?1. 當前流程工業儀表控制系統架構及其實施過程

當前流程工業儀表控制系統架構（以下簡稱傳統架構）如下圖所示：

工業儀表控制系統一般可分為三個部分：現場儀表、傳輸部分和控制系統。工程公司一般負責整個工業儀表控制系統的設計和集成。

最下層現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場集成，從而能夠傳送儀表信號到DCS。

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

儀表控制系統的設計供貨和安裝調試流程一般如下：

工程公司相關專業工程師根據設備和工藝要求設計采購和布置現場儀表；

根據儀表布置情況，工程師設計接線箱和電纜敷設技術方案。該方案完成后，相關專業工程師統計接線箱和電纜技術規格和數量，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送給DCS供應商，供應商根據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元部件，發貨安裝到現場，在現場完成安裝調試。

安裝公司按照儀表控制系統設計圖完成儀表、接線箱、電纜和DCS的安裝接線工作，最后進行系統聯合調試運行。

工業儀表控制系統的設計必須是按照從現場儀表、傳輸部分到DCS的順序流程。上一個環節的設計輸出作為下一個環節設計輸入。

傳統模擬信號和現場總線的技術特點決定了現場儀表、傳輸部分和DCS的設計和安裝必須緊密配合。現場儀表的數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。現場儀表、傳輸部分和控制系統之間的關系是緊耦合關系。

2. 工業光總線新架構

引入工業光總線后，儀表控制系統用光纖替換電纜傳輸現場儀表到控制系統的數據。工業光總線的新架構（以下簡稱新架構）會給儀表控制系統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：現場儀表、傳輸部分和控制系統。

最下層現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。現場儀表部分和傳統架構相比沒有變化。

傳輸部分中，從儀表到數據采集單元仍然采用分支電纜，情況沒有變化。數據采集單元將儀表信號轉換為可以在工業光總線傳輸的數字信號，然后通過光纖、分光器和OLT把信號以工業以太網形式送到控制系統。新架構與傳統架構傳輸部分完全不同。

DCS通過以太網交換機接收來自OLT的現場儀表信號，經過計算，輸出控制信號到OLT，然后通過工業光總線送到數據采集單元和現場儀表。在DCS中，新架構與傳統架構最大不同之處是DCS不再包含與現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的儀表數據信號。

新架構特點是用光纖代替了對絞銅芯電纜，現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口進入DCS。現場儀表的數量和分布與工業光總線光纖的數量和布置的關系不再嚴格對應，現場儀表的數量變化對光纖等傳輸硬件的影響幾乎可以忽略不計。而工業光總線與控制系統的接口是以太網交換機接口，同樣受現場儀表數量影響很小。

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

現場儀表和工業光總線以及控制系統的松耦合關系使工業儀表控制系統的設計安裝接線產生了積極的變化。

在現場側，情況變化不大。工程公司根據設備和工藝要求設計采購和布置現場儀表，然后根據儀表布置情況，設計數據采集單元。

在傳輸部分，由于工業光總線的大容量和低成本特點，工程師只需估計現場儀表的大致數量，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，而不必如傳統作業方式要等到現場儀表設計和布置完成。數據采集單元設計布置完成后，將數據采集單元與分光器用分支光纜連接即可。

在DCS部分，現場儀表信號來自工業光總線的光口，控制系統不再包含硬件IO卡件，DCS硬件受現場儀表影響很小。因此只要有了流程圖，DCS工程師就可以開展DCS的系統設計。工程師可以專注于控制算法的軟件組態，而不必等到現場儀表、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.  工業光總線新架構優勢 

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

與傳統架構相比，新架構有下列優勢：

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

快速交付：比起傳統架構，新架構的設計供貨安裝周期更短。首先，現場儀表、傳輸部分和控制系統的設計供貨安裝工作可以并行開展，比傳統架構的串行作業減少了等候時間。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勢。易用、開放和標準化的光總線協議以及現場儀表和控制系統的松耦合關系，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成套設備完全可以復用相同的控制算法。基于工藝或者成套設備的控制算法可以復制和迭代優化，有利于提高工藝運行控制的效率和質量。

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

工業光總線的引入使得現場儀表和控制系統從緊耦合關系變成松耦合關系，給工程建設和生產運行帶來了更高的質量、靈活性、效率和更低的成本，開辟了工業控制系統技術發展的新道路，具有廣闊發展前景。