淺談DCS集散控制系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)

　　1．集散控制系統(tǒng)DCS與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS的比較

　　1．1 概述FCS、DCS

　　FCS是在DCS的基礎上發(fā)展起來的，F(xiàn)CS順應了自動控制系統(tǒng)的發(fā)展潮流，它必將替代DCS。這已是業(yè)內(nèi)人士的基本共識。然而，任何新事物的發(fā)生，發(fā)展都是在對舊事物的揚棄中進行的，F(xiàn)CS與DCS的關(guān)系必然也不例外。FCS代表潮流與發(fā)展方向，而DCS則代表傳統(tǒng)與成熟，也是獨具優(yōu)勢的事物。特別是現(xiàn)階段，F(xiàn)CS尚沒有統(tǒng)一的國際標準而呈群雄逐鹿之勢，DCS則以其成熟的發(fā)展，完備的功能及廣泛的應用而占居著一個尚不可完全替代的地位。本人認為：現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS應該與集散式控制系統(tǒng)DCS相互兼容。

　　無論是FCS或者是DCS，它們最終是為了滿足整個生產(chǎn)過程而進行的系統(tǒng)控制（PCS）。

　　首先以工程成本與效益看，現(xiàn)場總線的根本優(yōu)勢是良好的互操作性；結(jié)構(gòu)簡單，從而布線費用低；控制功能分散，靈活可靠，以及現(xiàn)場信息豐富。然而這些優(yōu)勢是建立在 FCS系統(tǒng)初裝的前提下，倘諾企業(yè)建立有完善的DCS，現(xiàn)在要向FCS過渡，則必須仔細考慮現(xiàn)有投資對已有投資的回報率。充分利用已有的DCS設施，現(xiàn)有DCS的布線以及成熟的DCS控制管理方式來實現(xiàn)FCS是我們應選之途。

　　雖然現(xiàn)場總線對已有的數(shù)字現(xiàn)場協(xié)議有優(yōu)勢可言，但向其過渡的代價與風險是必須分析清楚的。再者，從技術(shù)的繼承及控制手段上，也要求FCS與DCS應相兼容。FCS實現(xiàn)控制功能下移至現(xiàn)場層，使DCS的 多層網(wǎng)絡被扁平化，各個現(xiàn)場設備節(jié)點的獨立功能得以加強，因此，在FCS中有必要增加和完善現(xiàn)場子層設備間的數(shù)據(jù)通訊功能。

　　由于歷史的原因，DCS通常擁有大型控制柜用以協(xié)調(diào)各個設備，同時更強調(diào)層與層的數(shù)據(jù)傳輸?？梢?，兩種控制在策略上各具優(yōu)勢。DCS適用于較慢的數(shù)據(jù)傳輸速率；FCS則更適用于較快的數(shù)據(jù)傳輸速率，以及更靈活的處理數(shù)據(jù)。然而，當數(shù)據(jù)量超過一定值過于偏大時，如果同層的設備過于獨立，則很容易導致數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的堵塞。要解決這個問題，擬設立一個適當?shù)谋O(jiān)控層用以協(xié)調(diào)相互通訊的設備，必然是有益的，DCS就能輕松地勝任這一工作?？梢?，為使FCS的控制方式和手段完善化，是有必要借鑒DCS的一些控制思想的。

　　要把握新世紀工業(yè)過程控制的發(fā)展趨勢，無論在學術(shù)研究或是工程應用方面都有必要使FCS綜合與繼承DCS的成熟控制策略；與此同時，DCS的發(fā)展也應追尋FCS控制策略的新思想，使其具有新的生命力。DCS應能動地將底層控制權(quán)交付給FCS系統(tǒng)，將較高層的系統(tǒng)協(xié)調(diào)管理功能發(fā)揚光大，完成對新時代，新形勢的工業(yè)控制系統(tǒng)的智能設備集成。

　　1．2現(xiàn)場總線傳輸特點

　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）是順應智能現(xiàn)場儀表而發(fā)展起來的。它的初衷是用數(shù)字通訊代替4－20mA模擬傳輸技術(shù)，但隨著現(xiàn)場總線技術(shù)與智能儀表管控一體化（儀表調(diào)校、控制組態(tài)、診斷、報警、記錄）的發(fā)展，在控制領域內(nèi)引起了一場前所未有的革命?？刂茖＜覀兗娂婎A言：FCS將成為21世紀控制系統(tǒng)的主流。

　　然而就在人們沸沸揚揚的對FCS進行概念炒作的時候，卻沒有注意到它的發(fā)展在某些方面的不協(xié)調(diào)，其主要表現(xiàn)在迄今為止現(xiàn)場總線的通訊標準尚未統(tǒng)一，這使得各廠商的儀表設備難以在不同的FCS中兼容。此外，F(xiàn)CS的傳輸速率也不盡人意，以基金會現(xiàn)場總線（FF）正在制定的國際標準為例，它采用了ISO的參考模型中的3層（物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層）和極具特色的用戶層，其低速總線H1的傳輸速度為31.25kbps，高速總線H2的傳輸速度為1Mbps或2.5Mbps，就針對西門子推出的PROFIBUS總線而言：其市場站有率相對較大，但由于受通訊線路長度的影響，在100M線路長度下最高通訊速率為12Mbps，這在有些場合下仍無法滿足實時控制的要求。由于上述原因，使FCS在工業(yè)控制中的推廣應用受到了一定的限制。當人們冷靜下來對這些問題進行思考時，不禁想起了在商業(yè)網(wǎng)絡中廣泛應用的以太網(wǎng)。

　　以太網(wǎng)具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢，由于它支持幾乎所有流行的網(wǎng)絡協(xié)議，所以在商業(yè)系統(tǒng)中被廣泛采用。但是傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用總線式拓樸結(jié)構(gòu)和多路存取載波偵聽碰撞檢測（CSMA/CD）通訊方式,在實時性要求較高的場合下，重要數(shù)據(jù)的傳輸過程會產(chǎn)生傳輸延滯，這被稱為以太網(wǎng)的“不確定性”。研究表明：商業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)應用中的傳輸延滯在2～30ms之間，這是影響以太網(wǎng)長期無法進入過程控制領域的重要原因之一。因此對以太網(wǎng)的研究具有工程實用價值，從而產(chǎn)生了一種新型以太網(wǎng)。

　　1．3工業(yè)以太網(wǎng)的研究現(xiàn)狀

　　近年來控制與通訊工程師們致力于新型工業(yè)以太網(wǎng)的研究工作，其中有代表性的是FF制定的快速以太網(wǎng)標準，其傳輸速度為100Mbps。綜觀工業(yè)以太網(wǎng)的研究現(xiàn)狀，出現(xiàn)了兩個值得注意的發(fā)展方向：以太網(wǎng)集線器和具有實時功能的以太網(wǎng)的協(xié)議。

　　a、以太網(wǎng)集線器

　　FF將以太網(wǎng)技術(shù)加入到H2協(xié)議中，并以它作為H2的底層協(xié)議，其網(wǎng)絡采用星型拓樸結(jié)構(gòu)。

　　集線器（HUB）置于網(wǎng)絡中心并通過以太網(wǎng)I/O接口掛接現(xiàn)場設備，其中實時現(xiàn)場儀表和普通現(xiàn)場儀表（通過通道組）分別掛接在不同的以太網(wǎng)I/O接口上。以太網(wǎng)I/O接口高速(約100 kHz)掃描所有實時現(xiàn)場儀表和通道組，然后傳送數(shù)據(jù)包到上層控制器。

　　通常普通控制算法在現(xiàn)場控制器中進行（可由上層控制器下載），而高級控制算法則在上層控制器中進行，其控制輸出經(jīng)以太網(wǎng)集線器和以太網(wǎng)I/O接口傳輸?shù)浆F(xiàn)場執(zhí)行儀表。由于實時現(xiàn)場儀表掛接在專用的以太網(wǎng)入口地址，并用完全分離的線路傳輸數(shù)據(jù)，所以保證了實時數(shù)據(jù)不會產(chǎn)生傳輸延滯和線路阻塞。

