1、工业控制系统的发展趋势 从 DCS 与FCS工业控制系统的发展趋势DeIe摘要本文简要介绍了现场总线及在 DCS 系统基础上采用现场总线技术而产生的 FCS 系统,并进一步介绍了 FCS 系统的特点,发展步骤及策略.关键词现场总线 DCSFCS 发展O 引言现场总线自 20 世纪 80 年代产生以来,一直受到人们的关注,被誉为自动控制领域的一次新的革命.进入90 年代以后,现场总线一度成为人们研究的热点,并曾有人预言,DCS,PLC 等传统控制系统将很快被现场总线系统(FCS)所代替.1999 年底诞生的 IEC61158 现场总线国际标准,由于包含了 FF,Profibus,ControlN
2、et,PNet,Interbus 等在内的 8 种类型,没有实现其最初“制定单一现场总线“ 的目标.而 HART,LonWorks,CCLink 等一些现场总线虽然没有被列入 IEC61158 标准中,却仍然得到了一定的应用.今后一段时间内将是多种现场总线并存发展,相互竞争的“战国时代 “,选用哪种现场总线 ,将由市场和用户来决定.那么,在现场总线技术发展大潮中,到底如何发展适合自己特点的现场总线技术产品?如何用现场总线这种先进技术改造传统产业等等一些问题,却是仁者见仁,智者见智.1 现场总线技术简介1.1 什么是现场总线所谓现场总线,按照国际电工委员会 1EC/SC65C 的定义,是指安装在
3、制造或过程区域的现场装置之间,以及现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式,串行和多点通信的数据总线.这里所说的现场总线装置包括变送器或流量,压力,温度或其他过程量的转换器,转角发送器和 ONOFF 开关,包括控制阀,执行器和带电子驱动的电动机(包括机械手的步进电动机等),安装在现场的简单 PLC 和远程单回路调节器也属于现场装置.以现场总线为基础而发展起来的全数字控制系统称作 FCS.现场总线作为一种工业控制网络,它与信息网络相2003 年 2 月第 1 册总第 31 册冯冬芹金建祥楮健(浙江大学)比.既有共同之处,又有其特殊性.比如两者均是通信网络技术,都遵循 ISO/OSI 七层结构
4、的通信参考模型, 均需实现数字信息的交换.同时,现场总线技术与 IT 信息网络技术又是相辅相成的,现场总线技术的发展完全可以与信息网络技术相结合,信息网络相关成熟技术经过改造,或直接可应用于工业控制网络.工业控制网络的特殊性主要在于:(1)工业控制网络的通信响应实时性要求比较高,通常为 0.010.Is.这里包含两方面的要求,第一是现场总线信息传输速度要快,第二是在工业控制领域还要求响应快,即现场设备从发送信息到接收响应所需的时间要短,工业控制对实时性的要求是“硬“ 的,因为它往往涉及安全 ,必须在任何时间都及时响应,不允许有不确定性.(2)工业控制网络通常分为控制层网络和现场设备层网络,其中
5、现场设备层网络与控制层网络相比,通常需要总线供电.(3)工业控制网络不单单是一个完成数据传输的通信系统,而且需要依靠网络传输控制指令,因此需要为控制系统应用程序提供不同的数据传输服务,如程序下载,实时数据传输,报警事件的发布服务等.这些通信服务通常根据工业控制特点而制定,并定义在应用层,为不同应用程序或用户层之间的信息传输提供服务.此外,作为一个完整的控制系统,FCS 还能执行某些控制计算与操作功能,由多个网络节点协调完成自控任务.1.2 现场总线的产生现场总线的产生是多方面因素共同作用的结果.首先,现场总线的产生反映了仪器仪表发展的需要.仪器仪表的发展经历了全模拟式仪表,智能仪表,具有通信功
