淺談DCS集散控制系統(tǒng)產品開發(fā)
| 摘要：隨著電力資源的不足，推動電站汽輪機、燃汽輪機市場的快速發(fā)展，新發(fā)電機組招標和老機改造正在緊鑼密鼓的蓄勢待發(fā)。而基于我們輕車熟路的DEH控制系統(tǒng)卻逐步將被DCS系統(tǒng)所取代。我們的生存面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。我們費盡心血設計、調試的多種DEH控制系統(tǒng)成功投入運行，卻沒有一個系統(tǒng)的知識產權是完全屬于自己的。業(yè)績被別人一個個地寫入產品樣本中，而配套產品成本完全受制于成套供應商，并且大有逐步蠶食我們打下的天下之勢。 我們究竟是否需要開發(fā)自己DCS系統(tǒng)以完善配套DEH控制系統(tǒng)、逐步擴展我們的市場空間，還是維持現狀坐觀工控產業(yè)的日新月異的發(fā)展？下面我就針對以上情況談一點自己的看法，供領導和有識之士參考。 關鍵詞：FCS （現場總線控制系統(tǒng)）、DCS （集散控制系統(tǒng)）、PCS（過程控制系統(tǒng)）、 PLC（可編程邏輯控制器） 1．集散控制系統(tǒng)DCS與現場總線控制系統(tǒng)FCS的比較 1．1 概述FCS、DCS FCS是在DCS的基礎上發(fā)展起來的，FCS順應了自動控制系統(tǒng)的發(fā)展潮流，它必將替代DCS。這已是業(yè)內人士的基本共識。然而，任何新事物的發(fā)生，發(fā)展都是在對舊事物的揚棄中進行的，FCS與DCS的關系必然也不例外。FCS代表潮流與發(fā)展方向，而DCS則代表傳統(tǒng)與成熟，也是獨具優(yōu)勢的事物。特別是現階段，FCS尚沒有統(tǒng)一的國際標準而呈群雄逐鹿之勢，DCS則以其成熟的發(fā)展，完備的功能及廣泛的應用而占居著一個尚不可完全替代的地位。本人認為：現場總線控制系統(tǒng)FCS應該與集散式控制系統(tǒng)DCS相互兼容。 無論是FCS或者是DCS，它們最終是為了滿足整個生產過程而進行的系統(tǒng)控制（PCS）。 首先以工程成本與效益看，現場總線的根本優(yōu)勢是良好的互操作性；結構簡單，從而布線費用低；控制功能分散，靈活可靠，以及現場信息豐富。然而這些優(yōu)勢是建立在 FCS系統(tǒng)初裝的前提下，倘諾企業(yè)建立有完善的DCS，現在要向FCS過渡，則必須仔細考慮現有投資對已有投資的回報率。充分利用已有的DCS設施，現有DCS的布線以及成熟的DCS控制管理方式來實現FCS是我們應選之途。 雖然現場總線對已有的數字現場協議有優(yōu)勢可言，但向其過渡的代價與風險是必須分析清楚的。再者，從技術的繼承及控制手段上，也要求FCS與DCS應相兼容。FCS實現控制功能下移至現場層，使DCS的 多層網絡被扁平化，各個現場設備節(jié)點的獨立功能得以加強，因此，在FCS中有必要增加和完善現場子層設備間的數據通訊功能。 由于歷史的原因，DCS通常擁有大型控制柜用以協調各個設備，同時更強調層與層的數據傳輸?？梢?，兩種控制在策略上各具優(yōu)勢。DCS適用于較慢的數據傳輸速率；FCS則更適用于較快的數據傳輸速率，以及更靈活的處理數據。然而，當數據量超過一定值過于偏大時，如果同層的設備過于獨立，則很容易導致數據網絡的堵塞。要解決這個問題，擬設立一個適當的監(jiān)控層用以協調相互通訊的設備，必然是有益的，DCS就能輕松地勝任這一工作。可見，為使FCS的控制方式和手段完善化，是有必要借鑒DCS的一些控制思想的。 要把握新世紀工業(yè)過程控制的發(fā)展趨勢，無論在學術研究或是工程應用方面都有必要使FCS綜合與繼承DCS的成熟控制策略；與此同時，DCS的發(fā)展也應追尋FCS控制策略的新思想，使其具有新的生命力。