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从集散控制系统到现场总线控制系统.doc

上传人:cjc2202537 文档编号:7008876 上传时间:2019-04-30 格式:DOC 页数:5 大小:178.50KB
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1、从集散控制系统到现场总线控制系统白建云(山西大学工程学院,山西太原 030013)The Development from Distributed Control System to Fieldbus Control SystemBAI Jian-yun (Engineering College of Shanxi University,Taiyuan 030013,China)摘 要: 分析了分布式控制系统(DCS)发展存在的问题,对 DCS 和现场总线控制系统(FCS) 进行了比较,提出将 DCS 和 FCS 融合的方案。同时研究并提出 FCS 今后发展必须解决的关键技术。关键词:集散控制

2、系统;现场总线;本质安全中图分类号: TP273 文献标识码: AAbstract: The paper analyses the problem about the developing of DCS system, compares DCS with FCS, and brings out the precept about amalgamation DCS and FCS. At the same time the future development technology is studied and put forward.Key Words: distributed control

3、 system; field bus; essential safe早在 FCS 出现之前,DCS 或称 TDCS(Total Distributed Control System)集散控制系统,在国内已有广泛应用。DCS 是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合的产物。通常采用若干个控制器对1 个生产过程中的众多控制点进行控制,各控制器间通过网络连接并可进行数据交换。操作采用计算机操作站,通过网络与控制器连接,收集生产数据,传达操作指令。而 FCS 产生的宗旨是为了本质安全、危险区域和易变过程,由全数字化、智能、多功能取代模拟式单功能仪表和控制装置,其发展的基础是数字智能现场装置,本质是信息

4、处理现场化,意在克服 DCS 存在的缺陷并取代 DCS。1 集散控制系统存在的问题DCS 组成的测控系统基本结构如图 1 所示。设计 DCS 的初衷是“危险分散、显示操作集中”。危险分散体现于早期 DCS 的 1 个控制站或控制单元仅包含 816 个控制回路。往往要配置多个控制单元才能满足现场 1 个机组或 1 套生产装置整体控制要求。小容量控制站使通信总线不但实施人机接口与控制站之间非及时信息的交换,而且还需实施某些控制站之间为完成对现场装置整体控制必需的 timelines(及时性信息交换) 。这就使通信总线成为控制系统的“ 神经命脉”,通信总线的发展无疑是制约 DCS 可靠性的主要“ 瓶

5、颈” 之一。从结构上划分,DCS 包括过程级、操作级和管理级。过程级主要由过程控制站、I/O 单元和现场仪表组成,是系统控制功能的主要实施部分。操作级包括:操作员站和工程师站,完成系统的操作和组态。管理级主要是指工厂管理信息系统(MIS),作为 DCS 更高层次的应用。DCS 的控制决策由过程控制站完成,它是 1 个完整的计算机系统,主要由电源、CPU、网络接口和 I/O 组成。由各控制站自身完成 1 套生产装置或机组基本控制所需 I/O 信息的采集与输出,使通信总线仅在各控制站与显示操作站(HMI)实施非及时性信息交换。DCS 的可靠性与基础控制功能完全依赖于控制站。为确保控制站的可靠性与效

6、能,不但对其电源供应、CPU 卡与通信卡及部份 I/O 卡件采用双重冗余,甚至出现 4 个 CPU 作双对冗余,而且采用 1 个 CPU 芯片对采样输入进行预处理及输出判断处理,1 个CPU 芯片进行控制运算等 “用空间换时间与效能” 等一系列措施。适用于不同工业应用的控制算法以功能模块形式常驻于大容量存储器内使之能在无人干预的情况下按控制方案预先组态好的程序连接,完成各种连续、批量及程序逻辑控制,使整个生产装置或机组安全平稳运行。然而,控制站的采样输入来自现场而控制信号则返回现场,每个 I/O 信号均需在现场与主控室之间来回穿梭,带来诸多弊病:信号电缆耗费量极大,1 个大型工厂的信号电缆总长

7、达 46 位数字的公里数并非罕见,使得信号电缆敷设的投资巨大且维修困难并有损于其整体可靠性。各家的 DCS 不但硬件各异且软件与通信协议更是各家专用无以兼容而形成众多的自动化孤岛,使用户不能自由扩充。随网络时代的到来,上述 2 个缺陷导致 DCS 制造厂商不得不正视用户的要求而寻求变革。2 FCS 的产生和发展为解决 DCS 存在的问题,FCS 应运而生。 FCS 是 20 世纪 80 年代中期发展起来的,其拓扑结构如图 2 所示 1 。每个智能现场装置到接线盒的双绞线仍可使用,但从现场接线盒到中央控制室仅用 1 根双绞线完成数字通信,节约了电缆。2.1 FCS 的特点、优势及发展现状特点可概

