在現(xiàn)代測控領(lǐng)域，“開放系統(tǒng)”、“現(xiàn)場總線”這2個詞頻繁出現(xiàn)。在自控界討論的仍然是DCS（distribute control system ），F(xiàn)CS（fieldbus control system）誰將最終成為主流控制系統(tǒng)，這場爭論的實(shí)質(zhì)是利益和市場的競爭，一些既得利益者一方面要維護(hù)DCS/PLC的市場份額，另一方面又怕趕不上FCS的潮流，因而在自己的DCS/PLC系統(tǒng)中加入自己的現(xiàn)場總線；而另外一些硬、軟件生產(chǎn)商由于沒有歷史包袱，追求的是全新的控制系統(tǒng)模式，包括統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)及軟、硬件平臺，以引導(dǎo)和占領(lǐng)未來的市場。這些控制系統(tǒng)的區(qū)別有多大，有無共同的特征，未來控制系統(tǒng)的發(fā)展方向是什么，本文試圖在這些方面做一些探討。

1、我國控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展

　　一個控制系統(tǒng)由I/O設(shè)備（傳感器和執(zhí)行器）、控制硬件、控制軟件、人機(jī)接口及與信息系統(tǒng)的連接等組成，如圖l所示。設(shè)備級現(xiàn)場總線使I/O模件和控制箱得以分開，以太網(wǎng)使得現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)集成到企業(yè)應(yīng)用中。

　　1.1早期的集中式控制系統(tǒng)
　　80年代初期，當(dāng)微機(jī)控制系統(tǒng)用于電站自動化領(lǐng)域時，多使用以單板機(jī)組成的微機(jī)控制裝置，與上位機(jī)系統(tǒng)連接多采用串行通信方式，所有模件集中布置在一個或幾個機(jī)柜中。由這些裝置構(gòu)成的系統(tǒng)多為集中式控制系統(tǒng)或分層控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)為我國電站自動化控制系統(tǒng)發(fā)揮了重要作用，其開拓性的實(shí)踐是今天控制系統(tǒng)豐富多彩的基礎(chǔ)。但是，這類系統(tǒng)技術(shù)上已經(jīng)落后，不符合控制系統(tǒng)分布、開放的發(fā)展趨勢。

　　1.2DCS控制系統(tǒng)
　　DCS在我國電力行業(yè)特別是火電廠機(jī)組控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的DCS主要有4層結(jié)構(gòu)：第1層是I/O層；第2層是控制器層；第3層是人機(jī)接口層；第4層是企業(yè)信息系統(tǒng)層。這種結(jié)構(gòu)與圖l相近，但除在第3層、第4層之間采用以太網(wǎng)外，其他都是專用網(wǎng)絡(luò)，控制設(shè)備及軟件也是專用的，開放程度不夠，給系統(tǒng)維護(hù)及升級帶來不便。
　　DCS在設(shè)備配置上還要求網(wǎng)絡(luò)、控制器、電源甚至模件等都為冗余結(jié)構(gòu)，支持無擾切換和帶電插拔，由于設(shè)計(jì)上的高要求，導(dǎo)致DCS成本太高。

　　1.3PLC可編程邏輯控制器
　　嚴(yán)格說來，單獨(dú)的PLC因缺少人機(jī)接口及信息系統(tǒng)等部分，不是一個控制系統(tǒng)。PLC由于其高可靠性及使用的方便性，占領(lǐng)著很大的市場份額。從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看，傳統(tǒng)的PLC相當(dāng)于通用化的微機(jī)監(jiān)控裝置，由電源模件、CPU模件、I/O模件、槽板及擴(kuò)展插箱組成，使用廠家提供的梯形圖邏輯語言進(jìn)行編程。但隨著市場的需要及DCS的挑戰(zhàn)，PLC家族在以下幾方面得到了發(fā)展：①分布式I/O連接能力方面，由于許多高檔PLC支持遠(yuǎn)程I/O及現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)（如DeviceNet，Profibus等），使PLC向下連接更分布；②廠級控制系統(tǒng)連接方面，許多PLC支持高速網(wǎng)絡(luò)，如Ethernet ，ControlNet，Profibus等；③軟件的開放性方面，由于許多PLC支持OPC標(biāo)準(zhǔn)（object linking and embedding for process control），使軟、硬件平臺之間的數(shù)據(jù)通信找到了一個實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)。這種部分開放加上部分專用所構(gòu)成的系統(tǒng)可能還會延續(xù)一段時間。
　　但是，正是由于PLC是一種通用的控制器，應(yīng)用到電力系統(tǒng)作為現(xiàn)地控制裝置有其局限性，需做許多硬件和軟件上的改進(jìn)工作，配置額外的設(shè)備和電路。與DCS相比，PLC有成本上的優(yōu)勢，但可靠性、電氣性能卻不如DCS。