DCS應能動地將底層控制權交付給FCS系統(tǒng)，將較高層的系統(tǒng)協調管理功能發(fā)揚光大，完成對新時代，新形勢的工業(yè)控制系統(tǒng)的智能設備集成。 1．2現場總線傳輸特點 現場總線控制系統(tǒng)（FCS）是順應智能現場儀表而發(fā)展起來的。它的初衷是用數字通訊代替4－20mA模擬傳輸技術，但隨著現場總線技術與智能儀表管控一體化（儀表調校、控制組態(tài)、診斷、報警、記錄）的發(fā)展，在控制領域內引起了一場前所未有的革命。控制專家們紛紛預言：FCS將成為21世紀控制系統(tǒng)的主流。 然而就在人們沸沸揚揚的對FCS進行概念炒作的時候，卻沒有注意到它的發(fā)展在某些方面的不協調，其主要表現在迄今為止現場總線的通訊標準尚未統(tǒng)一，這使得各廠商的儀表設備難以在不同的FCS中兼容。此外，FCS的傳輸速率也不盡人意，以基金會現場總線（FF）正在制定的國際標準為例，它采用了ISO的參考模型中的3層（物理層、數據鏈路層和應用層）和極具特色的用戶層，其低速總線H1的傳輸速度為31.25kbps，高速總線H2的傳輸速度為1Mbps或2.5Mbps，就針對西門子推出的PROFIBUS總線而言：其市場站有率相對較大，但由于受通訊線路長度的影響，在100M線路長度下最高通訊速率為12Mbps，這在有些場合下仍無法滿足實時控制的要求。由于上述原因，使FCS在工業(yè)控制中的推廣應用受到了一定的限制。當人們冷靜下來對這些問題進行思考時，不禁想起了在商業(yè)網絡中廣泛應用的以太網。 以太網具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢，由于它支持幾乎所有流行的網絡協議，所以在商業(yè)系統(tǒng)中被廣泛采用。但是傳統(tǒng)以太網采用總線式拓樸結構和多路存取載波偵聽碰撞檢測（CSMA/CD）通訊方式,在實時性要求較高的場合下，重要數據的傳輸過程會產生傳輸延滯，這被稱為以太網的“不確定性”。研究表明：商業(yè)以太網在工業(yè)應用中的傳輸延滯在2～30ms之間，這是影響以太網長期無法進入過程控制領域的重要原因之一。因此對以太網的研究具有工程實用價值，從而產生了一種新型以太網。 1．3工業(yè)以太網的研究現狀 近年來控制與通訊工程師們致力于新型工業(yè)以太網的研究工作，其中有代表性的是FF制定的快速以太網標準，其傳輸速度為100Mbps。綜觀工業(yè)以太網的研究現狀，出現了兩個值得注意的發(fā)展方向：以太網集線器和具有實時功能的以太網的協議。 a、以太網集線器 FF將以太網技術加入到H2協議中，并以它作為H2的底層協議，其網絡采用星型拓樸結構。 集線器（HUB）置于網絡中心并通過以太網I/O接口掛接現場設備，其中實時現場儀表和普通現場儀表（通過通道組）分別掛接在不同的以太網I/O接口上。以太網I/O接口高速（約100 kHz）掃描所有實時現場儀表和通道組，然后傳送數據包到上層控制器。 通常普通控制算法在現場控制器中進行（可由上層控制器下載），而高級控制算法則在上層控制器中進行，其控制輸出經以太網集線器和以太網I/O接口傳輸到現場執(zhí)行儀表。由于實時現場儀表掛接在專用的以太網入口地址，并用完全分離的線路傳輸數據，所以保證了實時數據不會產生傳輸延滯和線路阻塞。 集線器作為網絡的仲裁器，除了控制通信雙方的傳輸時間外，還對傳輸的數據包進行優(yōu)先級設置，使每條信息都包含傳輸優(yōu)先級等實時參數。此外智能化的集線器還可以動態(tài)檢測需要通訊的現場設備所在以太網I/O口，并為之提供數據緩沖區(qū)，這樣可大大縮短現場設備的響應時間和減少數據的重發(fā)次數。