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1、微机控制系统及其应用工业以太网相对DCS, FCS的优势及不足学院：电气工程学院班级： XXX姓名： XXX学号： XXXXXXXX工业以太网相对DCS, FCS的优势及不足摘 要：本文简单介绍了工业控制网络中 DCS 、 FCS 和工业以太网的特点，指 出了工业以太网相对前两者的优势所在，并分析了工业以太网现有的几个问题， 最后提出了几种解决方案。关键词：工业以太网，DCS, FCS,工业控制网络，实时性，非确定性Abstract: This paper briefly introduces DCS, FCS and industrial Ethernet in industrial con
2、trol network, and points out the advantages of industrial Ethernet compared with the two formers, then analyses several problems in industrial Ethernet, finally puts forward several solutions.Key words: industrial Ethernet; DCS; FCS; industrial control network; real-time; uncertainty0 绪论1-3在工业自动化领域，
3、工业以太网已经在实际应用中渐成规模之势。而关于工 业以太网和现场总线在未来发展中是彻底替代还是相互融合的争论到今天也没 有停止过。然而，工业以太网能够实现现场总线所无法实现的一些功能已成不争 之实。再加上用户对拥有一个开放式的通信网络的要求日益迫切，以太网依托IT 行业成熟自如的应用经验，已经在工业领域占据越来越重要的位置。从最初几年的概念性炒作，到如今呈迅猛发展的态势，工业以太网以每年超 过50%的增长率渐为越来越多的用户所熟悉并应用。目前，积极推进这一技术概念的包括基金会现场总线（2000年发布其工业以 太网规范FF-HSE）、德国西门子公司（2001年发布其工业以太网规PROFINET）
4、、 美国罗克韦尔自动化公司（2000年发布其工业以太网规范EtherNet/IP ）和法国施 耐德公司（1998年发布其工业以太网规范ModbusTCP/IP）等。1 DCS、FCS和工业以太网简介工业控制网络作为一种特殊的网络，直接面向生产过程，肩负着工业生产运 行一线测量与控制信息传输的特殊任务，因此它通常应满足强实时性、高可靠性、 恶劣的工业现场环境适应性、总线供电等特殊要求和特点。它的发展经历了 DCS、 FCS、工业以太网等几个阶段。生产规模的扩大和复杂程度的提高推动着现场总线和现场总线控制系统的 发展。从20世纪六七十年代的模拟仪表控制系统，到七八十年代的集中式数字控 制系统，到八
5、、九十年代的集散控制系统(DCS)，再到近些年的现场总线控制 系统(FCS)。这些纷繁复杂的现场总线在提高系统工业控制系统的性能和自动化程度的 同时，也让用户陷入如何选择现场总线、如何延长系统寿命、如何保护已有投资 和如何与上层的办公自动化网络连接的困惑当中。工业以太网的推出，有助于解决上述问题。在世界各国研发机构的共同推动 下，以太网技术获得了极其快速的发展，工业以太网将成为工业控制网络的主流 发展方向。1.1集散型控制系统(DCS)简介集散控制系统4-5(DCS: Distributed Control System)是以多台微处理器为基础 的集中分散型控制系统。自20世纪70年代中期首次
6、推出后，就一直占主导地位的 控制系统框架。经过近30年的发展，DCS已日趋成熟，得到了业界人士的广泛认 可，其软件资源丰富，有上百种功能模块，控制功能多样、操作简便，有较好的 运行特性，另外，依靠其灵活方便、功能丰富的组态功能和可靠的网络通信能力 以及强大的监控、协调管理功能，DCS已广泛用于石油、化工、电力等行业，基 本上满足了大、中、小控制功能的要求，但不可否认的是，现代工业对自动化控 制系统的要求越来越苛刻，集散控制系统DCS已无法完全满足市场需求，其应用 受到一定的约束。目前的DCS主要具有以下特点：(1) 标准化的通信网络。开放系统的网络应符合标准的通信协议和规程。在 DCS中已经采
7、用的国际通信标准有：IEEE802局部网通信标准、PROWAY过程控 制数据通信协议和MAP制造自动化协议。这些标准使DCS具有可操作性，可以 互相联接，可以共享系统的资源，可以运行第三方的软件等。(2) 通用的软、硬件。早期的DCS厂家为了技术保密而自行设计开发生产， 使各DCS间不仅不能互联，且用户需储备大量备品备件，极不方便。目前DCS 厂家纷纷采用专业厂家的标准化、通用化、系列化、商品化的产品。(3) 完善的控制功能。DCS依靠运算单元和控制单元的灵活组态，可实现多 样控制策略，如：串级比值、均匀、前馈、选择性、解耦等控制；还可实现先进 控制，如：状态反馈、预测控制、智能控制等。(4)
8、 多年来，DCS基本上是采用一对一的接线方式，即一台仪表，一对传输 线，单向传输一个信号，实际上只能做到半分散，同时它又造成了系统接线庞杂， 即使一个简单的控制回路，其信号的必经之路也比较长，会引发许多弊端和隐患， 例如工程周期长，安装费用高和维护困难等。1.2现场总线控制系统(FCS)简介现场总线控制系统4-5(FCS: Fieldbus Control System )是采用现场总线作为通 信系统的控制系统。DCS的信号传送一般采用420mA的电流信号形式，一个变 送器或执行机构需要一对传输线来单向传送一个模拟信号。所以处于最底层的模 拟变送器和执行机构构成计算机控制系统中最薄弱的环节，即