　　集線器作為網(wǎng)絡的仲裁器，除了控制通信雙方的傳輸時間外，還對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包進行優(yōu)先級設置，使每條信息都包含傳輸優(yōu)先級等實時參數(shù)。此外智能化的集線器還可以動態(tài)檢測需要通訊的現(xiàn)場設備所在以太網(wǎng)I/O口，并為之提供數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，這樣可大大縮短現(xiàn)場設備的響應時間和減少數(shù)據(jù)的重發(fā)次數(shù)。集線器與其它集線器相連可實現(xiàn)不同網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)共享。

　　經(jīng)驗證這種采用以太網(wǎng)集線器技術(shù)的FCS可使實時數(shù)據(jù)的延遲時間控制在200納秒的范圍之內(nèi)，這已足以滿足多數(shù)場合的實時控制要求。

　　b、在以太網(wǎng)的協(xié)議中加入實時功能

　　一些FCS的生產(chǎn)商（如ControlNet、Profibus、Modbus和Java等）在開發(fā)自己的工業(yè)以太網(wǎng)FCS時，在工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議中加入實時功能，此項技術(shù)被稱為“地道”，它其實僅僅是在設備中加入特殊的協(xié)議芯片，這里不做具體介紹。

　　c、工業(yè)以太網(wǎng)的研究課題

　　上述研究工作的進展為以太網(wǎng)進入FCS提供了可行性，但要使以太網(wǎng)能在FCS中發(fā)揮其強大的網(wǎng)絡優(yōu)勢，以滿足現(xiàn)代工業(yè)控制中日益增長的數(shù)據(jù)傳輸和信息傳輸種類（如語音、圖象和視頻等）的需要，還有待于研究工作取得更大的突破性進展。目前的研究工作應集中解決以下兩個方面的問題：

　　1．4盡快推出FCS國際標準

　　當今的FCS領域出現(xiàn)了世界各大廠商各自為戰(zhàn)的混亂局面。其中有影響的為Intel公司的Bitbus、德國的HART和Profibus、丹麥的P-NET、Honeyvell及AB的WorldFIP、Foxboro,ABB和橫河的ISP、FF的H1和H2和Echelon的Lonworks、菲利普的CAN等。這種混亂局面是由于各大廠商為了搶占市場急于推出自己的產(chǎn)品，而FCS的國際標準又遲遲不能出臺所造成的。標準的不統(tǒng)一使各廠家推出的FCS成為一個個“自動化孤島”，不同系統(tǒng)和現(xiàn)場設備的兼容性都很差。FCS的用戶強烈呼吁盡快出臺FCS的國際標準，以期望實現(xiàn)FCS的“世界大同”。

　　1994年6月WorldFIP和ISP聯(lián)合成立了FF，它包括了世界上幾乎所有的著名控制儀表廠商在內(nèi)的100多個成員單位，致力于IEC的FCS國際標準化工作。但由于部分成員為了自身利益，力圖阻止FCS的國際標準出臺，形成了FF的FCS國際標準難以“一統(tǒng)天下”的令人擔憂的局面。解決這一問題的途徑是：一是要求FF在其國際標準中推出完善的用戶層和嚴格的互操作性的產(chǎn)品認證；二是提高用戶抵制非國際標準的FCS的自覺性。

　　工業(yè)以太網(wǎng)向FCS現(xiàn)場級的延伸。必須指出，工業(yè)以太網(wǎng)FCS中，其現(xiàn)場級總線的傳輸速度并不理想，這是因為工業(yè)以太網(wǎng)還只是在上層控制網(wǎng)絡中應用，而許多廠商出于安全考慮，在許多技術(shù)問題沒有解決之前，現(xiàn)場級尚未使用工業(yè)以太網(wǎng)，所以FCS總體的傳輸速度沒有什么質(zhì)的飛躍。為了實現(xiàn)以太網(wǎng)向現(xiàn)場級的延伸，除了改進以太網(wǎng)的通訊協(xié)議之外，還需要解決網(wǎng)絡的本安、現(xiàn)場設備的冗余和通過以太網(wǎng)向現(xiàn)場儀表供電等技術(shù)問題。

　　本人認為，在保留FCS特色的基礎上解決上述問題才能使工業(yè)以太網(wǎng)具有生命力。工業(yè)以太網(wǎng)的介入為FCS的發(fā)展注入了新的活力，隨著FCS國際標準的推出以及有關(guān)技術(shù)問題的突破性進展，一個代表21世紀潮流的工業(yè)以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)時代就會到來。

　　2． PLC與DCS、 FCS比較

　　PLC是由早期繼電器邏輯控制系統(tǒng)與微機計算機技術(shù)相結(jié)合而發(fā)展起來的，它是以微處理器為主的一種工業(yè)控制儀表，它融計算機技術(shù)、控制技術(shù)和通信技術(shù)于一體，集順序控制、過程控制和數(shù)據(jù)處理于一身，可靠性高、功能強大、控制靈活、操作維護簡單。近幾年來，可編程序控制器及組成系統(tǒng)在我國冶金、電廠、輕工石化、礦業(yè)、水處理等行業(yè)更是到了廣泛的應用，并取得了一定的經(jīng)濟效益。

　　由于工業(yè)生產(chǎn)過程是一個分散系統(tǒng)。用戶往往關(guān)心的不只是一個控制系統(tǒng)（例如DEH），因為它只是整個生產(chǎn)過程的一部分。他需要了解、控制整個控制系統(tǒng)。例如，電廠生產(chǎn)原料是煤、水，而制成品是電。因此生產(chǎn)過程控制（PCS）的方式最好是分散進行，而監(jiān)視、操作和最佳化管理應以集中為好。隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，控制管理的要求不斷提高，過程參數(shù)日益增多，控制回路越加復雜，在70年代中期產(chǎn)生了集散控制系統(tǒng)DCS，他一經(jīng)出現(xiàn)就受到工業(yè)控制界的青睞。DCS是集計算機技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡通信技術(shù)和圖形顯示技術(shù)于一體的系統(tǒng)。與常規(guī)的集中式控制系統(tǒng)相比有如下特點：

　　1． 實現(xiàn)了分散控制。它使得系統(tǒng)控制危險性分散、可靠性高、投資減小、維護方便。

　　2． 實現(xiàn)集中監(jiān)視、操作和管理。使得管理與現(xiàn)場分離，管理更能綜合化和系統(tǒng)化，

　　3． 采用網(wǎng)絡通信技術(shù)，這是DCS的關(guān)鍵技術(shù)，它使得控制與管理都具實時性，并解決系統(tǒng)的擴充與升級問題。

　　目前，由于PLC把專用的數(shù)據(jù)高速公路（HIG HWAY）改成通用的網(wǎng)絡，并逐步將PLC之間的通信規(guī)約靠攏使得PLC 有條件和其它各種計算機系統(tǒng)和設備實現(xiàn)集成，以組成大型的控制系統(tǒng)，這使得PLC 系統(tǒng)具備了DCS的形態(tài)，這樣，基于PLC的DCS系統(tǒng)目前在國內(nèi)外都得到了廣泛的應用。應該說，PLC就其現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，更接近PCS系統(tǒng)所要求的FCS控制系統(tǒng)。

　　不過，由于受傳統(tǒng)設計理驗的影響，完全由PLC系統(tǒng)來構(gòu)成傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)還較難于讓國內(nèi)保守的設計院大量采用，雖然國外已經(jīng)有大量的基于PLC構(gòu)成的DCS系統(tǒng)正在正常的運行。

　　3．我們采用什么樣的系統(tǒng)？

　　我們?nèi)绻兄居谠诠I(yè)自動化控制系統(tǒng)中施展才能就必須發(fā)展DCS或FCS系統(tǒng)。因為它是未來工控領域的主流發(fā)展方向。至于采用別人的DCS、FCS系統(tǒng)還是自己開發(fā)DCS、FCS系統(tǒng)就要看看究竟我們具備什么樣的能力，在下面的看法中我將要詳細分析我們的主要特點和究竟在技術(shù)上需求什么！

