文章作者：技術中心 開發三部 程傳良
【摘 要】隨著網絡通信技術、計算機硬件技術、現場總線技術等信息技術的發展，工業控製係統己成為計算機技術應用領域中最具活力的一個分支，特別是DCS（分散式控製係統）。本文給出基於FDT技術，集成現場總線（Fieldbus）的分散控製係統（DCS）一體化網絡解決方案設計方法，在現階段DCS應用開發過程中具有較好的應用推廣價值。
【關鍵字】FDT DTM DCS Fieldbus 分散控製係統 現場總線
1 分散控製係統發展趨勢
從50年代末期，計算機開始應用於工業過程控製領域，數字式控製技術取得了長足的發展，此後微處理機技術和數字通訊技術的飛速發展，促使了1975年分散控製係統的誕生。三十年來，分散控製係統在工業生產過程中迅速普及，目前廣泛應用於電力、石化、冶金等行業，分散控製係統的應用大幅度地提高了生產過程的安全性、經濟性、穩定性和可靠性。
隨著網絡通信技術、計算機硬件技術、現場總線技術、各種組態軟件技術、數據庫技術等信息技術的發展，以及用戶對先進的控製功能與管理功能需求的增加，近年來，各DCS廠商紛紛推出以Information (信息)和Integration（集成）為主要標誌的第四代分散控製係統（DCS）。
信息化體現在各DCS係統已經不是一個以控製功能為主的控製係統，而是一個充分發揮信息管理功能的綜合平台係統；DCS的集成性則體現在功能的集成和產品的集成。過去的DCS廠商基本上是以自主開發為主，提供的係統也是自己的係統。當今的DCS廠商更強調的係統集成性和方案能力，DCS中除保留傳統DCS所實現的過程控製功能之外，還集成了PLC（可編程邏輯控製器）、RTU（采集發送器）、FCS（總線控製係統）、各種多回路調節器、各種智能采集或控製單元等，形成包容了過程控製、邏輯控製和批處理控製的混合控製係統。
如何讓DCS更好的包容FCS，實現真正的DCS，充分展示DCS平台的開放性與服務的專業化，為不同的用戶提供專業化的解決方案並實施專業化的服務，將是今後各DCS廠家和係統集成商競爭的焦點，同時也是各廠家盈利的主要來源。
2 現場總線及應用現狀
現場總線（Fieldbus）是90年代中期發展起來的一種新技術，是將現場的控製器和智能儀表設備互連的實時控製通訊網絡，遵循ISO的OSI開放係統互連協議，雙向傳輸，支持雙向多節點，總線式的全數字通訊。現場總線技術順應了“智能化，數字化，信息化，網絡化，分散化”的自控技術發展的主流，是當今自動控製技術發展的熱點，代表了工業控製領域今後的一種發展方向。隨著市場需求的急劇增長和包括智能儀表在內的現場總線產品的大量出現，現場總線技術在工業控製領域將會扮演越來越重要的角色。
但總線目前處於多種並存的局麵， 成為國際標準的現場總線和工業以太網就有數十種；FCS與成熟的DCS相比，由於現場總線標準本身在發展中，從而給產品的開發和測試帶來難度，大多數用戶更傾向於對他們現有的儀表係統進行逐步的增添和替換；其次，在某些場合中，FCS還無法提供DCS已有的控製功能；再者，DCS係統及其儀表的消失或完全被取代，對於費用或人力而言也都是不合理的。現階段最可行的方案是考慮如何使現場總線與傳統的DCS係統盡可能地協同工作，這種集成方案能夠得到靈活的係統組態，以適用於更廣泛的、富於實用價值的應用。現場總線集成於DCS係統是現階段控製網絡的發展趨勢。
3 FDT技術
FDT ( Field Device Tool) 是一種開放、獨立、公開的軟件接口規範。該規範描述了工程框架和設備軟件組織之間的軟件接口和相互關係。FDT規範主要包括二個要素：設備類型管理器(DTM) 、框架應用程序(FA)。它們是基於客戶端與服務器模型，其中DTM作為框架應用程序管理的服務器組件。
3.1 FDT框架應用程序(FA)
FDT框架應用程序提供FDT接口，可以集成各種類型的DTM，並通過DTM訪問現場設備，實現數據的交互與管理。FDT框架應用程序保證了係統的一致性，並可實現多用戶環境與客戶服務器操作。
3.2設備類型管理器(DTM)
設備類型管理器（DTM）是一種設備描述軟件的組件，由現場設備製造商提供，它必須在FDT框架程序中運行。DTM通過滿足此規範的FDT接口被集成到工程係統中。集成的方法向大多數的現場總線設備開放並且滿足了不同類型的設備集成到異構控製係統的需要。DTM提供了簡單的圖形用戶界麵，了解硬件的邏輯規則，參數設定與配置信息。它可以分為三類：直接訪問通訊模塊的被稱為通訊DTM；用來作為不同通訊協議間路由的稱為網關DTM；代表現場設備的稱為設備DTM。設備DTM必須要通過通訊DTM 或網關DTM來訪問各種智能設備。
