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；結構簡單，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，但隨著現(xiàn)場總線技術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。控制專家們紛紛預言：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)采用總線式拓樸結構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)絡采用星型拓樸結構。

　　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技術問題的突破性進展，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)與微機計算機技術相結合而發(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、控制技術和通信技術于一體，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、控制技術、網(wǎng)絡通信技術和圖形顯示技術于一體的系統(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，這是DCS的關鍵技術，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)品自主權不完全屬于我們。技術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鍵所在。那就先讓我們分析一下究竟需要什么技術和人才吧！

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

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

　　DCS系統(tǒng)的軟件技術包括如下方面：

　　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（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（網(wǎng)絡通訊技術及協(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)控制領域對Windows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、結構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/服務器結構。

　　客戶機/服務器結構的主要思想是：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)結構。它根據(jù)面向對象編程（Object Oriented Programming---OOP）的思想，將組件對象化，給出了面向對象軟件組件（或簡稱為對象組件）的標準。

　　COM首次是在對象鏈接與嵌入（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：

　　（1）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。怎樣才能確保用不同語言編寫的組件能協(xié)同工作？

　　（4）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)境下的分布對象結構之路。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）里進行面向對象的遠程過程調(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，面向對象軟件組件已成為事實上的標準。面向對象軟件組件統(tǒng)稱為ActiveX組件。經(jīng)過一番擴展以后，ActiveX組件現(xiàn)在可提供對DCOM的支持。ActiveX是組件對象模型的一種物理實現(xiàn)方式，它為ActiveX組件的創(chuàng)建提供了基礎。

　　ActiveX組件將程序邏輯封裝起來，并可以進程內(nèi)、本地進程外、遠程進程外三種形式之一在網(wǎng)絡中運行，為其它應用程序（客戶機應用程序）提供服務。因此可以將ActiveX組件理解成"服務器"。它要么在"進程內(nèi)"工作，即代碼在與客戶機應用程序相同的進程空間內(nèi)執(zhí)行（亦即一個DLL－－ActiveX DLL）；要么在"進程外"工作，即代碼在同一機器的另一個進程內(nèi)運行，或在遠程電腦的另一個進程內(nèi)執(zhí)行（亦即一個EXE文件－－ActiveX EXE）。利用Visual Basic 5.0，Visual C++5.0或Visual J++等OOP語言，可以很方便地創(chuàng)建ActiveX DLL（進程內(nèi)服務器）和ActiveX EXE（本地或遠程進程外服務器）。

　　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：

　　（1）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；

　　（3）使用完畢釋放該對象；

　　（4）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文本框中顯示結果

　　Text3. Text = xlSheet. Cells(3,1)

　　'保存工作表單

　　xlSheet. SaveAs" c:Test.xls"

　　'關閉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/服務器關系，在這種關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，其結構必然是客戶機/服務器結構，客戶機/服務結構是網(wǎng)絡發(fā)展的必然結果。

　　4.3 客戶機/服務器結構

　　綜觀計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)結構的發(fā)展，大致可分為三個階段：集中式結構、文件服務器結構以及客戶機/服務器結構。這三個階段代表了計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)結構發(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)結構。

　　在集中式結構中，只有兩種關鍵組件：服務器和客戶機終端。客戶機與服務器之間傳輸?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。集中式結構伯優(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，集中式結構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。

　　文件服務器結構以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，在這種結構中，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，而不是像集中式結構那樣在服務器上執(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/服務器結構。在這種結構中，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/服務器結構的代表。

　　在客戶機/服務器結構中，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）?？蛻籼岢稣埱螅掌黜憫埱蟛槠浞?。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/服務器這兩種結構中，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/服務器結構為我們提供的強大功能。

　　事實上，在基于文件服務器的結構中，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/服務器原結構里，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構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（針對集中式結構）或必須在客戶機內(nèi)執(zhí)行（針對文件服務器結構），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/服務器結構提供了極好的機遇。當今的Web技術就是一個典型的客戶機/服務器結構：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/服務器結構的應用程序。因為這樣的應用程序是由ActiveX組件組裝而成的，與其它應用程序結構相比更加健壯、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中一些關鍵技術和組件則成為重新命名后的ActiveX技術和組件。

　　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）和良好的結構化風格，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、自動化儀表技術和計算機網(wǎng)絡技術的成熟和發(fā)展，控制領域又發(fā)生了一次技術變革。這次變革使傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)（如集散控制系統(tǒng)）無論在結構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。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。物理傳輸介質可為雙絞線、光纜和無線，其傳輸信號采用曼切斯特編碼。基金會現(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)軟件技術以及構筑集成自動化系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)的系統(tǒng)集成技術。

　　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。傳輸介質為雙絞線，通信速率與總線長度有關。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，可自動關閉，抗干擾能力強，可靠性高。

　　5．3．3　LonWorks總線

　　LonWorks技術是美國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。它采用了OSI參考模型全部的七層協(xié)議結構。LonWorks技術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)芯片構成的節(jié)點之間可以進行對等通信。LonWorks支持多種物理介質并支持多種拓撲結構，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，主站間通過傳遞令牌來傳遞對總線的控制權。取得控制權的主站，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）的結構與特點

　　5．4．1　結構

　　隨著現(xiàn)場總線技術的出現(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。現(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的結構比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。

　　由于結構上的改變，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)結構比較見圖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)結構的簡化，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。現(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。

　　此外，它還具有設計簡單，易于重構等特點。

　　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的結構存在一些不足之處，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，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)的結構，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，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，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。

　　（1）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)結構，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)作結構上的重大變動。

　?。?）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，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。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－諾依曼結構。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采用哈佛結構，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轉換器也可以直接選擇DSP某些接口來構成。

　　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，但其總體結構變化不大。不過，這種結構已經(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)品應該順應技術的發(fā)展方向和市場的需求進行。換句話說，應該結合目前現(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，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，可以在初期按技術合作入股、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。