　　如果說今后選擇控制系統(tǒng)，我認為應該選擇代表成熟的集散式控制系統(tǒng)DCS并具備先進的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS，它們之間應該相互兼容。

　　3．1采用現(xiàn)有的DCS系統(tǒng)

　　這就是我在摘要中所提及的“維持現(xiàn)狀坐觀工控產(chǎn)業(yè)的日新月異的發(fā)展”。這種方式相對來講無需投入較大的人力、物力開發(fā)產(chǎn)品，只須完全選用別人的產(chǎn)品，被動學習新的知識，而自動控制開發(fā)處則充當工程調(diào)試隊。這種方式就目前情況而言可以維持生存，但縱觀實例是不可能有大的發(fā)展。

　　3．2采用別人的硬件和軟件系統(tǒng)（OEM）自己構(gòu)成DCS系統(tǒng)

　　這種方式我們也曾經(jīng)嘗試過，不過，我們僅僅是降低了部分生產(chǎn)成本。降低產(chǎn)品總成本的主動權(quán)不屬于我們，而業(yè)績則屬于軟硬件開發(fā)商。

　　3．3與別人合作，共同開發(fā)新型DCS系統(tǒng)

　　這種方式我們也曾經(jīng)嘗試過，產(chǎn)品自主權(quán)不完全屬于我們。技術(shù)水平我們先不用評說。但市場接納程度還不理想。一但合作方短時間沒有足夠的回報率他是不可能再投入人力、物力以完善系統(tǒng)、提高技術(shù)水平。因為他不可能在一棵樹上吊死，他還必須生存！這也是人之常情。

　　如果利用別人的成熟產(chǎn)品之品牌組成全方位合作模式，應該說在世界范圍是有成功的例子。關(guān)鍵是應該認真分析、了解為什么市場接納不夠？怎樣才能滿足市場生存要求？

　　3．4完全自己開發(fā)DCS系統(tǒng)

　　這種想法由來已久！如果DCS開發(fā)成功，那不言而喻是一件好事！無論在電站自動化或者是其他行業(yè)中，工程應用的種種努力都是在為自己而作。其產(chǎn)品成本完全掌握在自己手里。獲得更大的利潤不再是一句空話。不過，我們應該在動手之前，充分了解自己究竟有沒有能力開發(fā)產(chǎn)品，又有沒有能力將其推向市場。這往往是我們考慮得較多的問題，從而導致我們無法下定決心的關(guān)鍵所在。那就先讓我們分析一下究竟需要什么技術(shù)和人才吧！

　　前面講了DCS系統(tǒng)是集計算機技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡通信技術(shù)和圖形顯示技術(shù)于一體的系統(tǒng)。那就需要計算機、圖形顯示技術(shù)（軟硬件件開發(fā)、系統(tǒng)維護），控制技術(shù)（系統(tǒng)工程師、硬件接口），網(wǎng)絡通信技術(shù)（網(wǎng)絡通訊技術(shù)及協(xié)議標準制定）。

　　a. 計算機、圖形顯示技術(shù)（軟硬件件開發(fā)、系統(tǒng)維護）:

　　DCS系統(tǒng)的軟件技術(shù)包括如下方面：

　　用于控制組態(tài)的軟件和圖形監(jiān)視軟件、各DI、DO、AI、AO及專用功能模件的嵌入式操作系統(tǒng)軟件及控制、管理軟件。

　　用于完成系統(tǒng)要求的硬件平臺，如工程師站計算機系統(tǒng)、操作員站計算機系統(tǒng)、DCS機柜內(nèi)的通用、專用模件。所有軟件的運算、控制指令必須經(jīng)過與此相配的硬件系統(tǒng)執(zhí)行。

　　b. 控制技術(shù)（系統(tǒng)工程師、硬件接口）

　　完成整個控制系統(tǒng)要求的專業(yè)化技術(shù)知識。應該熟悉控制對象的工藝過程、特性及要求。

　　c. 網(wǎng)絡通信技術(shù)（網(wǎng)絡通訊技術(shù)及協(xié)議標準制定）。

　　DCS具有一定的通訊手段，為了兼容今后的FCS系統(tǒng)，應具備多種現(xiàn)場通訊手段或通訊轉(zhuǎn)換卡件。需要熟悉多種通訊協(xié)議和接口（集線器、交換器、服務器及光纖通訊、光電轉(zhuǎn)換接口等）。

　　4．DCS軟件系統(tǒng)及其發(fā)展方向

　　隨著計算機的普及發(fā)展，企業(yè)網(wǎng)（Intranet）和國際互聯(lián)網(wǎng)（Internet）的商業(yè)化，Microsoft Windows受歡迎的程度與日俱增，這大大增加了工業(yè)控制領域?qū)indows開發(fā)的普遍要求。

　　當今的集散控制系統(tǒng)（DCS）環(huán)境下的控制系統(tǒng)軟件（或應用程序）與一般環(huán)境下的應用程序相比：一方面其功能已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化。比如，DCS網(wǎng)絡下的控制系統(tǒng)軟件能夠調(diào)用、執(zhí)行DCS網(wǎng)絡中其它計算機上的一個程序，并與之交互，這是其它環(huán)境下的應用程序無法實現(xiàn)的；另一方面，DCS網(wǎng)絡系統(tǒng)將整個系統(tǒng)的任務分散進行，然后集中監(jiān)視、操作、管理，這些應用程序由于工作于網(wǎng)絡環(huán)境下，因而分布極廣，已被配置在網(wǎng)絡中10臺、100臺、1000臺甚至更多臺的機器上運行，如果這些應用程序不夠健壯、沒有靈活的可伸縮性，將給日后的維護、升級、重新配置帶來極大的困難，至少要消耗大量人力、財力和物力。而這種維護、升級、重新配置隨著市場的發(fā)展，用戶需求的擴大是不可避免的。

　　為了解決這一問題，微軟在對Windows系統(tǒng)本身進行改進、升級的同時，對Windows應用程序的標準、結(jié)構(gòu)等也進行了重新定義，這就是：遵循組件對象模型（COM）/分布式組件對象模型（DCOM）標準、通過ActiveX實現(xiàn)的客戶機/服務器結(jié)構(gòu)。

　　客戶機/服務器結(jié)構(gòu)的主要思想是：根據(jù)COM/DCOM標準，將應用程序分割成若干個相互獨立的邏輯單元，每個邏輯單元為應用程序提供一定的服務（以后就會明白這些邏輯單元被稱為ActiveX組件），通過ActiveX把這些邏輯單元有機地結(jié)合起來，使它們協(xié)同工作，完成特定的任務。應用程序是ActiveX組件對象的集合，這些ActiveX組件對象知道怎樣相互通信、相互調(diào)用，以實現(xiàn)應用程序要求的功能。

　　針對Intranet下控制系統(tǒng)的特殊情況，微軟給出了一個三層的服務系統(tǒng)模型：用戶邏輯（或用戶服務）、商業(yè)邏輯（或商業(yè)服務）和數(shù)據(jù)邏輯（或數(shù)據(jù)服務）。用戶服務提供用戶可交互的或顯示對數(shù)據(jù)進行查詢、處理結(jié)果的屏幕界面等，由于Windows應用程序的屏幕界面已經(jīng)標準化，所以用戶服務相對來說變化不會太大，將它作為一個獨立的邏輯單元，可被多個應用程序使用，從而實現(xiàn)了代碼的重用；商業(yè)服務提供用戶處理數(shù)據(jù)的各種規(guī)則，這些規(guī)則根據(jù)不同的用戶有所不同，即使同一用戶不同時期也可能不同。將它作為一個獨立的邏輯單元并統(tǒng)一放在網(wǎng)絡服務器中，有利于應用程序的日后維護。如果以后這些規(guī)則需要改變，只須重新配置網(wǎng)絡服務器中的商業(yè)服務，而不需要重新編譯客戶機的應用程序；數(shù)據(jù)服務為用戶提供各種數(shù)據(jù)，它是用戶的數(shù)據(jù)源。實際中，這些數(shù)據(jù)源可能是Oracle、SQL Server、FoxPro、Access以及其它集散控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫（如：Fix系統(tǒng)）等等。