集線器與其它集線器相連可實現不同網絡之間的數據共享。 經驗證這種采用以太網集線器技術的FCS可使實時數據的延遲時間控制在200納秒的范圍之內，這已足以滿足多數場合的實時控制要求。 b、在以太網的協議中加入實時功能 一些FCS的生產商（如ControlNet、Profibus、Modbus和Java等）在開發(fā)自己的工業(yè)以太網FCS時，在工業(yè)以太網協議中加入實時功能，此項技術被稱為“地道”，它其實僅僅是在設備中加入特殊的協議芯片，這里不做具體介紹。 c、工業(yè)以太網的研究課題 上述研究工作的進展為以太網進入FCS提供了可行性，但要使以太網能在FCS中發(fā)揮其強大的網絡優(yōu)勢，以滿足現代工業(yè)控制中日益增長的數據傳輸和信息傳輸種類（如語音、圖象和視頻等）的需要，還有待于研究工作取得更大的突破性進展。目前的研究工作應集中解決以下兩個方面的問題： 1．4盡快推出FCS國際標準 當今的FCS領域出現了世界各大廠商各自為戰(zhàn)的混亂局面。其中有影響的為Intel公司的Bitbus、德國的HART和Profibus、丹麥的P-NET、Honeyvell及AB的WorldFIP、Foxboro,ABB和橫河的ISP、FF的H1和H2和Echelon的Lonworks、菲利普的CAN等。這種混亂局面是由于各大廠商為了搶占市場急于推出自己的產品，而FCS的國際標準又遲遲不能出臺所造成的。標準的不統(tǒng)一使各廠家推出的FCS成為一個個“自動化孤島”，不同系統(tǒng)和現場設備的兼容性都很差。FCS的用戶強烈呼吁盡快出臺FCS的國際標準，以期望實現FCS的“世界大同”。 1994年6月WorldFIP和ISP聯合成立了FF，它包括了世界上幾乎所有的著名控制儀表廠商在內的100多個成員單位，致力于IEC的FCS國際標準化工作。但由于部分成員為了自身利益，力圖阻止FCS的國際標準出臺，形成了FF的FCS國際標準難以“一統(tǒng)天下”的令人擔憂的局面。解決這一問題的途徑是：一是要求FF在其國際標準中推出完善的用戶層和嚴格的互操作性的產品認證；二是提高用戶抵制非國際標準的FCS的自覺性。 工業(yè)以太網向FCS現場級的延伸。必須指出，工業(yè)以太網FCS中，其現場級總線的傳輸速度并不理想，這是因為工業(yè)以太網還只是在上層控制網絡中應用，而許多廠商出于安全考慮，在許多技術問題沒有解決之前，現場級尚未使用工業(yè)以太網，所以FCS總體的傳輸速度沒有什么質的飛躍。為了實現以太網向現場級的延伸，除了改進以太網的通訊協議之外，還需要解決網絡的本安、現場設備的冗余和通過以太網向現場儀表供電等技術問題。 本人認為，在保留FCS特色的基礎上解決上述問題才能使工業(yè)以太網具有生命力。工業(yè)以太網的介入為FCS的發(fā)展注入了新的活力，隨著FCS國際標準的推出以及有關技術問題的突破性進展，一個代表21世紀潮流的工業(yè)以太網的現場總線控制系統(tǒng)時代就會到來。 2． PLC與DCS、 FCS比較 PLC是由早期繼電器邏輯控制系統(tǒng)與微機計算機技術相結合而發(fā)展起來的，它是以微處理器為主的一種工業(yè)控制儀表，它融計算機技術、控制技術和通信技術于一體，集順序控制、過程控制和數據處理于一身，可靠性高、功能強大、控制靈活、操作維護簡單。近幾年來，可編程序控制器及組成系統(tǒng)在我國冶金、電廠、輕工石化、礦業(yè)、水處理等行業(yè)更是到了廣泛的應用，并取得了一定的經濟效益。 由于工業(yè)生產過程是一個分散系統(tǒng)。用戶往往關心的不只是一個控制系統(tǒng)（ |
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