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摘要：本文概括介绍了集散型控制系统和总线控制系统的基本概念、发展过程，并在体系结构方面进行了分析比较。
关键词：集散型控制系统；现场总线控制系统；体系结构
自动控制技术在许多领域里获得了广泛的应用，计算机控制系统所采用的形式与它所控制的生产过程的复杂程度密切相关，不同的被控对象和不同的要求，应有不同的控制方案。在自动控制领域，目前用于工业过程控制的两种主要计算机控制系统是集散型控制系统和现场总线控制系统。
一、集散型控制系统
集散型控制系统（DCS）是综合了计算机（Computer）技术、控制（Control）技术、通信（Communication）技术、CRT显示技术即4C技术，集中了连续控制、批量控制、逻辑顺序控制、数据采集等功能，对工业生产过程进行集中监视、分散控制的综合计算机控制系统。集散型控制系统具有众多的优越性，目前已被广泛应用于冶金、纺织、石油化工、电力、食品等工业部门。集散型控制系统的发展大体上可以分为四个时期：
1、初创时期
随着现代化工业的飞速发展，生产装置的规模不断扩大，生产技术及工艺过程越来越复杂，对工业生产过程的自动控制系统提出了更高的要求。上世纪70年代初，随着大规模集成电路、微处理技术、CRT技术及数字通讯技术的发展，一种运用局部网络技术，利用多台计算机分散应用于过程控制，通过CRT装置、通讯总线、打印机等集中操作、显示和报警的新型控制系统形成了。这就是集散型控制系统的雏形。美国Honeywell公司向市场推出了世界上第一个TDC-2000集散型控制系统，用多台微处理机完成过去一个大型计算机完成的功能，各微处理机之间用计算机网络连起来。微处理机可以安装在控制现场附近，控制少数几个回路，这样就节省了大量电缆和安装费用，而且增加了系统的可靠性。全系统由一个通讯指挥器进行指挥，对各单元的访问采用轮询方式。
2、成熟时期
上世纪80年代后，各种高新技术，特别是16位、32位微机技术和计算机网络技术的飞速发展成为集散型控制系统的强大技术后盾，集散型控制系统的发展进入成熟期。这个时期的研究工作主要包括两个方面：一是不断更新硬件和软件，二是开发高一层次的信息管理系统。例如采用专用的高性能芯片、高分辨率的CRT、提高软件的编制水平，加强系统的自检功能，开发具有数、模混合顺序控制功能的集散型控制系统。
3、扩展时期
上世纪80年代后期到90年代初期，DCS系统具有的显著特点是综合化、开放化和现场级的智能化。综合化主要表现在信息管理的综合和控制系统的综合，包括生产设计、计划调度、质量检查、市场营销等管理功能的综合，也包括过程自动化与顺序控制、电机控制相结合的计算机、仪表、电器的综合。开放化主要表现在组成一个连接规则标准化的开放系统网络，使来自不同制造厂家的设备进行灵活的互相通讯。现场级的智能化主要表现在逐渐采用智能化的现场传感器或变送器，通过通讯网络传递输出的数字信号。这一时期的代表产品有FOXBORO的I/A SERIES，Honeywell的TDC-3000UCN等等。
4、通用集成时期
上世纪90年代中后期，新一代的DCS系统的操作员站与一般的PC计算机没有任何区别，使用普通键盘和鼠标操作，组态和操作在WINDOWS平台上进行，采用标准数据通信规程，体系结构为典型的集中分散型。
随着计算机技术的不断发展，工业自动化仪表与系统也在飞速发展和不断变革，DCS系统体系结构也随之变革。在工业自动化领域出现了三种DCS产品体系结构：由过程控制站、显示操作站、监控计算机、计算机控制局域网、管理计算机和通用监视站等组成的仪表型DCS；由PLC、显示操作站、工业局域网以及管理计算机组成的以PLC为基础的DCS；由PC主机、PC总线I/O模板、PC机网络和工业控制软件包等OEM产品组成的以PC为基础的DCS。
二、现场总线控制系统
现场总线控制系统（FCS）是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能。它是以现场智能传感器，数字执行器，控制计算机，数字通信，计算机网络，工控软件为主要内容的系统集成技术。