6、能的智能仪表,现场总线仪表等几个阶段.其中,全模拟式仪表是将传感器信号进行调理放大后,经过V/I 电路转换,输出 420mA 或 05V 的模拟信号.其后随着计算机技术的发展,微处理器在仪器仪表中得到了广泛应用,过程变量经调理放大,A/D 采样,转换为数字信号,并经过微处理器的运算,补偿等处理后,再通过D/A,V/I 等电路,仍然以 420mA 或 05V 的模拟信号输出.这种智能仪表相对于全模拟仪表来讲,测量精7确度得到大大提高,但信号传输过程仍然容易受到外界电磁干扰,传输精确度和可靠性都不高.于是,人们在仪器仪表中增加了通信接口(如 RS 一 232/485 等),以数字通信的方式代替模拟
7、信号传输.但由于这些通信标准只规定了物理层上的电气特性,而对于数据链路层及其以上各通信层次,则没有统一定义,致使不同仪表所使用的通信协议可能各不相同,不同生产厂家生产的仪器仪表也会由于通信协议的专有与不兼容而无法实现相互之间的通信,并严重束缚了工厂底层网络的发展.为解决这个问题,必须使这些网络的通信标准进行统一,组成开放互连系统,于是就产生了现场总线.其次,现场总线的产生反映了企业综合自动化,信息化的要求.为了适应越来越激烈的市场竞争的需要,逐步形成了计算机集成制造系统(cIMs). 它采用系统集成,信息集成的观点来组织工业生产,把市场,生产计划,制造过程,企业管理,售后服务看作要统一考虑的生
8、产过程,并采用计算机,自动化,通信等技术来实现整个过程的综合自动化,在信息采集,加工的基础上,运用网络和数据库技术,实现信息集成,并进一步优化生产与操作,增加产量,提高产品质量,降低成本.因而信息技术成为工业生产制造过程的重要因素,必须设计出一种能在工业现场环境运行的,性能可靠,造价低廉的通信系统,以实现现场自动化智能设备之间的多点数字通信,形成工厂底层网络系统,实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换.因此说,现场总线的产生反映了工业自动化仪器仪表发展的必然趋势,同时也反映了工业企业综合自动化,信息化发展的需要.1.3 从 DCS 到 FCS 是工业控制系统发展的趋势FCS 是由 D
9、CS 脱胎发展而来的(如图所示),它保护了 DCS 的精华,但与 DCS 相比,FCS 具有以下技术特点和优势:DCSDCS 与 FCS 结构示意图(1)全数字通信传统控制系统 DCS 采用 420mA 的型模拟信号传输方式.这种传输方式是一对一的,即一对传输电缆只能传送一路信号,因此中央控制主机就不能得到除测量或控制信号以外的其他控制信息;而且,模拟信号在传输过程中很容易被其他信号或环境噪声所干扰,传输精确度不高,经常成为改善系统控制性能的一块拦路石,即使控制器再好,控制效果总不太理想.而 FCS 采用完全的数字信号传输.这种数字化的传输方式使得信号的检错,纠错机制得以实现,因此它的抗干抗能
10、力和鲁棒性都比较高,传输精确度也得到显着提高.全数字通信使得多参数传输得以实现.现场设备的测量,控制信息以及其他非控制信息如设备类型,型号,厂商信息,量程,设备运行状态等都可以通过一对导线传输到现场总线网络上的任何智能设备,如中央控制器等,从而消除了模拟信号传输的瓶颈.(2)多分支结构传统控制系统中设备的连接都是一对一的,而现场总线是多分支结构,其网络拓扑可为总线型,星型,树形等多种形式.这种多分支结构不仅大大节约了布线电缆,而且使得布线简单,工程安装周期缩短,维护也很方便.这种结构还具有系统扩展性,如增加新的设备,只需直接并行挂接即可,无需架设新的电缆,也无需系统停机.(3)现场设备状态可控