　　1.4FCS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)
　　FCS（fieldbus control system）顧名思義基于現(xiàn)場總線，根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)及現(xiàn)場總線基金會的定義：現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)應(yīng)具有以下技術(shù)特點(diǎn)：①系統(tǒng)的開放性；②互可操作性與可用性；③現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性；④系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性；⑤對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性。
　　由于有以上技術(shù)要求，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)將是開放系統(tǒng)的主要支撐力量。由于受集團(tuán)利益的限制，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)本身目前還未形成一個單一的標(biāo)準(zhǔn)。常見的標(biāo)準(zhǔn)有Profibus，CAN，Lonworks，WorldFip及FF（fieldbus foundation）等，人們期待著將于2000年初頒布的最后統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)IEC61158，F(xiàn)F與目前的IEC61158-3.4.5.6草案兼容。
　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)不僅需要控制系統(tǒng)設(shè)備制造商的支持，更主要的是要得到分散在現(xiàn)場的傳感器及執(zhí)行設(shè)備的支持，以取代DCS的數(shù)字/模擬混合技術(shù)，成為全數(shù)字式系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)才會比DCS有很大的技術(shù)及成本優(yōu)勢。
　　目前的情形是，我國廣大的中小型生產(chǎn)企業(yè)還沒有DCS，大型企業(yè)使用DCS，使用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)近幾年內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)。在這種情形下，什么是當(dāng)前適合中國國情的控制系統(tǒng)呢？筆者認(rèn)為作為過渡階段可行的方案應(yīng)是DCS-FCS結(jié)合的控制系統(tǒng)模式。這種模式采用智能I/O模件作為儀表上網(wǎng)的橋梁，同時節(jié)省成本；使用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)分布式、開放式的發(fā)展趨勢；使用開放式的控制器硬件及開放式的組態(tài)軟件代替DCS中專用的控制器，保留DCS的冗余技術(shù)及組態(tài)技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)，使用標(biāo)準(zhǔn)的開放性網(wǎng)絡(luò)以太網(wǎng)作為廠級網(wǎng)絡(luò)，而不是DCS的專用網(wǎng)絡(luò)。隨著技術(shù)的進(jìn)步、成本的進(jìn)一步降低，全開放式的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)必將是未來的趨勢。