8、括如下:开放性;可互操作性与可互换性;全数字化,用不着像 DCS 那样需 A/D或 D/A 转换; 双向通信;智能化的现场仪表。 FCS 的优势主要在于:a 可减少 1/22/3 的隔离器、端子柜、I/O 终端、I/O 卡件、I/O 文件及 I/O 柜子,这样就节省了 I/O 装置及装置室的空间。b 因免去了 D/A 及 A/D 转换,使精确度可以从0.5 %提高到0.1 %。c 减少了电缆的用量,费用节省 66 %或更多。d 可以产生先进的、智能化现场仪表,如多变量变送器和执行器使维修预报(predicted maintenance)成为可能。e 因可将 PID 功能植入到变送器或执行器中,

9、使控制周期大为缩短。目前可从 DCS 的每秒调节23 次增加到 1020 次,从而改善了调节性能。f 免除了主机入口处的瓶颈现象,提高了系统的安全性和可靠性,同时也可使主机腾出手来从事优化等工作以提高效益。g 组态简单,安装、运行、维护简便。h 用户可以自己择优选择,达到最佳集成。国际市场上,目前已形成了 40 余种各具特色的现场总线,其中,FF、Profibus 为首的几个主流品种技术较成熟,市场占有率大,但这些总线之间的互联互通是当前存在的大问题。争夺现场总线国际标准的大战,持续了 16 年,先后经过 9 次投票表决,都是功亏一篑而未能通过。最后通过协商、妥协,于1999 年底 IEC T

10、C65(负责工业测量和控制的第 65 标准化技术委员会)通过以下 8 种类型的现场总线作为 IEC61158 国际标准。IEC 技术报告(即 FF 的 H1)。ControlNet(美国 Rockwell 公司支持) 。Profibus(德国西门子公司支持 )。P-Net(丹麦 Process Data 公司支持)。FF HSE(即原 FF 的H2, Fisher-Rosemount 公司支持)。Swift Net(美国波音公司支持)。World FIP(法国 Alstom 公司支持)。 Interbus(德国 Phoenix Contact 公司支持)。 再加上 IEC TC17B 通过的

11、3 种现场总线国际标准:SDS(Smart Distributed System)、ASI(Actuator Sensor Interface)、DeviceNet 。还有 1 个 ISO 11898 的 CAN(Control Area Network)。共 12 种。除上述 12 种国际标准外,实际还存在着欧洲标准和一些其他的国家标准,如英国的 ERA、挪威的FINT 等,一些国际大公司还推出自己的标准,如日本三菱的 CC-LINK、法国 Shneider 公司的Modbus 等。如此之多的标准,不免使用户感到困惑,难以选择。因此,标准不一严重制约了现场总线控制系统的发展。现场总线的主要特

12、点之一是可互操作性,但现有的 12 种现场总线国际标准中,异种现场总线之间是不能进行互操作的,虽说可以通过网关(gateway) 通信或通过 OPC(OLE for Process Control)协议进行互操作,但这种互操作只能在各自的主机间进行,不能在彼此的现场仪表间进行,由于缺乏控制的实时性,这种所谓互操作是没有实际意义的。2.2 智能现场装置 是现场总线的基础,其必须符合下列要求:必须与它所处的 FCS 具有统一的总线协议,或者是必须遵守相关的通信规约,这样才能做到开放和完全互操作;用于 FCS 的现场装置必须是多功能、智能化的,因为现场总线的一大特点就是要增加现场一级的控制功能,大大

13、简化系统集成,方便设计。多功能智能化现场装置产品中,目前已开发有下列一些功能:a 与自动控制装置间的双向数字通信功能;b 多变量输出功能;c 多功能,如信号的线性化、工程单位转换、阀门特性补偿、流量补偿及过程装置监视与诊断等;d 信息差错检测功能,在每次传送的数据帧中增加“ 状态”数据值就能达到检测差错的目的; e 提供诊断信息,它可以提供基于时间的预防维修信息和基于设备状态的预测维修信息;f 控制器功能,它可以将 PID 控制模块植入变送器或执行器中使智能现场装置具有控制器的功能,这使得系统的硬件组态更为灵活。3 DCS 与 FCS 的比较和融合FCS 代表潮流与发展方向,而 DCS 则代表