11、通过现场总线,现场设备的管理信息大大增加,这些信息包括功能模块组态,参数状况,诊断和验证数据,设备材质和过程条件等.操作人员在控制室里就可以对这些信息进行管理和利用:通过对设备运行统计数据进行综合处理和诊断,可以对现场设备进行预防性维护,或对参数进行调整和标定.当系统中设备增加和删减时,系统会自动探测到新的设备,也能够及时识别失效设备,以免错误的控制动作发生.操作人员能够在故障发生之前采取措施,可减少意外停车和危险情况的发生;故障发生后,报警机制会立刻通知操作人员故障发生的部位和设备,从而提高了系统的可靠性和可维护性.(4)互操作性和互换性现场总线是开放的协议,不同厂商生产的符合同一现场总线协
12、议的设备可以连接在一起,统一组态和协同工作.来自不同厂家的相同类型的设备还可以互换,而无需专用的驱动程序,彻底改变了传统控制系统控制层的封闭性和专用性.因此用户可以选用不同厂家的最好的设备和系统,而不必担心兼容性,也不必为集成不同品牌的产品而增加额外的投资.(5)控制分散现场总线系统采用全分散式控制.现场设备既有检测,变换,工程量处理和补偿功能,也有运算和控制功能.通过现场总线,将传统 DCS,PLC 等控制系统复杂的控制任务进行分解,分散于现场设备中,由现场变送器或执行机构构成控制回路,并行实现各部分的控制.同时也简化了系统结构,提高了系统的可靠性,自治性和灵活性.(6)系统的开放性现场总线
13、标准实现了完全开放,无专利许可要求,面向世界上任何一个制造商和用户.不同制造商生产的设备之间可实现完全的信息交换,用户可以按自己的需要和考虑,自由集成来自不同厂商的产品,规模可大可小,既可以与同层网络互连,也可以与不同层网络互连.因此,系统集成的主动权完全掌握在用户而不是供应商或集成商手中.从以上几大优势可以看出,一个全数字化,全分散式,可互操作,开放式互连网络的 FCS 是自动控制系统的发展趋势.2DCS 向全分散 FCS 的发展是一个渐变,而不是突变的过程纵观现场总线技术的发展历程,可以发现,在现场总线技术推广宣传过程中,夸大了 FCS 的特点和优势,而忽视了 DCS,PLC 等传统控制系
14、统本身的优势和所取得的成功.从 20 世纪 70 年代至今,DCS,PLC 等传统控制系统经过了几十年的发展,经历了发展,成熟到大规模应用等几个渐进阶段,其中采用了大量先进的控制技术,仪器仪表技术.如在系统可靠性设计方面,DCS 广泛采用了隔离,冗余,无冲击带电插拔,电磁兼容设计等技术,使其可以工作于复杂工业现场环境.在系统部件出现故障的情况下,能够自动无扰动切换到备份子系统,并可对故障子系统进行在线维护,或带电拔下来进行检修或更换,新的板卡也可以带电更换,保证了整个系统的正常工作,因此用户可以很放心地使用.同时,DCS 在其本身发展过程中也大量采用了信息网络技术的成熟成果,如以太网已被广泛应
15、用于控制层网络,大多数控制系统都具有 ODBC,COM/DCOM,OPC等开放网络接口技术,不同控制系统间可以进行互连,2003 年 2 月第 1 册总第 31 册互相使用过程数据.因此,从某种程度上讲,也消除了控制系统的“信息化孤岛 “,DCS 的竞争能力得到大大提高,其生命周期也得到进一步延长.另外,DCS,PLC 等传统控制系统由于采用 420mA等标准化传输信号,因此其互换性,互可操作性都非常好,用户不需要考虑设备的不兼容性.而 FCS 虽然具有开放性 ,完全分散 ,互可操作性,智能现场设备可控性等诸多特点,但由于多种现场总线没有能够统一到一种总线上来,不同现场总线间协议规范互不相同,
16、技术各有特点,从广义上讲,不同现场总线设备间还不能实现互连和信息透明互访,也就不能真正实现开放和互可操作,因此 FCS 所具有的优越性不能充分发挥出来.再来分析现场智能设备管理.FCS 采用数字通信方式代替传统的模拟信号传输,因此现场设备的大量非控制信息可以通过现场总线网络传输到中央控制室,用于现场设备的调校,校正,故障诊断等.现场设备管理也被作为现场总线的一个热卖点进行开发和宣传,但从目前世界各大公司提供的设备管理产品来看,并没有什么本质上的新意.设备的故障诊断就是一门复杂的科学,它需要结合机械,电子,计算机等多学科知识,建立设备的故障模型,并采集大量设备运行状态信息以后,进行详细分析,才能
