?1. 當(dāng)前流程工業(yè)儀表控制系統(tǒng)架構(gòu)及其實施過程

當(dāng)前流程工業(yè)儀表控制系統(tǒng)架構(gòu)（以下簡稱傳統(tǒng)架構(gòu)）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(fù)責(zé)整個工業(yè)儀表控制系統(tǒng)的設(shè)計和集成。

最下層現(xiàn)場儀表由不同的儀表供應(yīng)商供貨。儀表的輸出信號要滿足一定的標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(yīng)商負(fù)責(zé)，內(nèi)容包括接線柜、IO卡件、控制器、服務(wù)器、操作站和交換機(jī)等等。

儀表控制系統(tǒng)的設(shè)計供貨和安裝調(diào)試流程一般如下：

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

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

工程公司將儀表設(shè)計、接線箱和電纜敷設(shè)技術(shù)方案發(fā)送給DCS供應(yīng)商，供應(yīng)商根據(jù)上述技術(shù)方案設(shè)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(jī)。供應(yīng)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(shè)計圖完成儀表、接線箱、電纜和DCS的安裝接線工作，最后進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試運(yùn)行。

工業(yè)儀表控制系統(tǒng)的設(shè)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(shè)計輸出作為下一個環(huán)節(jié)設(shè)計輸入。

傳統(tǒng)模擬信號和現(xiàn)場總線的技術(shù)特點決定了現(xiàn)場儀表、傳輸部分和DCS的設(shè)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(jìn)而決定了DCS的接線柜、IO機(jī)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(guān)系是緊耦合關(guān)系。

2. 工業(yè)光總線新架構(gòu)

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(gòu)（以下簡稱新架構(gòu)）會給儀表控制系統(tǒng)的設(shè)計供貨集成安裝帶來新變化。

新架構(gòu)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(yīng)商供貨。儀表的輸出信號要滿足一定的標(biāo)準(zhǔn)要求，如4-20mA+HART、FF、PROFIBUS、APL等等?，F(xiàn)場儀表部分和傳統(tǒng)架構(gòu)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(gòu)與傳統(tǒng)架構(gòu)傳輸部分完全不同。

DCS通過以太網(wǎng)交換機(jī)接收來自O(shè)LT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(gòu)與傳統(tǒng)架構(gòu)最大不同之處是DCS不再包含與現(xiàn)場儀表和電纜嚴(yán)格對應(yīng)的接線柜和IO卡件機(jī)柜，DCS通過交換機(jī)接收來自O(shè)LT的儀表數(shù)據(jù)信號。

新架構(gòu)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(jī)以太網(wǎng)口進(jìn)入DCS?，F(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(guān)系不再嚴(yán)格對應(yīng)，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(jī)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(guān)系是松耦合關(guān)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(yīng)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(guān)系使工業(yè)儀表控制系統(tǒng)的設(shè)計安裝接線產(chǎn)生了積極的變化。

在現(xiàn)場側(cè)，情況變化不大。工程公司根據(jù)設(shè)備和工藝要求設(shè)計采購和布置現(xiàn)場儀表，然后根據(jù)儀表布置情況，設(shè)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(shè)備布置圖就可以開展分光器布置和光纜敷設(shè)工作，而不必如傳統(tǒng)作業(yè)方式要等到現(xiàn)場儀表設(shè)計和布置完成。數(shù)據(jù)采集單元設(shè)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(shè)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(shè)計完成后再開展工作，原來在關(guān)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(gòu)優(yōu)勢 

新架構(gòu)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(shè)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(gòu)相比，新架構(gòu)有下列優(yōu)勢：

靈活性：新架構(gòu)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(yīng)變更，工程師只需做出軟件變更即可。設(shè)計安裝調(diào)試以及技術(shù)改進(jìn)的靈活性大大提高。

快速交付：比起傳統(tǒng)架構(gòu)，新架構(gòu)的設(shè)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(shè)計供貨安裝工作可以并行開展，比傳統(tǒng)架構(gòu)的串行作業(yè)減少了等候時間。其次，新架構(gòu)的定制工作更多地在軟件上進(jìn)行，硬件部分都是標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)在設(shè)計供貨和安裝時間上有很大優(yōu)勢。易用、開放和標(biāo)準(zhǔn)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(guān)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(fù)用性：沒有了每個項目都不同的定制化接線機(jī)柜和IO卡件機(jī)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(shè)備完全可以復(fù)用相同的控制算法。基于工藝或者成套設(shè)備的控制算法可以復(fù)制和迭代優(yōu)化，有利于提高工藝運(yùn)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(shè)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(guān)系變成松耦合關(guān)系，給工程建設(shè)和生產(chǎn)運(yùn)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(shù)發(fā)展的新道路，具有廣闊發(fā)展前景。