智能建筑设备自动化系统的演变

早期智能建筑的控制系统采用集中控制的方式，在中央控制室设置一台计算机作为其核心，并辅以必要的外部设备，组成计算机集中监控系统。与常规仪表控制系统相比，这种计算机集中控制系统具有许多优点，例如：

1）功能齐全，可用于复杂的过程控制；

2）高度集中，便于信息的分析与综合，易于实现最优控制；

3）可用软件组态，控制灵活；

4）用阴极射线管（CRT）代替仪表盘，有利于操作人员的监视和操作。

但是，这种计算机集中控制系统同时也存在着与生俱来的缺点，例如：

1）集中式的计算机控制降低了系统的可靠性，风险高度集中，虽然可采用双重计算机等冗余技术，但成本较高；

2）模拟信号数字化的工作在计算机端进行，太多、太长的现场连线通过各类干扰环境到达现场，从而使得系统抗干扰性能降低；

图6-1 DCS体系结构(www.xing528.com)

3）控制系统的规模受到较大的限制。

为了提高控制系统的可靠性，克服计算机集中控制存在危险集中的致命弱点，20世纪80年代，出现了一种新型的控制系统——集散控制系统（Distributed Control System，DCS），其实质是一种集中管理、分散控制的管理控制模式。其体系结构如图6-1所示。

微处理器被嵌入到各种仪器设备中，多台微处理器分散在现场，它们之间利用高速数据通道连接在一起。每个现场仪表到控制站的通信都需要一对专用的双绞线，以传递4～20mA模拟信号。值得注意的是，DCS在现场控制器这一级仍然是一个集中式结构，现场控制器一般都是多控制回路结构，这就使得危险还有些集中，分散只是相对而言，从而使得DCS仍然存在如下主要问题：

1）以微处理器为核心的控制器被指定一组特定的任务，在绝大多数情况下，通信由一个具有“网关”的专用网络完成，且网关的大部分程序由用户编写，所以开发相当复杂；

2）具有特定任务的基本控制器，使得组网手段和网络结构不灵活，开发系统费用也相当高；

3）对于通信网络中的控制站或输入/输出单元，它们与现场仪表之间的通信仍采用模拟信号，使得通信网络很难克服恶劣环境对网络系统的影响。

有人曾尝试把成熟的局域网技术用于DCS的连网。实验证明，这种方法存在性能不匹配的问题，也还不能适应恶劣的工作环境；而且以传递大量数据、文件为目的的局域网，并不适合用作传递控制信息为目的的中、低传输速率的控制网。因此，DCS的体系统结构仍然有许多不尽如人意的地方，比如各公司都有各自的标准，不能互连，所谓分散控制也不是完全彻底的，所谓的数字化也仅是半数字化而已。尽管这些年来，人们在DCS的框架内做了很多使系统开放的努力，但最终只能取得有限的改良效果。

现场总线技术是20世纪80年代产生的。它伴随着智能传感器和智能执行器的出现，打破了原有“控制器”的概念，使得计算机控制体系结构发生了巨大变化。微处理器直接嵌入现场设备内部，控制范围缩小到某一监测点或某一回路，一个智能单元出现故障如同过去一只变送器出现故障一样，加之取代传统仪表的智能单元随时处于自诊断状态下，能够及时发现故障并报警，所以在事态扩大之前就能得到及时处理，可以把事故消灭在萌芽阶段。另外，即使上位机出现了故障，由于智能单元本身具有独立的控制功能和通信功能，不依赖于上位机，仍然照常执行预定功能，并通过现场总线传送信息，完成必要的协调功能。因此，不像DCS只能依靠双机热备份的冗余措施来提高可靠性，而是通过控制功能的极度分散，最大限度地消除故障根源。可见，控制功能的进一步分散化，不仅带来了更低的成本、更大的灵活性、更好的实用性，而且具有更高的可靠性。这种完全分散、真正开放的控制系统必将取代DCS，成为新一代的控制体系结构——现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS），其体系结构如图6-2所示。

在FCS中，每个现场仪表到现场接线盒仍各用一对双绞线，但从接线盒到控制室则仅用一对双绞线完成数字通信，即用数字化通信取代4～20mA模拟信号传输，从而简化了控制装置的硬件结构，抗干扰强，精度高。此外，在FCS中，由于传统的控制分站的大部分功能已移至现场的智能变送器和智能化执行器，控制分站被取消，因此FCS有时又称为平面式计算机控制系统。