1、现场总线
现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。
现场总线技术对当今的自动化领域带来了以下7个方面的变革：用一对通信线连接多台数字仪表代替一对信号线只能连接一台仪表；用多变量、双向、数字通信方式代替单变量、单向、模拟传输方式；用多功能的现场数字仪表代替单功能的现场模拟仪表；用分散式的虚拟控制站代替集中式的控制站；用现场总线控制系统FCS代替传统的集散控制系统DCS；变革传统的信号标准、通信标准和系统的标准；变革传统的自动化系统体系结构、设计方法和安装调试方法。
2、控制系统
计算机网络技术和现场总线技术的迅速发展，推动着工业自动化控制系统的体系结构产生不断的变革。传统的4～20mA模拟信号制将逐步被双向、串行、多点的数字通信现场总线信号制所取代。模拟与数字混合的集散控制系统也将在更新换代的技术变革中逐步消失。这种变革将导致产生新一代的现场总线控制系统。
3、现场仪表
现场仪表是现场总线控制系统的重要组成部分，是下世纪仪器仪表工业的主体，主要包括三大类：（1）智能变送器输出符合现场总线协议规定的数字信号，直接与现场总线网络连接。温度、压力、差压、流量、物位、成份量等检测变送仪表都将发展相应的现场总线智能仪表系统新产品。（2）智能执行器可以接收现场总线数字信号，经处理后直接控制工业过程。电动直行程和角行程执行机构以及阀门定位器等，都将发展智能化系列产品。（3）其他现场仪表装置如现场I/O模块，PLC及其他控制器等，都将根据应用需要，发展成为现场总线新产品。由于植入了功能块，现场仪表又可以称为现场总线智能仪表，如一个简单的温度变送器可包含一个AI功能块，一个控制阀可以包含一个PID功能块和预期的AO块等等。 三、DCS与FCS体系结构之比较
集散型控制系统采用分散控制、集中操作、综合管理和分而自治的原则，从下向上分为分散过程控制级、集中操作监控级和综合信息管理级，如图1所示。分散过程控制级直接面向生产过程，是DCS的基础，直接完成生产过程的数据采集、调节控制、顺序控制等功能，输入的是传感器信号，输出的是驱动执行机构的信号。集中操作监控级的主要任务是操作监视，面向操作员和控制系统工程师，配备功能强大的计算机系统及各类外部装置，特别是CRT显示器和键盘，以及需要较大存储容量的硬盘或软盘支持，另外还需要功能强的软件支持。综合信息管理级由管理计算机、办公自动化系统、工厂自动化服务系统构成，从而实现整个企业的综合信息管理，主要包括生产管理和经营管理。
现场总线控制系统在系统集成与应用集成中实现上不得不面对多元标准、多种通信网络并存的复杂情况。不同的现场总线技术都应该有相对应的现场总线控制系统。国际电工委员会（IEC）推荐的现场控制系统的体系结构如图2所示。从网络层次上讲，现场总线控制系统有现场控制网段和普通局域网段两个层次。
在现场控制网段可能包含一种或多种总线技术，同种通信协议的网段间可采用网桥、中继器连接，不同通信协议的网段间采用网关连接或直接在操作站的计算机内交换信息。同时也可能包含不同厂家的不同硬件设备、软件产品，这就需要按某种特定的应用目标，组合成一个有序且协同工作的整体，各家设备之间实现互操作。带有AI，AO，DI，DO，PID等功能块的现场设备能够完成生产过程的参数测量、数据传输和过程控制的功能。
普通局域网段由高性能计算机、工作站、PC机、控制器等网络节点组成，包括各类监控、计算、管理用的客户机、服务器、数据库等，并与外部的Internet互联网连接，主要负责对控制系统的监视、优化计算、数据处理和日常事务管理等任务。
新型的FCS突破了DCS中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身便可以实现基本控制功能。
四、结束语
目前国际上各种流派的现场总线及其标准群雄并起，既为行业提供了发展良机，也带来了严峻的挑战。面对这种现状，我国现场总线标准化工作应采取何种技术发展政策，是摆在我们面前不可回避的问题。当务之急要深入研究国外先进的现场总线技术，推动我国现场总线技术的产品研究开发和应用，并形成符合我国国情和现实的标准体系，保护我国生产企业和用户的投资效益。