14、传统与成熟,各具优势。特别是现阶段, FCS 尚没有统一的国际标准而呈群雄逐鹿之势,DCS 则以其成熟的发展,完备的功能及广泛的应用而处于尚不可完全替代的地位。FCS 应该与 DCS 相互兼容。首先以工程成本与效益看, FCS 的优势是良好的互操作性;结构简单,从而布线费用低;控制功能分散,灵活可靠,以及现场信息丰富。然而这些优势是建立在 FCS 系统初装的前提下,倘若企业建有完善的 DCS,只需要向 FCS 过渡,则须考虑现有投资对已有投资的回报率。充分利用已有的 DCS 设施,DCS 布线以及成熟的 DCS 控制管理方式来实现 FCS 应是首选 从技术的继承及控制手段上,也要求 FCS 与

15、 DCS 相互兼容。FCS 实现控制功能下移至现场层,使 DCS 的 多层网络被扁平化,各个现场设备节点的独立功能得以加强,但却有必要增加和完善现场子层设备间的数据通讯功能。由于历史的原因,DCS 通常拥有大型控制柜用以协调各个设备,同时更强调层与层的数据传输。可见,2 种控制在策略上各具优势。DCS 适用于较慢的数据传输速率; FCS 则更适用于较快的数据传输速率,以及更灵活的处理数据。然而,当数据量超过一定值过于偏大时,若同层的设备过于独立,则很容易导致数据网络的堵塞,解决此问题,拟设立 1 个适当的监控层用以协调相互通讯的设备时,DCS 可以轻松地做到。可见,为使 FCS 的控制方式和手

16、段完善化,是有必要借鉴 DCS 的一些控制思想的。要把握新世纪工业过程控制的发展趋势,无论在学术研究或是工程应用方面都有必要使 FCS 综合与继承 DCS 的成熟控制策略;同时,DCS 的发展也应追寻 FCS 控制策略的新思想,使其具有新的生命力。DCS 应能动地将底层控制权交付给 FCS,将较高层的系统协调管理功能发扬光大,完成对新时代,新形势的工业控制系统的智能设备集成。由于 FCS 具有明显优于 DCS 的特点,FCS 必将代替 DCS。当然,单从利用现有资源角度,DCS 系统的消失或完全被取代,短期内也是不合理的,应立足于现有 DCS,充分挖掘现有设备的潜力(如可以在 DCS 与 FC

17、S 之间安装网关,以实现信息的传递 ),使即有投资又不至于浪费。另外,DCS 是 1 个不断发展的控制系统,它必然采用现场总线技术对自身进行改造,使 DCS 能与现场总线智能传感器(智能仪表 )和局部 FCS 连接起来。目前一段时期所有这些情况造成 FCS 与 DCS共存的局面。4 现场总线系统 FCS 有待解决的问题FCS 由于采用了现场总线技术,在开放性、控制分散等方面优于传统 DCS。但是由于它是 1 种新技术,目前连标准本身都还没有制定统一,因此 FCS 与成熟的 DCS 相比,还存在下列的一些欠缺。a 因现场总线标准本身尚在发展中,给产品的开发和测试带来难度。这在一定程度上造成产品开

18、发商、生产商少,产品品种单一而且价格昂贵。b 在某些场合 FCS 还无法提供 DCS 已有的控制功能。因软硬件水平的限制,其功能块的功能还不是很强,品种也不够齐全;用现场仪表还只能组成一般的控制回路如单回路、串级、比例控制等,复杂、先进的控制算法还无法在仪表中实现,对单回路内有多输入输出的情况缺乏好的解决方案。c 目前 FCS 成功的大型示范应用实例并不多见,难以展示实际应用效果。d 目前现场总线的标准过多,且没有 1 种能覆盖所有的应用面,相当于没有标准。目前现场总线有着 3 个层次,即传送数据宽度以位(bit)计的传感器总线、宽度以字节 (byte)计的设备总线(device bus)和宽

19、度为数据流(Block)的现场总线。e 现场总线的主要特点之一是可互操作性,但现有的 12 种现场总线国际标准中,异种现场总线之间是不能进行互操作的,虽说可以通过网关(gateway) 通信或通过 OPC(OLE for Process Control)协议进行互操作,但这种互操作只能在各自的主机间进行,不能在彼此的现场仪表间进行。5 结束语综上所述,FCS 取代 DCS 将是 1 个逐渐的过程。在这一过程中,会出现一些过渡型的系统结构,如在 DCS 中以 FCS 取代 DCS 的某些子系统。用户将现场总线设备连接到独立的现场总线网络服务器,配以 DCS 中连接操作站的上层网络接口,与操作站直接通信。在 DCS 的软件系统中可增添相应的通信与管理软件。1 周明 .现场总线控制M.北京:中国电力出版社,2002:78.

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