2、新一代的控制系統(tǒng)的主要特征

　　2.1網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
　　網(wǎng)絡(luò)中研究最多的是現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)。
　　從1984年現(xiàn)場總線概念的提出到目前最后的標(biāo)準(zhǔn)即將頒布，經(jīng)過了15年的時間。在這期間，共產(chǎn)生了60多個數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)以連接傳感器、現(xiàn)場設(shè)備及控制級網(wǎng)絡(luò)，有5000多種支持這些網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品。這一方面說明網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用的廣泛，另一方面說明迫切需要一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)是開放的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)必備的技術(shù)條件。
　　以太網(wǎng)在廠站自動化中一般用于連接控制器和操作員站及管理站，這種結(jié)構(gòu)叫做控制中心以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)（control-centric）；以太網(wǎng)另一個發(fā)展趨勢是直接將I/O設(shè)備連到以太網(wǎng)或連到與以太網(wǎng)兼容的I/O數(shù)據(jù)集中器上，這種結(jié)構(gòu)叫做設(shè)備中心結(jié)構(gòu)（device-centric ）。前一個結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議多為TCP/IP，應(yīng)用層協(xié)議沒有一個標(biāo)準(zhǔn)，建立在FTP，Telnet，NFS等的服務(wù)成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)；后一種結(jié)構(gòu)使用的協(xié)議保留了以太網(wǎng)的物理層及鏈路層協(xié)議，在應(yīng)用層使用現(xiàn)場總線定義的協(xié)議，如FF的HSE（high speed Ethernet protocol ），Control Net，Device Net等。
　　從以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線的交叉發(fā)展趨勢可以看出，兩者將有機(jī)地結(jié)合起來。一方面由于受環(huán)境及特種技術(shù)的要求限制，現(xiàn)場總線的低端（即I/O端）仍采用低速網(wǎng)（如FF的H1，Device Net或Profibus的PA）將智能儀表等設(shè)備連接；另一方面一些兼容的智能設(shè)備采用中速網(wǎng)（如FF的H2或Profibus的DP）連接控制器、數(shù)據(jù)集中器、遠(yuǎn)程I/O及智能I/O設(shè)備；在廠級系統(tǒng)中，采用高速以太網(wǎng)連接各控制器與站級計(jì)算機(jī)，形成整個控制系統(tǒng)，這就是LAN/fieldbus的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　2.2開放性
　　開放性無疑是新一代控制系統(tǒng)的重要特征。開放就是一些標(biāo)準(zhǔn)加上公共發(fā)表的技術(shù)，這些標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)無需許可證就可以自由獲得，并由許多供應(yīng)商所支持。開放是數(shù)據(jù)連接能力和硬、軟件可移植性的組合。以太網(wǎng)和OPC是數(shù)據(jù)連接能力的例子，PC是開放的硬、軟件平臺的例子。開放基于標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動開放性。標(biāo)準(zhǔn)有正式標(biāo)準(zhǔn)（如IEC或IEEE）和事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)（de facto）之分。事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)是市場力量的體現(xiàn)。
　　工業(yè)自動化的標(biāo)準(zhǔn)有以下幾個方面：①現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)IEC61158；②可編程邏輯程序語言IEC61131-3；③符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的硬件有開放式結(jié)構(gòu)的PC平臺，如ISA，Compact PCL PC104和VXI等；④OPC及微軟的COM，DCOM，DNA在自動化產(chǎn)品中應(yīng)用非常廣泛，被認(rèn)為是工業(yè)上的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，另外，還有Sun Connect ，HTTP-HG等。

　　2.3組態(tài)技術(shù)
　　組態(tài)技術(shù)主要指控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫生成及控制算法組態(tài)。其中數(shù)據(jù)庫生成組態(tài)與各種硬件設(shè)備關(guān)系太密切，還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，就PLC本身來講，這部分一直是空白，也就是說，PLC所能提供的只是寄存器，它需要借助第3方或?qū)Ｓ密浖⑵滢D(zhuǎn)換成有意義的工程參數(shù)，對于DCS，數(shù)據(jù)測點(diǎn)定義就完備多了。同樣地，控制算法組態(tài)方面，傳統(tǒng)的PLC多數(shù)只提供梯形圖邏輯及少量的功能塊，并且與IEC61131-3不兼容，而DCS具有全面的控制算法組態(tài)技術(shù)，包括梯形圖、助記符、功能塊及順序流程圖等。第3方軟件支持商支持IEC61131-3并可以加載到部分PLC中。
　　開放式現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)理所當(dāng)然應(yīng)具有組態(tài)技術(shù)，包括數(shù)據(jù)庫組態(tài)及控制算法組態(tài)，生成的參數(shù)及算法不僅可以在控制器中運(yùn)行（所謂Soft PLC），還可以在遠(yuǎn)程I/O或智能設(shè)備上運(yùn)行，按照現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)定義的功能塊可以在智能儀表及執(zhí)行機(jī)構(gòu)中進(jìn)行運(yùn)算，以實(shí)現(xiàn)真正的分布式控制。