　　4.1 組件對象模型（COM）與分布式組件對象模型（DCOM）

　　多年來，軟件工程師們一直在嘗試編寫可迅速嵌入各程序開發(fā)項目的可重用代碼－－軟件組件（或簡稱為組件）。就像硬件工程師們先設計和制造出可用于各種電子設備的元件，然后利用它們組裝成設備一樣，控制系統(tǒng)軟件開發(fā)者可以利用軟件組件去組裝自己的程序塊，且很放心地知道這些組件是無故障的。這些組件不使用全局變量，并且獨立于任何應用程序。組件對象模型（Component Object Model---COM）就是軟件組件采用的一種常規(guī)結(jié)構(gòu)。它根據(jù)面向?qū)ο缶幊蹋∣bject Oriented Programming---OOP）的思想，將組件對象化，給出了對象鏈接與嵌入（Object Linking and Embedding---OLE）2.0版中引入的，它是一種標準，而非一種實現(xiàn)。COM解釋了組件之間該如何通信，但為了具體實現(xiàn)它，還需要用到另一個東西，即ActiveX。

　　在設計COM的過程中，微軟解決了下列問題：

　?。?）交互操作能力。開發(fā)者怎樣才能創(chuàng)建出獨立的組件，使其能與其它組件充分地協(xié)作，而不用考慮它們是由誰創(chuàng)建的？

　?。?）版本控制。一旦某個組件正由其他組件或應用程序使用，怎樣才能改變或升級這個組件，而不影響正在使用它的組件或應用程序?

　?。?）與語言無關(guān)。怎樣才能確保用不同語言編寫的組件能協(xié)同工作？

　?。?）透明的跨進程交互操作。開發(fā)者怎樣才能編寫組件，使其能在進程內(nèi)或進程外工作?

　　然而，OLE2中的COM只解決了同一網(wǎng)絡中對象之間的交互問題，而沒有解決對象在不同網(wǎng)絡中的其它機器上生存或執(zhí)行的問題，對這一問題的解決將打開通向在Windows環(huán)境下的分布對象結(jié)構(gòu)之路。為了適應這一需要，微軟開發(fā)出了分布式組件對象模型。

　　分布式組件對象模型（Distributed Component Object Model---DCOM），即通常所說的"網(wǎng)絡OLE"。DCOM是一種特殊的協(xié)議，允許應用程序在分布式計算環(huán)境（Distributed Calculating Environment---DCE）里進行面向?qū)ο蟮倪h程過程調(diào)用（Remote Procedure Call---RPC）。DCOM擴展了COM的性能，使得COM對象能夠通過相關(guān)網(wǎng)絡與遠程機中的另一個對象交互并使用此對象，這些網(wǎng)絡可以是局部網(wǎng)、企業(yè)的Intranet或現(xiàn)今的Internet。用戶可以在Windows NT4.0版中得到DCOM，它特別適用于開發(fā)企業(yè)的信息管理系統(tǒng)、專用的Web等?；诰W(wǎng)絡方面的不安全性考慮，DCOM自身包含有較高的安全處理功能。

　　所有軟件組件都遵循COM或DCOM標準。

　　4.2 ActiveX

　　根據(jù)微軟的定義：支持組件對象模型（COM）的對象總稱為"組件對象"。而現(xiàn)在流行的術(shù)語OLE－－即OLE2，支持COM，所以OLE對象也稱為"組件對象"。一個組件對象不僅支持"對象鏈接與嵌入"，而且還可以遠程調(diào)用或運行其它機器或網(wǎng)絡中的組件對象等等，它的功能已遠遠超過了OLE字面所能表達的功能。為了適合未來更加復雜的應用，微軟決定重新命名它，將所有這些組件對象統(tǒng)稱為ActiveX。

　　隨著OOP逐漸成為公認的編程主流，

　　控制系統(tǒng)軟件開發(fā)者可以將自己的應用程序邏輯編寫成進程內(nèi)ActiveX DLL或本地進程外ActiveX EXE或遠程進程外ActiveX EXE，以向其他ActiveX組件或外部應用程序開放它們的部分或全部對象。

　　建立和使用ActiveX EXE實例的客戶應用程序，可開放它們的對象，并在進程外使用它們。這意味著，ActiveX EXE中的代碼運行在它自己的進程中，并且是在它自己的空間中，這可把它與客戶應用程序的代碼空間分離開來。

　　ActiveX DLL不能作為一個應用程序單獨運行，但可以為應用程序提供對象的動態(tài)鏈接庫。由于DLL中的代碼與調(diào)用它的應用程序運行于同一進程中，所以能使程序執(zhí)行得更快、更高效。

　　控制系統(tǒng)軟件開發(fā)者可以利用ActiveX組件組裝自己的應用程序。使用ActiveX組件的方法與在OOP中使用其它對象類似：

　?。?）創(chuàng)建一個你欲使用的ActiveX組件對象的實例；

　?。?）利用該對象的方法、屬性和事件編寫代碼；

　?。?）使用完畢釋放該對象；

　?。?）必要時進行錯誤處理。

　　下面是Visual Basic 5.0中一個說明怎樣在程序中利用ActiveX組件的VB程序片段。假設已建立了一個窗體，該窗體包含三個文本框（Text1、Text2和Text3）和一個命令按鈕（Command1），并且在進程中增加了對微軟Excel 8.0對象庫的引用。當單擊命令按鈕（Command1）時，在Command1_Click事件過程中按照Microsoft Excel公式計算Text1與Text2的和，并將相加的結(jié)果顯示在Text3中。程序如下：

　　Private Sub Command1_Click()

　　'說明對象變量

　　Dim xlApp As Excel. Application

　　Dim xlBook As Excel. Workbook

　　Dim xlSheet As Excel. Worksheet

　　'用Add方法創(chuàng)建對象的實例

　　Set xlApp = New Excel. Application

　　Set xlBook = xlApp. Workbooks.Add

　　Set xlSheet = xlBook. Worksheets.Add

　　'將文本框中的數(shù)據(jù)賦給Excel單元

　　xlSheet. Cells(1,1).Value = Text1. Text

　　xlSheet. Cells(2,1).Value = Text2. Text

　　'在Excel中，用Excel公式計算其和

　　xlSheet. Cells(3,1). Formula = " = R1C1 + R2C1"

　　'在Text3文本框中顯示結(jié)果

　　Text3. Text = xlSheet. Cells(3,1)

　　'保存工作表單

　　xlSheet. SaveAs" c:Test.xls"

　　'關(guān)閉Excel

　　xlApp. Quit

　　'釋放對象

　　Set xlApp = Nothing

　　Set xlBook = Nothing

　　Set xlSheet = Nothing

　　End Sub

　　為簡單起見，程序中沒有進行錯誤檢查。用戶在編程時應養(yǎng)成檢查錯誤、處理錯誤的習慣。

　　由以上程序可以看出，其編程方法完全是OOP的方法。這并不奇怪，因為ActiveX組件本身就意味著對象之間的共享，ActiveX組件是一種客戶機/服務器關(guān)系，在這種關(guān)系中客戶機請求對象，服務器提供對象。然而，具體一個ActiveX組件是客戶機還是服務器并沒有一個明顯的界限。前面我們說可以把ActiveX組件理解成是一個服務器，因為它為用戶程序（客戶應用程序）提供服務；然而在其它場合，ActiveX組件本身往往還要向其它ActiveX組件請求服務，這時它又擔當客戶機的角色。

　　不管怎樣，利用ActiveX組件組裝成的應用程序，其結(jié)構(gòu)必然是客戶機/服務器結(jié)構(gòu)，客戶機/服務結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡發(fā)展的必然結(jié)果。

