1. 当前流程工业仪表控制系统架构及其实施过程

当前流程工业仪表控制系统架构（以下简称传统架构）如下图所示：

工业仪表控制系统一般可分为三个部分：现场仪表、传输部分和控制系统。工程公司一般负责整个工业仪表控制系统的设计和集成。

最下层现场仪表由不同的仪表供应商供货。仪表的输出信号要满足一定的标准要求，如4-20mA+HART、FF、PROFIBUS、MODBUS等。

传输部分包括模拟电缆、总线电缆和接线箱等元部件，来自不同的供应商。工程公司要将这些元部件在现场集成，从而能够传送仪表信号到DCS。

控制系统的供货和集成由DCS供应商负责，内容包括接线柜、IO卡件、控制器、服务器、操作站和交换机等等。

仪表控制系统的设计供货和安装调试流程一般如下：

工程公司相关专业工程师根据设备和工艺要求设计采购和布置现场仪表；

根据仪表布置情况，工程师设计接线箱和电缆敷设技术方案。该方案完成后，相关专业工程师统计接线箱和电缆技术规格和数量，采购接线箱和电缆；

工程公司将仪表设计、接线箱和电缆敷设技术方案发送给DCS供应商，供应商根据上述技术方案设计接线柜、IO卡件和控制器柜和操作员站工程师站等上位计算机。供应商集成上述控制系统元部件，发货安装到现场，在现场完成安装调试。

安装公司按照仪表控制系统设计图完成仪表、接线箱、电缆和DCS的安装接线工作，最后进行系统联合调试运行。

工业仪表控制系统的设计必须是按照从现场仪表、传输部分到DCS的顺序流程。上一个环节的设计输出作为下一个环节设计输入。

传统模拟信号和现场总线的技术特点决定了现场仪表、传输部分和DCS的设计和安装必须紧密配合。现场仪表的数量和分布决定了电缆和接线箱的布置，进而决定了DCS的接线柜、IO机柜的配置。如果现场仪表有变化，电缆、接线箱、接线柜、IO卡件等硬件都会跟着改变。现场仪表、传输部分和控制系统之间的关系是紧耦合关系。

2. 工业光总线新架构

引入工业光总线后，仪表控制系统用光纤替换电缆传输现场仪表到控制系统的数据。工业光总线的新架构（以下简称新架构）会给仪表控制系统的设计供货集成安装带来新变化。

新架构仍然包括三个部分：现场仪表、传输部分和控制系统。

最下层现场仪表由不同的仪表供应商供货。仪表的输出信号要满足一定的标准要求，如4-20mA+HART、FF、PROFIBUS、APL等等。现场仪表部分和传统架构相比没有变化。

传输部分中，从仪表到数据采集单元仍然采用分支电缆，情况没有变化。数据采集单元将仪表信号转换为可以在工业光总线传输的数字信号，然后通过光纤、分光器和OLT把信号以工业以太网形式送到控制系统。新架构与传统架构传输部分完全不同。

DCS通过以太网交换机接收来自OLT的现场仪表信号，经过计算，输出控制信号到OLT，然后通过工业光总线送到数据采集单元和现场仪表。在DCS中，新架构与传统架构最大不同之处是DCS不再包含与现场仪表和电缆严格对应的接线柜和IO卡件机柜，DCS通过交换机接收来自OLT的仪表数据信号。

新架构特点是用光纤代替了对绞铜芯电缆，现场仪表信号以光信号的形式在光纤中传输，并且通过交换机以太网口进入DCS。现场仪表的数量和分布与工业光总线光纤的数量和布置的关系不再严格对应，现场仪表的数量变化对光纤等传输硬件的影响几乎可以忽略不计。而工业光总线与控制系统的接口是以太网交换机接口，同样受现场仪表数量影响很小。

现场仪表和工业光总线以及控制系统的关系是松耦合关系。现场仪表的变化一般只需要在控制系统的软件中做相应变化即可，而不需要改变工业光总线和控制系统的硬件。

现场仪表和工业光总线以及控制系统的松耦合关系使工业仪表控制系统的设计安装接线产生了积极的变化。

在现场侧，情况变化不大。工程公司根据设备和工艺要求设计采购和布置现场仪表，然后根据仪表布置情况，设计数据采集单元。

在传输部分，由于工业光总线的大容量和低成本特点，工程师只需估计现场仪表的大致数量，有了初步的工艺设备布置图就可以开展分光器布置和光缆敷设工作，而不必如传统作业方式要等到现场仪表设计和布置完成。数据采集单元设计布置完成后，将数据采集单元与分光器用分支光缆连接即可。

在DCS部分，现场仪表信号来自工业光总线的光口，控制系统不再包含硬件IO卡件，DCS硬件受现场仪表影响很小。因此只要有了流程图，DCS工程师就可以开展DCS的系统设计。工程师可以专注于控制算法的软件组态，而不必等到现场仪表、电缆设计完成后再开展工作，原来在关键路径上而且消耗了大量时间的I/O分配和接线柜集成工作也消失了。

3.  工业光总线新架构优势 

新架构仪表控制系统的现场仪表、传输部分和控制系统的设计安装可以并行开展，现场仪表的变更对传输部分和控制系统硬件影响很小。

与传统架构相比，新架构有下列优势：

灵活性：新架构提供了更大的灵活性，现场仪表的新增或者变更，并不需要传输部分和控制系统硬件做相应变更，工程师只需做出软件变更即可。设计安装调试以及技术改进的灵活性大大提高。

快速交付：比起传统架构，新架构的设计供货安装周期更短。首先，现场仪表、传输部分和控制系统的设计供货安装工作可以并行开展，比传统架构的串行作业减少了等候时间。其次，新架构的定制工作更多地在软件上进行，硬件部分都是标准货架产品，无需或者很少定制，供货周期变短。综合下来，新架构在设计供货和安装时间上有很大优势。易用、开放和标准化的光总线协议以及现场仪表和控制系统的松耦合关系，使得DCS的集成和供货周期将会非常短，有利于工程公司的快速交付。

复用性：没有了每个项目都不同的定制化接线机柜和IO卡件机柜，DCS的控制算法可以按照流程图和仪表位号和特定工艺深度绑定。不同项目的相同工艺或者系统成套设备完全可以复用相同的控制算法。基于工艺或者成套设备的控制算法可以复制和迭代优化，有利于提高工艺运行控制的效率和质量。

低成本：用光纤替代铜芯电缆，可以节省大量材料和安装成本。仪表和数据采集单元的数字化节省了大量IO设备及其安装空间成本。

工业光总线的引入使得现场仪表和控制系统从紧耦合关系变成松耦合关系，给工程建设和生产运行带来了更高的质量、灵活性、效率和更低的成本，开辟了工业控制系统技术发展的新道路，具有广阔发展前景。