?1. 當前流程工業(yè)儀表控制系統(tǒng)架構及其實施過程

當前流程工業(yè)儀表控制系統(tǒng)架構（以下簡稱傳統(tǒng)架構）如下圖所示：

工業(yè)儀表控制系統(tǒng)一般可分為三個部分：現(xiàn)場儀表、傳輸部分和控制系統(tǒng)。工程公司一般負責整個工業(yè)儀表控制系統(tǒng)的設計和集成。

最下層現(xiàn)場儀表由不同的儀表供應商供貨。儀表的輸出信號要滿足一定的標準要求，如4-20mA+HART、FF、PROFIBUS、MODBUS等。

傳輸部分包括模擬電纜、總線電纜和接線箱等元部件，來自不同的供應商。工程公司要將這些元部件在現(xiàn)場集成，從而能夠傳送儀表信號到DCS。

控制系統(tǒng)的供貨和集成由DCS供應商負責，內(nèi)容包括接線柜、IO卡件、控制器、服務器、操作站和交換機等等。

儀表控制系統(tǒng)的設計供貨和安裝調(diào)試流程一般如下：

工程公司相關專業(yè)工程師根據(jù)設備和工藝要求設計采購和布置現(xiàn)場儀表；

根據(jù)儀表布置情況，工程師設計接線箱和電纜敷設技術方案。該方案完成后，相關專業(yè)工程師統(tǒng)計接線箱和電纜技術規(guī)格和數(shù)量，采購接線箱和電纜；

工程公司將儀表設計、接線箱和電纜敷設技術方案發(fā)送給DCS供應商，供應商根據(jù)上述技術方案設計接線柜、IO卡件和控制器柜和操作員站工程師站等上位計算機。供應商集成上述控制系統(tǒng)元部件，發(fā)貨安裝到現(xiàn)場，在現(xiàn)場完成安裝調(diào)試。

安裝公司按照儀表控制系統(tǒng)設計圖完成儀表、接線箱、電纜和DCS的安裝接線工作，最后進行系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試運行。

工業(yè)儀表控制系統(tǒng)的設計必須是按照從現(xiàn)場儀表、傳輸部分到DCS的順序流程。上一個環(huán)節(jié)的設計輸出作為下一個環(huán)節(jié)設計輸入。

傳統(tǒng)模擬信號和現(xiàn)場總線的技術特點決定了現(xiàn)場儀表、傳輸部分和DCS的設計和安裝必須緊密配合?，F(xiàn)場儀表的數(shù)量和分布決定了電纜和接線箱的布置，進而決定了DCS的接線柜、IO機柜的配置。如果現(xiàn)場儀表有變化，電纜、接線箱、接線柜、IO卡件等硬件都會跟著改變?，F(xiàn)場儀表、傳輸部分和控制系統(tǒng)之間的關系是緊耦合關系。

2. 工業(yè)光總線新架構

引入工業(yè)光總線后，儀表控制系統(tǒng)用光纖替換電纜傳輸現(xiàn)場儀表到控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。工業(yè)光總線的新架構（以下簡稱新架構）會給儀表控制系統(tǒng)的設計供貨集成安裝帶來新變化。

新架構仍然包括三個部分：現(xiàn)場儀表、傳輸部分和控制系統(tǒng)。

最下層現(xiàn)場儀表由不同的儀表供應商供貨。儀表的輸出信號要滿足一定的標準要求，如4-20mA+HART、FF、PROFIBUS、APL等等?，F(xiàn)場儀表部分和傳統(tǒng)架構相比沒有變化。

傳輸部分中，從儀表到數(shù)據(jù)采集單元仍然采用分支電纜，情況沒有變化。數(shù)據(jù)采集單元將儀表信號轉(zhuǎn)換為可以在工業(yè)光總線傳輸?shù)臄?shù)字信號，然后通過光纖、分光器和OLT把信號以工業(yè)以太網(wǎng)形式送到控制系統(tǒng)。新架構與傳統(tǒng)架構傳輸部分完全不同。

DCS通過以太網(wǎng)交換機接收來自OLT的現(xiàn)場儀表信號，經(jīng)過計算，輸出控制信號到OLT，然后通過工業(yè)光總線送到數(shù)據(jù)采集單元和現(xiàn)場儀表。在DCS中，新架構與傳統(tǒng)架構最大不同之處是DCS不再包含與現(xiàn)場儀表和電纜嚴格對應的接線柜和IO卡件機柜，DCS通過交換機接收來自OLT的儀表數(shù)據(jù)信號。