　　4.3 客戶機/服務器結(jié)構(gòu)

　　綜觀計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，大致可分為三個階段：集中式結(jié)構(gòu)、文件服務器結(jié)構(gòu)以及客戶機/服務器結(jié)構(gòu)。這三個階段代表了計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的里程和趨勢。

　　在六、七十年代，如果一家公司需要真正的計算能務（比如，天氣預報、地震預報數(shù)據(jù)處理等等）便會考慮使用大型機，大型機代表一種集中式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

　　在集中式結(jié)構(gòu)中，只有兩種關(guān)鍵組件：服務器和客戶機終端?？蛻魴C與服務器之間傳輸?shù)奈ㄒ粩?shù)據(jù)是用戶的按鍵調(diào)度信息以及由服務器返回的終端字符。集中式結(jié)構(gòu)伯優(yōu)點包括出色的安全性以及可實現(xiàn)集中管理，這是因為無論應用程序邏輯還是數(shù)據(jù)都駐留于同一臺機器－－服務器上；同時也意昧著服務器的費用太高，因為它要完成網(wǎng)絡中所有的計算。由于應用程序邏輯和數(shù)據(jù)都駐留于服務器上，集中式結(jié)構(gòu)沒有辦法真正劃分應用程序邏輯。

　　在本世紀80年代，PC機進入了商業(yè)舞臺并逐漸走入千家萬戶。不久，局域網(wǎng)問世，同時引入了文件服務器的嶄新概念。

　　文件服務器結(jié)構(gòu)以DOS局域網(wǎng)和Windows3.X為代表。它使得廉價的PC機聯(lián)成網(wǎng)絡，共享資源。這對于那些根本沒有實力實現(xiàn)大型機方案的公司來說，PC機無疑是他們的救星。但是，在這種結(jié)構(gòu)中，應用程序邏輯總是在客戶工作站上執(zhí)行，使用的是客戶機的CPU，而不是像集中式結(jié)構(gòu)那樣在服務器上執(zhí)行。這意味著，客戶機要有足夠的計算能力，以便執(zhí)行需要的任何應用程序，或能完成任何必要的任務。這無形中增加了客戶機的負擔，從而抵消了PC機價格低廉的優(yōu)點。

　　為了折中考慮費用與性能問題，引入了客戶機/服務器結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，允許應用程序邏輯在用戶工作站、服務器(不再稱為"文件服務器")或者兩者上運行。SQL Server、Oracle等是客戶機/服務器結(jié)構(gòu)的代表。

　　在客戶機/服務器結(jié)構(gòu)中，同時至少有兩個獨立的應用程序在運行：一個是客戶應用程序（簡稱為客戶）；另一個是服務器應用程序（簡稱為服務器）?？蛻籼岢稣埱?，服務器響應請求并為其服務。為了完成一項特定的任務，客戶和服務器協(xié)同工作，以提高運行速度和效率。例如，在網(wǎng)絡環(huán)境中，用戶在客戶端發(fā)出SQL命令查詢服務器上某數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，在文件服務器和客戶機/服務器這兩種結(jié)構(gòu)中，該命令的執(zhí)行情況是不一樣的。如果讀者不能區(qū)分它們之間的差別，就不可能充分利用客戶機/服務器結(jié)構(gòu)為我們提供的強大功能。

　　事實上，在基于文件服務器的結(jié)構(gòu)中，查詢是在客戶端賦值并執(zhí)行的。這就意味著，如果查詢涉及的表中有10000條記錄，那么查詢邏輯會請求服務器通過網(wǎng)絡將包含這10000條記錄的表全部傳送到自己這兒（客戶端），在客戶端進行查詢處理。而在基于客戶機/服務器原結(jié)構(gòu)里，SQL語句本身將通過網(wǎng)絡傳送并在服務器內(nèi)執(zhí)行，服務器使用自己的CPU處理完SQL語句后，只把處理結(jié)果（成功或失?。┩ㄟ^網(wǎng)絡反饋回客戶端。顯然，這大大減輕了網(wǎng)絡的負載，同時也縮短了執(zhí)行時間。這是對基于文件服務器結(jié)構(gòu)性能的一個重要改進。

　　綜上所述，大型機和基于文件服務器的系統(tǒng)由于應用程序邏輯必須在大型機內(nèi)運行（針對集中式結(jié)構(gòu)）或必須在客戶機內(nèi)執(zhí)行（針對文件服務器結(jié)構(gòu)），所以不能提供一個真正可伸縮的系統(tǒng)框架。而客戶機/服務器系統(tǒng)至少由兩部分組成：一臺發(fā)出請求的客戶機，一臺為請求服務的服務器。這兩個部分協(xié)同工作，應用程序邏輯則分布于客戶和服務器之間。這樣一來，就為開發(fā)運行更快、更高效的應用程序提供了基礎。

　　Intranet和Internet為客戶機/服務器結(jié)構(gòu)提供了極好的機遇。當今的Web技術(shù)就是一個典型的客戶機/服務器結(jié)構(gòu)：瀏覽器是客戶機，Web站點是服務器。

　　4.4 軟件開發(fā)建議

　　在DCS網(wǎng)絡環(huán)境下運行的應用程序，應該是遵循COM/DCOM標準、通過ActiveX實現(xiàn)的客戶機/服務器結(jié)構(gòu)的應用程序。因為這樣的應用程序是由ActiveX組件組裝而成的，與其它應用程序結(jié)構(gòu)相比更加健壯、可伸縮性強且容易維護。

　　另外，應注意：由于微軟的重新命名，OLE文檔已成為ActiveX文檔；OLE控件已成為ActiveX控件；等等。從而OLE這一術(shù)語才真正像它早期縮寫的含義那樣，代表"對象鏈接與嵌入"，而OLE中一些關(guān)鍵技術(shù)和組件則成為重新命名后的ActiveX技術(shù)和組件。

　　需要指出的是，究竟采用何種軟件進行開發(fā)并不十分重要。采用Visual Basic 5.0以上版本的軟件可以開發(fā)出人機界面十分友好的組態(tài)軟件和監(jiān)視軟件，這也被大量的專業(yè)化組態(tài)軟件公司優(yōu)先采用，畢竟它是幾乎所有軟件編制人員最易上手的工具。它本身具備良好的可視化界面（所見即所得）和良好的結(jié)構(gòu)化風格，允許多人協(xié)同工作。由于最大的軟件開發(fā)工作量之一是編制界面，我們沒有必要選擇太專業(yè)化的開發(fā)工具，因為熟悉和掌握是需要較長時間。也有公司采用Visual Basic Visual C++5.0或Visual J++等語言，可以相互彌補各自的不足。近段時間，國內(nèi)外有不少公司試著采用Java甚至HTML語言編制動態(tài)的組態(tài)軟件，將枯燥乏味的組態(tài)軟件工作當作是動畫編輯，逐步得到人們的首肯。這對今后工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)的大量應用無疑將占盡先機，也逐步展現(xiàn)出迷人的前景。

　　5．DCS向FCS系統(tǒng)的過渡及其發(fā)展方向

　　前面我們介紹了，今后DCS系統(tǒng)的發(fā)展必將是以在DCS的基礎上發(fā)展起來的FCS替代現(xiàn)在的DCS，因為FCS順應了自動控制系統(tǒng)的發(fā)展潮流。

　　為了今后的開發(fā)工作不迷失方向，我們有必要了解FCS的主要構(gòu)成、現(xiàn)狀和未來的發(fā)展方向，應該說，今天我們討論的DCS應該是今后的FCS：

