所以經(jīng)常必須將數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，這需要很精深的專業(yè)知識。為了保證數(shù)據(jù)、文件、組態(tài)信息完全轉(zhuǎn)換，必須對系統(tǒng)進行十分嚴格的測試。此外，中央控制室對系統(tǒng)的監(jiān)控無法覆蓋現(xiàn)場總線設備的全部功能，不同的設備專用工具也無法整合到系統(tǒng)軟件工具。隨著工業(yè)網(wǎng)絡通信協(xié)議越來越多，給用戶的系統(tǒng)集成帶來很多困惑和困難。為了把不同標準的網(wǎng)絡、不同廠商的設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，承擔很大的系統(tǒng)穩(wěn)定和安全風險。
F D T 出現(xiàn)，很好的解決上述的這個問題，把多通信協(xié)議連接到一個簡單易用的用戶平臺，充分利用設備供應商在設備上傳遞的專業(yè)知識，降低最終用戶的成本和風險。結(jié)合現(xiàn)場總線（ Fieldbus ）新特性，將 FDT 技術應用于分散控制系統(tǒng)（ DCS ）中，一方面，降低 DCS 廠商開發(fā) DCS 系統(tǒng)集成現(xiàn)場總線（ Fieldbus ）的難度，將多種現(xiàn)場總線友好的集成到 DCS 系統(tǒng)中；另一方面，充分利用設備供應商在設備上傳遞的專業(yè)知識，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)場總線的 DCS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系中，自下而上，現(xiàn)場總線可與 DCS 的 I/0 總線、過程總線集成，或通過網(wǎng)關與 DCS 系統(tǒng)并行集成。 DCS 系統(tǒng)中的 I/O 總線其實也是一種現(xiàn)場總線，現(xiàn)場總線與 I/O 總線的集成其實是不同總線協(xié)議之間的互聯(lián)互通，其關鍵是通過一個現(xiàn)場總線接口卡掛接到 DCS 的 I/O 總線上，把現(xiàn)場總線當中的數(shù)據(jù)信息映射成原有 DCS 的 I/O 總線上相對應的數(shù)據(jù)信息；現(xiàn)場總線于 DCS 過程總線層的集成是把現(xiàn)場總線通過接口卡掛到 DCS 系統(tǒng)的網(wǎng)絡層，現(xiàn)場總線中的控制信息和測量信息都可以通過 DCS 的操作員站進行瀏覽并進行修改；現(xiàn)場總線與 DCS 系統(tǒng)并行集成，是現(xiàn)場總線通過網(wǎng)關與 DCS 系統(tǒng)實現(xiàn)信息互聯(lián)，現(xiàn)場總線本身是一套 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的功能。
硬件部分：自下而上完成現(xiàn)場總線協(xié)議（ FF 、 HART 、 Profibus 等）到私有協(xié)議的轉(zhuǎn)換，包括相關支持硬件部分。
軟件部分：（ 1 ）基于 FDT 規(guī)范接口協(xié)議，完成 FDT 應用程序框架及與協(xié)議匹配的通信 DTM 、網(wǎng)關 DTM 的開發(fā)；（ 2 ）與 DCS 上位機軟件交互接口，便于 DCS 上位機軟件集成；（ 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：框架應用程序發(fā)出命令；設備 DT M 向通信 DTM 發(fā)送請求；通信 DTM 向網(wǎng)絡發(fā)送通信命令；通信 DTM 對設備 DT M 的請求做出回應，設備 DT M 將采集到的數(shù)據(jù)顯示在它的用戶界面。 DCS 上位機軟件和企業(yè)管理軟件通過 FDT 接口與 DTM 的數(shù)據(jù)交互獲得非實時數(shù)據(jù)，監(jiān)控層與企業(yè)管理層也能隨時了解設備狀況和整個工廠的生產(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、遠程配置與診斷、在線調(diào)校、標定管理、預測性維護、日志記錄跟蹤、設備資產(chǎn)管理功能于 DCS 系統(tǒng)一體。為客戶在解決非現(xiàn)場過程控制同時，提供的設備管理與維護功能，使智能設備自身能夠發(fā)揮最大的生產(chǎn)效益，減少儀表的損耗并降低維護成本，為用戶提供一個快速、方便、統(tǒng)一的管理平臺，不僅可以使工廠在減少操作、維護的工作量和運營成本，大幅提高工廠設備的可用性、生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量，而且可以實現(xiàn)設備管理系統(tǒng)與 DCS 的無縫集成�？梢苑奖愕貙⒉煌膹S家設備、不同的系統(tǒng)、不同的運行軟件集成為一個整體，從而為智能設備預防性維護、預測性維護及前攝性維護提供一體化解決方案。
5 結(jié)語
本文介紹的系統(tǒng)作為對常規(guī) DCS 系統(tǒng)的一種改進系統(tǒng)，突出了如何借助 FDT 技術充分發(fā)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的優(yōu)越性，真正實現(xiàn) DCS 的開放性及互操作性，推進 DCS 向信息化、集成化方向發(fā)展；在其他工業(yè)應用場合，都具有較好的應用推廣價值。