关键词：集散型控制系统；现场总线控制系统；体系结构
自动控制技术在许多领域里获得了广泛的应用，计算机控制系统所采用的形式与它所控制的生产过程的复杂程度密切相关，不同的被控对象和不同的要求，应有不同的控制方案。在自动控制领域，目前用于工业过程控制的两种主要计算机控制系统是集散型控制系统和现场总线控制系统。
一、集散型控制系统
集散型控制系统（DCS）是综合了计算机（Computer）技术、控制（Control）技术、通信（Communication）技术、CRT显示技术即4C技术，集中了连续控制、批量控制、逻辑顺序控制、数据采集等功能，对工业生产过程进行集中监视、分散控制的综合计算机控制系统。集散型控制系统具有众多的优越性，目前已被广泛应用于冶金、纺织、石油化工、电力、食品等工业部门。集散型控制系统的发展大体上可以分为四个时期：
1、初创时期
随着现代化工业的飞速发展，生产装置的规模不断扩大，生产技术及工艺过程越来越复杂，对工业生产过程的自动控制系统提出了更高的要求。上世纪70年代初，随着大规模集成电路、微处理技术、CRT技术及数字通讯技术的发展，一种运用局部网络技术，利用多台计算机分散应用于过程控制，通过CRT装置、通讯总线、打印机等集中操作、显示和报警的新型控制系统形成了。这就是集散型控制系统的雏形。美国Honeywell公司向市场推出了世界上第一个TDC-2000集散型控制系统，用多台微处理机完成过去一个大型计算机完成的功能，各微处理机之间用计算机网络连起来。微处理机可以安装在控制现场附近，控制少数几个回路，这样就节省了大量电缆和安装费用，而且增加了系统的可靠性。全系统由一个通讯指挥器进行指挥，对各单元的访问采用轮询方式。
2、成熟时期
上世纪80年代后，各种高新技术，特别是16位、32位微机技术和计算机网络技术的飞速发展成为集散型控制系统的强大技术后盾，集散型控制系统的发展进入成熟期。这个时期的研究工作主要包括两个方面：一是不断更新硬件和软件，二是开发高一层次的信息管理系统。例如采用专用的高性能芯片、高分辨率的CRT、提高软件的编制水平，加强系统的自检功能，开发具有数、模混合顺序控制功能的集散型控制系统。
3、扩展时期
上世纪80年代后期到90年代初期，DCS系统具有的显著特点是综合化、开放化和现场级的智能化。综合化主要表现在信息管理的综合和控制系统的综合，包括生产设计、计划调度、质量检查、市场营销等管理功能的综合，也包括过程自动化与顺序控制、电机控制相结合的计算机、仪表、电器的综合。开放化主要表现在组成一个连接规则标准化的开放系统网络，使来自不同制造厂家的设备进行灵活的互相通讯。现场级的智能化主要表现在逐渐采用智能化的现场传感器或变送器，通过通讯网络传递输出的数字信号。这一时期的代表产品有FOXBORO的I/A SERIES，Honeywell的TDC-3000UCN等等。
4、通用集成时期
上世纪90年代中后期，新一代的DCS系统的操作员站与一般的PC计算机没有任何区别，使用普通键盘和鼠标操作，组态和操作在WINDOWS平台上进行，采用标准数据通信规程，体系结构为典型的集中分散型。
随着计算机技术的不断发展，工业自动化仪表与系统也在飞速发展和不断变革，DCS系统体系结构也随之变革。在工业自动化领域出现了三种DCS产品体系结构：由过程控制站、显示操作站、监控计算机、计算机控制局域网、管理计算机和通用监视站等组成的仪表型DCS；由PLC、显示操作站、工业局域网以及管理计算机组成的以PLC为基础的DCS；由PC主机、PC总线I/O模板、PC机网络和工业控制软件包等OEM产品组成的以PC为基础的DCS。
二、现场总线控制系统
现场总线控制系统（FCS）是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能。它是以现场智能传感器，数字执行器，控制计算机，数字通信，计算机网络，工控软件为主要内容的系统集成技术。
1、现场总线