　　5．1七十年代以前，控制系統(tǒng)中采用模擬量對傳輸及控制信號進行轉(zhuǎn)換、傳遞，其精度差、受干擾信號影響大，因而整個控制系統(tǒng)的控制效果及系統(tǒng)穩(wěn)定性都很差。七十年代末，隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，微處理器技術(shù)得到很大發(fā)展。微處理器功能強、體積小、可靠性高、通過適當?shù)慕涌陔娐酚糜诳刂葡到y(tǒng)，控制效果得到提高；但是盡管如此，還是屬于集中式控制系統(tǒng)。隨著過程控制技術(shù)、自動化儀表技術(shù)和計算機網(wǎng)絡技術(shù)的成熟和發(fā)展，控制領域又發(fā)生了一次技術(shù)變革。這次變革使傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)（如集散控制系統(tǒng)）無論在結(jié)構(gòu)上還是在性能上都發(fā)生了巨大的飛躍，這次變革的基礎就是現(xiàn)場總線技術(shù)的產(chǎn)生。

　　5．2現(xiàn)場總線是連接現(xiàn)場智能設備和自動化控制設備的雙向串行、數(shù)字式、多節(jié)點通信網(wǎng)絡，它也被稱為現(xiàn)場底層設備控制網(wǎng)絡（INFRANET）。80年代以來，各種現(xiàn)場總線技術(shù)開始出現(xiàn)，人們要求對傳統(tǒng)的模擬儀表和控制系統(tǒng)變革的呼聲也越來越高，從而使現(xiàn)場總線成為一次世界性的技術(shù)變革浪潮。美國儀表協(xié)會(ISA)于1984年開始制訂現(xiàn)場總線標準，在歐洲有德國的PROFIBUS和法國的FIP等，各種現(xiàn)場總線標準陸續(xù)形成。其中主要的有：基金會現(xiàn)場總線FF（Foundation Fieldbus）、控制局域網(wǎng)絡CAN（Controller Area Network）、局部操作網(wǎng)絡LonWorks（Local Operating Network）、過程現(xiàn)場總線PROFIBUS（Process Field Bus）和HART協(xié)議(Highway Addressable Remote Transducer)等。但是，總線標準的制定工作并非一帆風順，由于行業(yè)與地域發(fā)展等歷史原因，加上各公司和企業(yè)集團受自身利益的驅(qū)使，致使現(xiàn)場總線的國際化標準工作進展緩慢。但是不論如何，制定單一的開放國際現(xiàn)場總線標準是發(fā)展的必然。

　　5．3　當前流行的幾類現(xiàn)場總線

　　5．3．1　基金會現(xiàn)場總線FF

　　基金會現(xiàn)場總線FF是在過程自動化領域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的一種技術(shù)。其前身是以美國Fisher－Rosemount公司為首，聯(lián)合Foxboro、橫河、ABB、西門子等80家公司制定的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首，聯(lián)合歐洲等地150家公司制定的World FIP協(xié)議。這兩大集團于1994年9月合并，成立了現(xiàn)場總線基金會，致力于開發(fā)出國際上統(tǒng)一的現(xiàn)場總線協(xié)議。

　　基金會現(xiàn)場總線分為H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為31.25Kbps，通信距離可達1.9km，可支持總線供電和本質(zhì)安全防暴環(huán)境。H2的傳輸速率可為1Mbps和2.5Mbps兩種，通信距離為750m和500m。物理傳輸介質(zhì)可為雙絞線、光纜和無線，其傳輸信號采用曼切斯特編碼?；饡F(xiàn)場總線以ISO/OSI開放系統(tǒng)互連模型為基礎，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層為FF通信模型的相應層次，并在應用層上增加了用戶層。用戶層主要針對自動化測控應用的需要，定義了信息存取的統(tǒng)一規(guī)則，采用設備描述語言規(guī)定了通用的功能塊集。FF總線包括FF通信協(xié)議、ISO模型中的2～7層通信協(xié)議的通棧、用于描述設備特性及操作接口的DDL設備描述語言、設備描述字典，用于實現(xiàn)測量、控制、工程量轉(zhuǎn)換的應用功能塊，實現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)管理功能的系統(tǒng)軟件技術(shù)以及構(gòu)筑集成自動化系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)的系統(tǒng)集成技術(shù)。

　　5．3．2　CAN總線

　　CAN總線最早是由德國Bosch公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。其總線規(guī)范已被ISO國際標準組織制定為國際標準，并且廣泛應用于離散控制領域。它也是基于OSI模型，但進行了優(yōu)化，采用了其中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層，提高了實時性。其節(jié)點有優(yōu)先級設定，支持點對點、一點對多點、廣播模式通信。各節(jié)點可隨時發(fā)送消息。傳輸介質(zhì)為雙絞線，通信速率與總線長度有關(guān)。CAN總線采用短消息報文，每一幀有效字節(jié)數(shù)為8個；當節(jié)點出錯時，可自動關(guān)閉，抗干擾能力強，可靠性高。

　　5．3．3　LonWorks總線

　　LonWorks技術(shù)是美國ECHELON公司開發(fā)，并與Motorola和東芝公司共同倡導的現(xiàn)場總線技術(shù)。它采用了OSI參考模型全部的七層協(xié)議結(jié)構(gòu)。LonWorks技術(shù)的核心是具備通信和控制功能的Neuron芯片。Neuron芯片實現(xiàn)完整的

　　LonWorks的LonTalk通信協(xié)議。其上集成有三個8位CPU。一個CPU完成OSI模型第一和第二層的功能，稱為介質(zhì)訪問處理器。一個CPU是應用處理器，運行操作系統(tǒng)與用戶代碼。還有一個CPU為網(wǎng)絡處理器，作為前兩者的中介，它進行網(wǎng)絡變量尋址、更新、路徑選擇、網(wǎng)絡通信管理等。由神經(jīng)芯片構(gòu)成的節(jié)點之間可以進行對等通信。LonWorks支持多種物理介質(zhì)并支持多種拓撲結(jié)構(gòu)，組網(wǎng)方式靈活，其IS－78本安物理通道使得它可以應用于危險區(qū)域。LonWorks應用范圍主要包括樓宇自動化、工業(yè)控制等，在組建分布式監(jiān)控網(wǎng)絡方面有較優(yōu)越的性能。

　　5．3．4　PROFIBUS總線

　　PROFIBUS是符合德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50179的現(xiàn)場總線，包括 PROFIBUS－DP、PROFIBUS－FMS、PROFIBUS－PA三部分。它也只采用了OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層。PROFIBUS支持主從方式、純主方式、多主多從通信方式。主站對總線具有控制權(quán)，主站間通過傳遞令牌來傳遞對總線的控制權(quán)。取得控制權(quán)的主站，可向從站發(fā)送、獲取信息。PROFIBUS－DP用于分散外設間的高速數(shù)據(jù)傳輸，適合于加工自動化領域。FMS型適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關(guān)等。而PA型則是用于過程自動化的總線類型。

　　5. HART總線 　　

　　HART協(xié)議是由Rosemount公司于1986年提出的通信協(xié)議。它是用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設備間通信的一種協(xié)議。它包括ISO/OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。HART通信可以有點對點或多點連接模式。這種協(xié)議是可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議，其特點是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字信號通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中的過渡產(chǎn)品，因而在當前的過渡時期具有較強市場競爭力，在智能儀表市場上占有很大的份額。

　　5．4　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）的結(jié)構(gòu)與特點

　　5．4．1　結(jié)構(gòu)

　　隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn)和成熟，促使了控制系統(tǒng)由集散控制系統(tǒng)（DCS）向現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）的過渡。在一般的FCS系統(tǒng)中，遵循一定現(xiàn)場總線協(xié)議的現(xiàn)場儀表可以組成控制回路，使控制站的部分控制功能下移分散到各個現(xiàn)場儀表中。從而減輕了控制站負擔，使得控制站可以專職于執(zhí)行復雜的高層次的控制算法。對于簡單的控制應用，甚至可以把控制站取消，在控制站的位置代之以起連接現(xiàn)場總線作用的網(wǎng)橋和集線器，操作站直接與現(xiàn)場儀表相連，構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)。