17、作出准确和有意义的判断,对设备的维护才具有真正的指导意义.但遗憾的是,目前的设备管理软件产品基本上都没有做到这一点.此外,FCS 的技术本身还不太成熟,如现场总线(特别是低速部分)的网络冗余性问题至今没有得到很好的解决,FCS 作为完整的控制系统,其可靠性尚未得到充分验证等,用户虽然对现场总线技术关注较多,但基本上都没有真正使用起来.现场总线的优势也就没有得到真正的发挥.由此可见,由于 FCS 本身技术不成熟 ,因此在其发展过程中,不能全盘否定传统控制系统,否则就得不到广大工控系统开发商,制造商,仪器仪表企业和用户的广泛支持.事实上,FCS 前几年的应用业绩也证明了这一点.3 从 DCS 发展
18、到 FCS,可采用分步实施的策略现场总线从 20 世纪 90 年代全面进入我国市场,但到目前为止,FCS 还没有得到大面积的应用推广 ,除了其本身技术不成熟,仍处于发展过程中外,现场总线协议9和实现技术的复杂性也是其中的主要原因.如基金会现场总线 FF(FoundationFieldbus)参考了ISO/OSI 七层参考模型,采用了物理层,数据链路层, 应用层,并在应用层之上增加了用户层.在 FF 协议规范中,数据链路层又分为数据链路层规范,数据链路层服务,应用层分为现场总线访问子层(FAS),现场总线报文规范子层(FMS), 用户层则有功能块及其应用进程 ,此外还有系统管理(SM),网络管理
19、(NM),设备描述(DD)等等,这些协议规范均作为 FF 产品的重要组成部分,需要通过软件开发加以实现.由于这些规范不仅复杂,而且其实现技术也是专有的,技术开发难度大,开发周期长,开发成本较高,因此难以在较短时间内形成产业化规模生产.相比而言,Profibus 现场总线规范文本也有上千页,但它将 Profibus 设备分为一类主站,二类主站和从站等 3种类型,其中一类主站完成总线通信控制与管理,通常指PLC,PC 或可做一类主站的控制器;二类主站指操作员工作站,编程器,操作员接口等,完成各站点的数据读写,系统配置,故障诊断等功能;从站则是指 I/O 输入输出的驱动器,阀门等.其中,从站接收主站
20、指令,按指令驱动 I/O,并将 I/O 输入及故障诊断信息返回给主站,无需实现控制功能,其应用开发技术相对简单,用户也很容易掌握,因此很多 Profibus 产品开发和制造商都纷纷从从站的研发人手,继而研发主站产品.到目前为止,Profibus 的产品已超过 2000 种(其中大部分为从站设备),其应用业绩也较好,而基金会现场总线 FF 虽然被人们认为是最适合过程控制的,最先进的现场总线技术,但到目前为止,不仅应用较少,而且经测试,登记注册的产品也不多,仅有几十种.为了使先进的现场总线技术能够尽快服务于工业生产过程控制主战场,在实践中应采取分步实施的策略,降低开发和应用难度.比如,先集中力量解决用数字通信代替传统的模拟信号传输的问题,然后逐步解决现场设备管理,全分散控制等问题.事实上,从 2001 年 INTERKAMA 展览会得到的信息也证明了这一点:各大工控厂商提供的现场总线产品大多是现场总线电源,安全栅,线缆转接单元,中断器等简单产品,使控制系统工程的可操作性大大提高.而对如何使用现场总线技术所带来的丰富信息以及如何在现场仪表中执行控制功能等过去一直强调的优点反而低调谈化.其次,推广应用现场总线技术,发展 FCS,可以与现有控制系统(如 DCS,PLC)紧密结合,通过这些系统的应