9、所谓DCS系统的发 展瓶颈。FCS正是在这种情况下应运而生。首先,FCS的结构比DCS简单,FCS系统中没有了控制器，其控制功能已有现 场仪表及设备来实现。更明显的是二者的传输介质差别很大,DCS需要多根导线。 例如100个检测点需101根导线，而FCS仅需1根双绞线。FCS系统比DCS系统更好 地体现了 “信息集中，控制分散”的思想。与传统的DCS相比,FCS系统具有高度 的分散性, 他可以由现场设备组成自治的控制回路。现场仪表或设备具有高度的 智能化与功能自主性,可完成控制的基本功能, 并可以随时诊断设备的运行情况。 由于集散控制系统DCS的不开放性，不同厂家的产品不能互换、互联、限制了用
10、 户的选择范围。而现场总线控制系统FCS具有开放性,系统的通信协议一致公开， 各不同厂家的设备之间可实现信息交换,通过现场总线可组成开放互连系统。与传统DCS相比较，FCS具有以下特点：(1) 系统结构的彻底分散化，使FCS的控制可靠性进一步提高。FCS的最大 特点是采用了全分散的现场控制结构，将过去传统上集中在中央控制系统的控制 功能分散下放到智能型现场设备中。每个现场仪表的CPU均可独立完成测量、校 正、调节、诊断等功能。出现故障时，只影响本身，而不会影响全局。(2) 信号传输的数字化，使FCS更具市场竞争力。现场所有传感器或变送器 只需共用一对传输导线连接控制室的计算机，简化了整个系统的
11、布线和设计，较 DCS可大幅度减少电缆用量；不再需要卡件和传统DCS的主控制卡等部件，从而 节省了大量经费(40%左右)；同时数字信号传输精度较模拟信号高得多(约10倍左 右)；抗干扰能力强，因此控制质量更好。(3) 通信协议的开放性，有利于系统网络间的互联，实现网络资源共享。 同时，不同FCS的现场设备具有互换性和可互操作性，备品备件减少，便于用户 的扩展和再开发。(4)智能化电机控制中心(MCC)。MCC总线利用率80%以上，不仅完成单向 或双向电机的现场与远程控制, 过流与速断、 接地、 不平衡等控制外, 还能通 过总线读取电机电流、 电量、 故障等状态、 开停次数等多种电机状态信息。F
12、CS整体结构上是DCS的继承和发展，它将控制进一步分散到现场，同时又 能集中监控和管理整个生产过程。因此说，FCS是全数字、全分散、全开放的新 一代控制系统。1.3 工业以太网简介工业以太网技术是普通以太网技术在控制网络延伸的产物。前者源于后者又 不同于后者。以太网技术经过多年发展，特别是它在 internet 中的广泛应用，使 得它的技术更为成熟，并得到了广大开发商与用户的认同。因此无论从技术上还 是产品价格上，以太网较之其他类型网络技术都具有明显的优势。另外，随着技 术的发展，控制网络与普通计算机网络、internet的联系更为密切。控制网络技 术需要考虑与计算机网络连接的一致性，需要提高
13、对现场设备通信性能的要求， 这些都是控制网络设备的开发者与制造商把目光转向以太网技术的重要原因。 1 为了促进以太网在工业领域的应用， 国际上成立了工业以太网协会 (industrial Ethernet association， IEA)，工业自动化开放网 络联盟(industrial automation network alliance，IAONA)等组织，目标是在世界范围内推进工业以太 网技术的发展、教育和标准化管理，在工业应用领域的各个层次运用以太网。美 国电气电子工程师协会(IEEE)也正着手制定现场装置与以太网通信的标准。这些 组织还致力于促进以太网进人工业自动化的现场级，推动以
14、太网技术在工业自动 化领域和嵌入式系统的应用。以太网技术最早由Xerox开发，后经数字设备公司(digital equipment Corp.)、 Intel公司联合扩展，于1982年公布了以太网规范。IEEE802.3就是以这个技术 规范为基础制定的。按 ISO 开放系统互联参考模型的分层结构，以太网规范只 包括通信模型中的物理层与数据链路层。而现在人们俗称中的以太网技术以及工 业以太网技术，不仅包含了物理层与数据链路层的以太网规范.而且包含TCP/IP 协议组，即包含网络层的网际互联协议IP、传输层的传输控制协议TCP、用户 数据报协议UDP等。有时甚至把应用层的简单邮件传送协议SMTP、
15、域名服务 DNS、文件传输协议FTP、再加上超文本链接HTTP、动态网页发布等互联网上 的应用协议都与以太网这个名词捆绑在一起。因此工业以太网技术实际上是上述 一系列技术的统称。工业以太网与OSI互联参考模型的对照关系如图1.1所示。应用协议TCP心DPIP 以太网MAC以太网物理戻应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层图 1.1 工业以太网与 OSI 互连参考模型的分层对照从图1.1可以看到，工业以太网的物理层与数据链路层采用IEEE802.3规范, 网络层与传输层采用 TCP/IP 协议组，应用层的一部分可以沿用上面提到的那些 互联网应用协议。这些沿用部分正是以太网的优势所在。工业
16、以太网如果改变了 这些已有的优势部分，就会削弱甚至丧失工业以太网在控制领域的生命力。因此 工业以太网标准化的工作主要集中在ISO/OSI模型的应用层，需要在应用层添加 与自动控制相关的应用协议。1.4 工业以太网的优势5-6工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足控制作用对 实时性的要求，即信号传输要足够的快和满足信号的确定性。因此以太网有以下 优点:(1) 采用工业级电源。工业级电源输出功率大可以提供比较大的工作电流滤 波功能，完善抗干扰能力，通常采用冗余结构。一旦一台电源发生故障，备用电 源可以自动投运保证控制系统的正常运行。(2) 网络采用冗余结构。为了保证控制系统通讯的可靠性工，业以太网通常 采用冗余结构。在一条网络发生故障时，网络控制软件可以自动在最短时间内切 换到备用网络保证通讯的安全和可靠。(3) 网络抗干扰能