　　5．4．2　特點

　　分布式的FCS系統(tǒng)比DCS系統(tǒng)更好地體現(xiàn)了“信息集中，控制分散"的思想。與傳統(tǒng)的DCS 相比，F(xiàn)CS有其自身的特點。FCS系統(tǒng)具有高度的分散性，它可以由現(xiàn)場設備組成自治的控制回路?，F(xiàn)場儀表或設備具有高度的智能化與功能自主性，可完成控制的基本功能，并可以隨時診斷設備的運行情況。另外，F(xiàn)CS的結(jié)構(gòu)比DCS簡化。有的FCS系統(tǒng)省略了DCS中控制站這一層，操作站直接與現(xiàn)場儀表相連。這些使FCS的可靠性得到提高。

　　現(xiàn)場總線系統(tǒng)具有開放性。系統(tǒng)對相關(guān)標準具有一致性、公開性，強調(diào)對標準的共識與遵從。通信協(xié)議一致公開，各不同廠家的設備之間可實現(xiàn)信息交換，通過現(xiàn)場總線可構(gòu)筑自動化領域的開放互連系統(tǒng)。系統(tǒng)的開放性決定了它具有互操作性和互用性?；ゲ僮餍灾富ミB設備間、系統(tǒng)間信息傳送與溝通；而互用則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設備可實現(xiàn)相互替換。作為工廠網(wǎng)絡底層的現(xiàn)場總線還對現(xiàn)場環(huán)境有較強地適應性。它支持雙絞線、同軸電纜、光纜、無線和電力線等，具有較強的抗干擾能力。

　　由于結(jié)構(gòu)上的改變，F(xiàn)CS比DCS更節(jié)約硬件設備。使用FCS可以減少大量的隔離器、端子柜、I/O卡及I/O端口，這樣就節(jié)省了I/O裝置及裝置室的空間；同時減少了大量電纜，可以極大地節(jié)省安裝費用。與此同時，F(xiàn)CS比DCS性能有所提高。由于免去了D/A與A/D變換，使儀表精度得到極大的提高；通過將PID功能植入到相應的智能傳感器中去，使控制周期大為縮短。目前FCS可以從DCS的每秒調(diào)節(jié)2～5次增加到每秒調(diào)節(jié)10～20次，改善了調(diào)節(jié)性能。FCS控制系統(tǒng)與DCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較見圖1。

　　5．4．3　現(xiàn)場總線的優(yōu)點

　　由于現(xiàn)場總線的以上特點，特別是其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化，使其從設計、安裝、投運到正常生產(chǎn)運行及檢修維護，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。它不僅節(jié)省了硬件數(shù)量與投資，節(jié)省了安裝費用，而且系統(tǒng)的維護開銷也大大地降低?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)不僅精確度與可靠性高，在方便使用和維護性方面，F(xiàn)CS也比DCS有優(yōu)勢。FCS使用統(tǒng)一的組態(tài)方式，安裝、運行、維修簡便；利用智能化現(xiàn)場儀表，使維修預報（Predicted maintenance）成為可能；由于系統(tǒng)具有互操作性和互用性，用戶可以自由選擇不同品牌的設備達到最佳的系統(tǒng)集成，在設備出現(xiàn)故障時，可以自由選擇替換的設備，保障用戶的高度系統(tǒng)集成主動權(quán)。

　　此外，它還具有設計簡單，易于重構(gòu)等特點。

　　5．4．4　發(fā)展趨向

　　傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)（DCS系統(tǒng)）具有集中監(jiān)控、分散控制、操作方便的特點。但是，在實際應用中也發(fā)現(xiàn)DCS的結(jié)構(gòu)存在一些不足之處，如控制不能做到徹底分散，危險仍然相對集中；由于系統(tǒng)的不開放性，不同廠家的產(chǎn)品不能互換、互聯(lián)，限制了用戶的選擇范圍。利用現(xiàn)場總線技術(shù)，開發(fā)FCS系統(tǒng)的目標是針對現(xiàn)存的DCS的某些不足，改進控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高其性能和通用性。

　　FCS想要在實際中取代DCS，既要具備DCS所具有的功能，又要能克服DCS的缺點。FCS由于采用了現(xiàn)場總線技術(shù)，在開放性、控制分散等方面優(yōu)于傳統(tǒng)DCS。但是由于它是一種新技術(shù)，目前連標準本身都還沒有制定統(tǒng)一，因此FCS與成熟的DCS相比，還存在下列的一些欠缺。

　?。?）由于現(xiàn)場總線標準本身尚在發(fā)展中，從而給產(chǎn)品的開發(fā)和測試帶來難度。這在一定程度上造成產(chǎn)品開發(fā)商、生產(chǎn)商少，產(chǎn)品品種單一而且價格昂貴。

　?。?）在某些場合中，F(xiàn)CS還無法提供DCS已有的控制功能。由于軟硬件水平的限制，其功能塊的功能還不是很強，品種也不夠齊全；用現(xiàn)場儀表還只能組成一般的控制回路如單回路、串級、比例控制等，對于復雜的、先進的控制算法還無法在儀表中實現(xiàn)，對于單回路內(nèi)有多輸入、多輸出的情況缺乏好的解決方案。

　?。?）目前FCS成功的應用實例不多，難以評估實際應用效果。

　　由于以上這些原因，F(xiàn)CS取代DCS將是一個逐漸的過程。在這一過程中，會出現(xiàn)一些過渡型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如在DCS中以FCS取代DCS中的某些子系統(tǒng)。用戶將現(xiàn)場總線設備連接到獨立的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡服務器，服務器配有DCS中連接操作站的上層網(wǎng)絡接口，與操作站直接通信。在DCS的軟件系統(tǒng)中可增添相應的通信與管理軟件。這樣不需要對原有控制系統(tǒng)作結(jié)構(gòu)上的重大變動。

　　（4）當前，各種形式的現(xiàn)場總線協(xié)議并存于控制領域。在樓宇自控領域，Lonworks和CAN網(wǎng)絡具有一定的優(yōu)勢；在過程自動化領域，主要有過渡型的HART協(xié)議、得到廣泛支持的FF現(xiàn)場總線協(xié)議以及同樣較有競爭力的PROFIBUS協(xié)議。HART協(xié)議將是目前幾年內(nèi)智能化儀表的主要通信協(xié)議；基金會現(xiàn)場總線是過程自動化領域中較有前途的一種現(xiàn)場總線，得到許多自動化儀表設備廠商的支持；由于Lonworks技術(shù)的開放性，國內(nèi)出現(xiàn)了利用它開發(fā)控制系統(tǒng)的許多開發(fā)商?？紤]到統(tǒng)一的開放式現(xiàn)場總線協(xié)議標準制定的長期性和艱巨性，傳統(tǒng)DCS的退出將是一個漸進過程。在一段時期內(nèi)，會出現(xiàn)幾種現(xiàn)場總線共存、同一生產(chǎn)現(xiàn)場有幾種異構(gòu)網(wǎng)絡互連通訊的局面。但是，發(fā)展共同遵從的統(tǒng)一的標準規(guī)范，真正形成開放式互連系統(tǒng)，是大勢所趨。

　　6．DCS的硬件系統(tǒng)及其發(fā)展方向

　　關(guān)于硬件系統(tǒng)，我們還沒有更深入的討論。不過，DCS或者是今后的FCS硬件肯定會大量采用單片嵌入式軟硬件系統(tǒng)。這是因為：

　　1. 無論是DCS的智能模件還是今后FCS的現(xiàn)場模塊，必須具備自我診

　　斷、數(shù)據(jù)交換等功能；

　　2. 由于DCS和今后的FCS都會將控制、采集任務下達給遠端絕大部分

　　的模件或模塊，以讓其分散系統(tǒng)任務，故該類模件或模塊必須具備狀態(tài)或數(shù)據(jù)采集、或者進行PID控制。因此，它不能缺少MCU；

　　3. 由于通訊功能的增強，有必要加強通訊協(xié)議的認可、總線設備地址的

　　辨識、誤碼的智能判斷及相應錯誤的糾正等。

　　所謂單片嵌入式軟硬件系統(tǒng)是指具備可安裝與PCB（印制板）還儀器、儀表、專業(yè)模塊設備內(nèi)的計算機系統(tǒng)。它并不包括我們常說的PC計算機。