现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。
现场总线技术对当今的自动化领域带来了以下7个方面的变革：用一对通信线连接多台数字仪表代替一对信号线只能连接一台仪表；用多变量、双向、数字通信方式代替单变量、单向、模拟传输方式；用多功能的现场数字仪表代替单功能的现场模拟仪表；用分散式的虚拟控制站代替集中式的控制站；用现场总线控制系统FCS代替传统的集散控制系统DCS；变革传统的信号标准、通信标准和系统的标准；变革传统的自动化系统体系结构、设计方法和安装调试方法。
2、控制系统
计算机网络技术和现场总线技术的迅速发展，推动着工业自动化控制系统的体系结构产生不断的变革。传统的4～20mA模拟信号制将逐步被双向、串行、多点的数字通信现场总线信号制所取代。模拟与数字混合的集散控制系统也将在更新换代的技术变革中逐步消失。这种变革将导致产生新一代的现场总线控制系统。
3、现场仪表
现场仪表是现场总线控制系统的重要组成部分，是下世纪仪器仪表工业的主体，主要包括三大类：（1）智能变送器输出符合现场总线协议规定的数字信号，直接与现场总线网络连接。温度、压力、差压、流量、物位、成份量等检测变送仪表都将发展相应的现场总线智能仪表系统新产品。（2）智能执行器可以接收现场总线数字信号，经处理后直接控制工业过程。电动直行程和角行程执行机构以及阀门定位器等，都将发展智能化系列产品。（3）其他现场仪表装置如现场I/O模块，PLC及其他控制器等，都将根据应用需要，发展成为现场总线新产品。由于植入了功能块，现场仪表又可以称为现场总线智能仪表，如一个简单的温度变送器可包含一个AI功能块，一个控制阀可以包含一个PID功能块和预期的AO块等等。 三、DCS与FCS体系结构之比较
集散型控制系统采用分散控制、集中操作、综合管理和分而自治的原则，从下向上分为分散过程控制级、集中操作监控级和综合信息管理级，如图1所示。分散过程控制级直接面向生产过程，是DCS的基础，直接完成生产过程的数据采集、调节控制、顺序控制等功能，输入的是传感器信号，输出的是驱动执行机构的信号。集中操作监控级的主要任务是操作监视，面向操作员和控制系统工程师，配备功能强大的计算机系统及各类外部装置，特别是CRT显示器和键盘，以及需要较大存储容量的硬盘或软盘支持，另外还需要功能强的软件支持。综合信息管理级由管理计算机、办公自动化系统、工厂自动化服务系统构成，从而实现整个企业的综合信息管理，主要包括生产管理和经营管理。
现场总线控制系统在系统集成与应用集成中实现上不得不面对多元标准、多种通信网络并存的复杂情况。不同的现场总线技术都应该有相对应的现场总线控制系统。国际电工委员会（IEC）推荐的现场控制系统的体系结构如图2所示。从网络层次上讲，现场总线控制系统有现场控制网段和普通局域网段两个层次。
在现场控制网段可能包含一种或多种总线技术，同种通信协议的网段间可采用网桥、中继器连接，不同通信协议的网段间采用网关连接或直接在操作站的计算机内交换信息。同时也可能包含不同厂家的不同硬件设备、软件产品，这就需要按某种特定的应用目标，组合成一个有序且协同工作的整体，各家设备之间实现互操作。带有AI，AO，DI，DO，PID等功能块的现场设备能够完成生产过程的参数测量、数据传输和过程控制的功能。
普通局域网段由高性能计算机、工作站、PC机、控制器等网络节点组成，包括各类监控、计算、管理用的客户机、服务器、数据库等，并与外部的Internet互联网连接，主要负责对控制系统的监视、优化计算、数据处理和日常事务管理等任务。
新型的FCS突破了DCS中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身便可以实现基本控制功能。
四、结束语
目前国际上各种流派的现场总线及其标准群雄并起，既为行业提供了发展良机，也带来了严峻的挑战。面对这种现状，我国现场总线标准化工作应采取何种技术发展政策，是摆在我们面前不可回避的问题。当务之急要深入研究国外先进的现场总线技术，推动我国现场总线技术的产品研究开发和应用，并形成符合我国国情和现实的标准体系，保护我国生产企业和用户的投资效益。