3、影晌控制系統(tǒng)可靠性的幾個因素

　　3.1嵌入式控制與控制器的可靠性
　　控制系統(tǒng)的可靠性很大一部分依賴于控制器是否可靠。PLC，DCS有其專用的控制器，開放式系統(tǒng)中建議的是標(biāo)準(zhǔn)的硬、軟件平臺。顯然PC機(jī)和微軟的Windows是一種選擇。工業(yè)PC機(jī)經(jīng)過多年的改進(jìn)已經(jīng)比較可靠了，但故障還是會發(fā)生，其較差的運(yùn)行環(huán)境適應(yīng)能力和旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障（硬盤故障）給維護(hù)帶來了困難。一種解決方案是用嵌入式PC機(jī)如PC104結(jié)構(gòu)的硬件平臺，這種平臺有較寬的運(yùn)行環(huán)境，沒有硬盤，而且具有豐富的模件資源，支持以太網(wǎng)及現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)接口。從操作系統(tǒng)角度看，帶有實(shí)時擴(kuò)展（RTX）的NT（如Ventur Com公司提供的RTX NT）是在標(biāo)準(zhǔn)PC平臺上用于實(shí)時控制的較佳選擇；但嵌入式控制中資源有限，即使是嵌入式NT也很難適應(yīng)。Windows CE不失為一個嵌人式應(yīng)用較好的選擇，特別是其3.0版本的推出，在確定性、實(shí)時性、優(yōu)先級擴(kuò)展能力及中斷服務(wù)延時、進(jìn)程切換時間上有了顯著的提高，過程處理循環(huán)時間降到毫秒級。事實(shí)上一些公司己生產(chǎn)出采用Win CE的控制裝置，如Win PLC，GE公司的CNC，Xycorn自動化公司的ASIC-3000等。
　　Win CE并不是唯一的選擇，許多實(shí)時操作系統(tǒng)非常成熟，已在通信、Internet及電力等行業(yè)發(fā)揮了巨大作用，如pSOS，QNX，VRTX等，這些操作系統(tǒng)的共同特征是內(nèi)核非常小，支持BSP開發(fā)（板級支持包）及強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支撐功能，缺點(diǎn)是第3方的支持軟件不豐富。
　　采用嵌入式控制是提高控制器可靠性的重要保證。

　　3.2網(wǎng)絡(luò)的可靠性
　　現(xiàn)場總線從一開始就是為連接現(xiàn)場控制設(shè)備而設(shè)計(jì)的，充分考慮了其對各種運(yùn)行環(huán)境的適應(yīng)能力及實(shí)時控制中對確定性的要求，只要符合其制定的規(guī)范（如通信速度、通信距離、物理鏈接等），現(xiàn)場總線應(yīng)該是可靠的。
以太網(wǎng)成為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)也可靠嗎？回答是肯定的。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)使用總線將各個節(jié)點(diǎn)連在一起，允許同時將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)上，這樣就發(fā)生了沖撞，必須采用重發(fā)機(jī)制以達(dá)到相對高的成功率。這種機(jī)制導(dǎo)致非確定性（non-deterministic），而控制系統(tǒng)需要確定性。以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展增強(qiáng)了其通信的確定性，首先，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，采用星形連接及交換式Hub ，交換式Hub提供數(shù)據(jù)緩沖及具有確定接收數(shù)據(jù)的網(wǎng)段智能，使數(shù)據(jù)沖撞及重發(fā)機(jī)會最小化；其次，快速以太網(wǎng)（100Mbit/s，1 Gbit/s）的發(fā)展及網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)使以太網(wǎng)更適應(yīng)于實(shí)時應(yīng)用；另外，改進(jìn)的通信協(xié)議克服了TCP/IP協(xié)議中的緩沖器滿再發(fā)送及沖撞控制中的允許“丟”包等缺點(diǎn)。

　　3.3電磁兼容性與硬件設(shè)備可靠性
　　控制系統(tǒng)要適應(yīng)惡劣的運(yùn)行環(huán)境，必須滿足一系列電磁兼容性國際標(biāo)準(zhǔn)，IEC61000-4標(biāo)準(zhǔn)或我國等同采用的GB/T17626標(biāo)準(zhǔn)