　　6．1采用單片微處理器的嵌入式軟硬件系統(tǒng)

　　這種系統(tǒng)即是我們常說的單片計算機系統(tǒng)。它往往采用一片單片機加外圍芯片構(gòu)成。主要有AD、DA、DI、DO芯片作為與外部設備交換傳統(tǒng)的模擬量信號和開關(guān)量信號。并增加與外部的通訊接口電路、完成所謂的RS485物理接口并配合通訊協(xié)議在控制總線或現(xiàn)場總線上與主計算機或其他設備交換數(shù)據(jù)。

　　由于傳統(tǒng)的單片機功能有限，往往還加入了大量的邏輯處理單元和大容量存儲器。例如：采用PAL 、GAL、CPLD等。也有采用FPGA以完成邏輯、譯碼、存儲、通訊控制和特殊布爾計算。

　　必須指出，單片計算機計術(shù)仍然在不斷發(fā)展。很多單片機采用RISC精簡指令集和CPLD、FPGA或者是DSP技術(shù)，可以片內(nèi)帶FLASH MEMORY，并有JTAG接口，可以在線完成程序擦除、下載、調(diào)試等工作。工業(yè)控制領域以16BIT單片機為主，逐步采用32BIT甚至64BIT單片機，而應用于通訊領域中以8BIT單片機為多。據(jù)《電子工程專輯》報道：由于因特網(wǎng)的接入需求為8位MCU帶來新的活力。這表現(xiàn)在8位單片機供應商紛紛采取措施推出增強因特網(wǎng)接入功能的新型8位MCU，這給本來由于常規(guī)8位單片機極高的市場需求又注入新的活力。市場預計從2000年的90億美元增加到2004年的160億美元。而16位、32位MCU加起來還不到8位MCU的一半。完全打破某些專家和公司預計的16位MCU將在短時間內(nèi)替代8位MCU。他們的依據(jù)8位MCU是沒有能力實現(xiàn)與因特網(wǎng)連接。然而，這些預言是錯誤的?；?位MCU的低價格性和軟件嵌入式操作系統(tǒng)的支持，加上單片機上集成硬件的TCP/IP控制協(xié)處理器。這比采用16位甚至32位MCU要可靠、經(jīng)濟。如果說世界各大廠商在采用8位MCU完成通訊功能、而你卻想用16位MCU，這除非是你的產(chǎn)品成本比別人低得多，否則無法與別人競爭。

　　單片機系統(tǒng)配備TCP/IP通訊協(xié)議完成以太網(wǎng)接口是目前單片機的熱點。國外甚至推出可以發(fā)E_mail、上Web瀏覽的單片機系統(tǒng)。因此，上網(wǎng)沖浪不再是PC 計算機的專利。只有充分享受網(wǎng)上資源的一切設備才是人們所追求的目標。這種技術(shù)的大量使用，無疑給未來的工業(yè)以太網(wǎng)探明道路。

　　6．2采用DSP數(shù)字處理器的嵌入式軟硬件系統(tǒng)

　　DSP數(shù)字處理器是近來發(fā)展起來的新技術(shù)。它實際上也是單片計算機。一般的單片機內(nèi)部總線采用程序區(qū)和存儲器區(qū)共用的馮－諾依曼結(jié)構(gòu)。程序按步進行，必須完成取指、運算、執(zhí)行才能完成一個指令。而DSP采用哈佛結(jié)構(gòu)，程序區(qū)和存儲器區(qū)完全分開，取指、運算可以完全分開，即在運算階段時可以進行取下一條指令操作。故可以高速、并行工作。由于集成大量的存儲器和布爾處理器、復雜邏輯陣列及特殊算法功能塊，可以高速處理大量數(shù)據(jù)甚至輕而易舉地完成模糊控制或自適應控制等，是未來嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展方向。

　　TMS320系列DSP是美國德州公司的產(chǎn)品。因其內(nèi)部可以并行運行多個程序故可以處理更復雜的問題，相應程序執(zhí)行速度得以大大提高。由于硬件回路功能較強，甚至AD、DA轉(zhuǎn)換器也可以直接選擇DSP某些接口來構(gòu)成。

　　對于需要更快的處理速度（與純硬件執(zhí)行速度相當）某些設計完全可以由FPGA組成硬件，而采用VHDL設計語言來滿足系統(tǒng)要求。則其執(zhí)行方式完全并行工作，執(zhí)行指令也完全與常規(guī)的us/步不同，因為它不是按每個功能需要多少個執(zhí)行周期來完成，而是每個功能由多少個“硬件”構(gòu)成，它總共延時多少ns。這個“硬件”是由軟件來描述，而完成功能確實內(nèi)部的硬件進行?？梢哉f，它如同一個半導體廠定制的ASIC電路。內(nèi)部功能由專用硬件構(gòu)成（不過是看不見硬件），而生成的硬件卻是由軟件進行描述而生成的。

　　未來的DSP最終會向FPGA過渡。

　　6．3 DCS模件向FCS模塊的演變

　　常規(guī)的DCS是由若干個機柜中安裝各種模件或者是板卡所構(gòu)成。它們相對集中并且通過內(nèi)部的通訊、控制總線與各個模件相連接。由于DCS已經(jīng)發(fā)展很久，但其總體結(jié)構(gòu)變化不大。不過，這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)明顯顯示出不足：

　　a．由于各板卡集中于幾個機柜中，各自的通訊聯(lián)絡采用專用的協(xié)議，故屬于封閉式，無法直接與第三方設備交換數(shù)據(jù)，必須進行相互接口、通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換。開放性較差；

　　b. 所有的模件接口采用傳統(tǒng)的DI、DO、AI、AO，需要大量的電纜與現(xiàn)場設備相連接。直接導致安裝復雜、成本居高不下，故障點增多；

　　c. 模件抗干擾能力、防靜電能力差。

　　而FCS模塊強調(diào)可以現(xiàn)場安裝，高可靠性和惡劣的環(huán)境下高防護等級可以直接安裝于現(xiàn)場。而相互連接可以通過冗余的通訊電纜連接，所有連接在通訊總線上的設備可以共享信息，最終實現(xiàn)控制功能下移至現(xiàn)場層。

　　7．結(jié)束語：

　　綜上所述，DCS系統(tǒng)最終向FCS系統(tǒng)發(fā)展，我們究竟是使用別人的產(chǎn)品或是自己開發(fā)，是開發(fā)DCS還是FCS這要根據(jù)我們自身的實力和情況定。根據(jù)技術(shù)的發(fā)展方向和市場的需求，我認為：如果需要開發(fā)DCS產(chǎn)品應該順應技術(shù)的發(fā)展方向和市場的需求進行。換句話說，應該結(jié)合目前現(xiàn)有品牌DCS并有所擴展－帶FCS的模塊以逐步向FCS系統(tǒng)過渡即尋找開發(fā)的捷徑。

　　根據(jù)世界上成功合作例子，有許多廠商之間相互合作，例如美國GE公司與香港Fanuc組成GE FANUC品牌的90XX系列PLC。他們不再是簡單的OEM組裝，而是進入了較高層次的再開發(fā)，在亞州市場上取得了巨大成功。我們能否也借鑒此類方式合作。而不要采用成套購入別人硬件OEM簡單的生產(chǎn)方式，共同投入技術(shù)，維護、發(fā)展產(chǎn)品。這樣的合作方式當然取決與對方是否愿意。例如，征得ABB的同意，共同推出適合電站系統(tǒng)的INFI－DF DCS系統(tǒng)，并部分采用自己的硬件和軟件系統(tǒng)，獲得商標、硬件、軟件的使用權(quán)，可以在初期按技術(shù)合作入股、提成等方式，在東汽生產(chǎn)模件并投入物力、人力開發(fā)與FCS相適應的現(xiàn)場總線模塊擴展DCS應用范圍。

　　如果此類方式遭到斷然拒絕，那我們只有獨立開發(fā)自己的DCS系統(tǒng)了。