新架構特點是用光纖代替了對絞銅芯電纜，現(xiàn)場儀表信號以光信號的形式在光纖中傳輸，并且通過交換機以太網(wǎng)口進入DCS。現(xiàn)場儀表的數(shù)量和分布與工業(yè)光總線光纖的數(shù)量和布置的關系不再嚴格對應，現(xiàn)場儀表的數(shù)量變化對光纖等傳輸硬件的影響幾乎可以忽略不計。而工業(yè)光總線與控制系統(tǒng)的接口是以太網(wǎng)交換機接口，同樣受現(xiàn)場儀表數(shù)量影響很小。

現(xiàn)場儀表和工業(yè)光總線以及控制系統(tǒng)的關系是松耦合關系?，F(xiàn)場儀表的變化一般只需要在控制系統(tǒng)的軟件中做相應變化即可，而不需要改變工業(yè)光總線和控制系統(tǒng)的硬件。

現(xiàn)場儀表和工業(yè)光總線以及控制系統(tǒng)的松耦合關系使工業(yè)儀表控制系統(tǒng)的設計安裝接線產(chǎn)生了積極的變化。

在現(xiàn)場側，情況變化不大。工程公司根據(jù)設備和工藝要求設計采購和布置現(xiàn)場儀表，然后根據(jù)儀表布置情況，設計數(shù)據(jù)采集單元。

在傳輸部分，由于工業(yè)光總線的大容量和低成本特點，工程師只需估計現(xiàn)場儀表的大致數(shù)量，有了初步的工藝設備布置圖就可以開展分光器布置和光纜敷設工作，而不必如傳統(tǒng)作業(yè)方式要等到現(xiàn)場儀表設計和布置完成。數(shù)據(jù)采集單元設計布置完成后，將數(shù)據(jù)采集單元與分光器用分支光纜連接即可。

在DCS部分，現(xiàn)場儀表信號來自工業(yè)光總線的光口，控制系統(tǒng)不再包含硬件IO卡件，DCS硬件受現(xiàn)場儀表影響很小。因此只要有了流程圖，DCS工程師就可以開展DCS的系統(tǒng)設計。工程師可以專注于控制算法的軟件組態(tài)，而不必等到現(xiàn)場儀表、電纜設計完成后再開展工作，原來在關鍵路徑上而且消耗了大量時間的I/O分配和接線柜集成工作也消失了。

3.  工業(yè)光總線新架構優(yōu)勢 

新架構儀表控制系統(tǒng)的現(xiàn)場儀表、傳輸部分和控制系統(tǒng)的設計安裝可以并行開展，現(xiàn)場儀表的變更對傳輸部分和控制系統(tǒng)硬件影響很小。

與傳統(tǒng)架構相比，新架構有下列優(yōu)勢：

靈活性：新架構提供了更大的靈活性，現(xiàn)場儀表的新增或者變更，并不需要傳輸部分和控制系統(tǒng)硬件做相應變更，工程師只需做出軟件變更即可。設計安裝調(diào)試以及技術改進的靈活性大大提高。

快速交付：比起傳統(tǒng)架構，新架構的設計供貨安裝周期更短。首先，現(xiàn)場儀表、傳輸部分和控制系統(tǒng)的設計供貨安裝工作可以并行開展，比傳統(tǒng)架構的串行作業(yè)減少了等候時間。其次，新架構的定制工作更多地在軟件上進行，硬件部分都是標準貨架產(chǎn)品，無需或者很少定制，供貨周期變短。綜合下來，新架構在設計供貨和安裝時間上有很大優(yōu)勢。易用、開放和標準化的光總線協(xié)議以及現(xiàn)場儀表和控制系統(tǒng)的松耦合關系，使得DCS的集成和供貨周期將會非常短，有利于工程公司的快速交付。

復用性：沒有了每個項目都不同的定制化接線機柜和IO卡件機柜，DCS的控制算法可以按照流程圖和儀表位號和特定工藝深度綁定。不同項目的相同工藝或者系統(tǒng)成套設備完全可以復用相同的控制算法?；诠に嚮蛘叱商自O備的控制算法可以復制和迭代優(yōu)化，有利于提高工藝運行控制的效率和質(zhì)量。

低成本：用光纖替代銅芯電纜，可以節(jié)省大量材料和安裝成本。儀表和數(shù)據(jù)采集單元的數(shù)字化節(jié)省了大量IO設備及其安裝空間成本。

工業(yè)光總線的引入使得現(xiàn)場儀表和控制系統(tǒng)從緊耦合關系變成松耦合關系，給工程建設和生產(chǎn)運行帶來了更高的質(zhì)量、靈活性、效率和更低的成本，開辟了工業(yè)控制系統(tǒng)技術發(fā)展的新道路，具有廣闊發(fā)展前景。