FA與DTM之間C/S交互模式如下圖所示：
4.基於FDT集成Fieldbus的DCS係統模型
在一個傳統的控製係統項目中大量的來自不同供應商的不同類型設備使係統的組態任務十分費時費力。工程人員必須掌握不同的工具使數據在這些工具之間交換。由於數據交換方式沒有標準化，所以經常必須將數據進行轉換，這需要很精深的專業知識。為了保證數據、文件、組態信息完全轉換，必須對係統進行十分嚴格的測試。此外，中央控製室對係統的監控無法覆蓋現場總線設備的全部功能，不同的設備專用工具也無法整合到係統軟件工具。隨著工業網絡通信協議越來越多，給用戶的係統集成帶來很多困惑和困難。為了把不同標準的網絡、不同廠商的設備集成到一起並整合到同一用戶界麵，用戶不得不承受很高的代價，承擔很大的係統穩定和安全風險。
FDT出現，很好的解決上述的這個問題，把多通信協議連接到一個簡單易用的用戶平台，充分利用設備供應商在設備上傳遞的專業知識，降低最終用戶的成本和風險。結合現場總線（Fieldbus）新特性，將FDT 技術應用於分散控製係統（DCS）中，一方麵，降低DCS廠商開發DCS係統集成現場總線（Fieldbus）的難度，將多種現場總線友好的集成到DCS係統中；另一方麵，充分利用設備供應商在設備上傳遞的專業知識，豐富和提升DCS係統功能，向信息化和集成化方向發展，實現真正的DCS。
體係結構主要分為四層結構：現場儀表層、控製單元層、工廠（車間）層和企業管理層，其係統結構圖如下：
在此種集成現場總線的DCS係統結構體係中，自下而上，現場總線可與DCS的I/0總線、過程總線集成，或通過網關與DCS係統並行集成。DCS係統中的I/O總線其實也是一種現場總線，現場總線與I/O總線的集成其實是不同總線協議之間的互聯互通，其關鍵是通過一個現場總線接口卡掛接到DCS的I/O總線上，把現場總線當中的數據信息映射成原有DCS的I/O總線上相對應的數據信息；現場總線於DCS過程總線層的集成是把現場總線通過接口卡掛到DCS係統的網絡層，現場總線中的控製信息和測量信息都可以通過DCS的操作員站進行瀏覽並進行修改；現場總線與DCS係統並行集成，是現場總線通過網關與DCS係統實現信息互聯，現場總線本身是一套FCS係統。這種集成中FCS係統和DCS係統是完全獨立的。
係統的研發與傳統DCS研發相比主要在硬件和軟件兩部分增加相應的功能。
硬件部分：自下而上完成現場總線協議（FF、HART、Profibus等）到私有協議的轉換，包括相關支持硬件部分。
軟件部分：
（1）基於FDT規範接口協議，完成FDT應用程序框架及與協議匹配的通信DTM、網關DTM的開發；
（2）與DCS上位機軟件交互接口，便於DCS上位機軟件集成；
（3）與企業管理軟件交互接口，為信息化提供數據。
工作流程為：
框架應用程序發出命令；設備DTM向通信DTM發送請求；通信DTM向網絡發送通信命令；通信DTM對設備DTM的請求做出回應，設備DTM將采集到的數據顯示在它的用戶界麵。DCS上位機軟件和企業管理軟件通過FDT接口與DTM的數據交互獲得非實時數據，監控層與企業管理層也能隨時了解設備狀況和整個工廠的生產情況。
基於FDT集成Fieldbus的DCS係統，它將集數據采集與數據分析、遠程配置與診斷、在線調校、標定管理、預測性維護、日誌記錄跟蹤、設備資產管理功能於DCS係統一體。為客戶在解決非現場過程控製同時，提供的設備管理與維護功能，使智能設備自身能夠發揮最大的生產效益，減少儀表的損耗並降低維護成本，為用戶提供一個快速、方便、統一的管理平台，不僅可以使工廠在減少操作、維護的工作量和運營成本，大幅提高工廠設備的可用性、生產能力和產品質量，而且可以實現設備管理係統與DCS的無縫集成。可以方便地將不同的廠家設備、不同的係統、不同的運行軟件集成為一個整體，從而為智能設備預防性維護、預測性維護及前攝性維護提供一體化解決方案。
5 結語
本文介紹的係統作為對常規DCS係統的一種改進係統，突出了如何借助FDT技術充分發現場總線控製係統的優越性，真正實現DCS的開放性及互操作性，推進DCS向信息化、集成化方向發展；在其他工業應用場合，都具有較好的應用推廣價值。
