试议DCS集散控制系统产品开发样本.doc

浅谈DCS集散控制系统产品开发（一）-4-8 14:15:00一、集散控制系统DCS和现场总线控制系统FCS比较（一）概述FCS、DCS FCS是在DCS基础上发展起来，FCS顺应了自动控制系统发展时尚，它必将替换DCS。这已是业内人士基础共识。然而，任何新事物发生，发展全部是在对旧事物扬弃中进行，FCS和DCS关系肯定也不例外。FCS代表时尚和发展方向，而DCS则代表传统和成熟，也是独具优势事物。尤其是现阶段，FCS尚没有统一国际标准而呈群雄逐鹿之势，DCS则以其成熟发展，完备功效及广泛应用而占居着一个尚不可完全替换地位。本人认为：现场总线控制系统FCS应该和集散式控制系统DCS相互兼容。 不管是FCS或是DCS，它们最终是为了满足整个生产过程而进行系统控制（PCS）。 首先以工程成本和效益看，现场总线根本优势是良好互操作性；结构简单，从而布线费用低；控制功效分散，灵活可靠，和现场信息丰富。然而这些优势是建立在 FCS系统初装前提下，倘诺企业建立有完善DCS，现在要向FCS过渡，则必需仔细考虑现有投资对已经有投资回报率。充足利用已经有DCS设施，现有DCS布线和成熟DCS控制管理方法来实现FCS是我们应选之途。 即使现场总线对已经有数字现场协议有优势可言，但向其过渡代价和风险是必需分析清楚。再者，从技术继承及控制手段上，也要求FCS和DCS应相兼容。FCS实现控制功效下移至现场层，使DCS 多层网络被扁平化，各个现场设备节点独立功效得以加强，所以，在FCS中有必需增加和完善现场子层设备间数据通讯功效。 因为历史原因，DCS通常拥有大型控制柜用以协调各个设备，同时更强调层和层数据传输。可见，两种控制在策略上各具优势。DCS适适用于较慢数据传输速率；FCS则更适适用于较快数据传输速率，和更灵活处理数据。然而，当数据量超出一定值过于偏大时，假如同层设备过于独立，则很轻易造成数据网络堵塞。要处理这个问题，拟设置一个合适监控层用以协调相互通讯设备，肯定是有益，DCS就能轻松地胜任这一工作。可见，为使FCS控制方法和手段完善化，是有必需借鉴DCS部分控制思想。 要把握新世纪工业过程控制发展趋势，不管在学术研究或是工程应用方面全部有必需使FCS综合和继承DCS成熟控制策略；和此同时，DCS发展也应追寻FCS控制策略新思想，使其含有新生命力。DCS应能动地将底层控制权交付给FCS系统，将较高层系统协调管理功效发扬光大，完成对新时代，新形势工业控制系统智能设备集成。（二）现场总线传输特点 现场总线控制系统（FCS）是顺应智能现场仪表而发展起来。它初衷是用数字通讯替换420mA模拟传输技术，但伴随现场总线技术和智能仪表管控一体化（仪表调校、控制组态、诊疗、报警、统计）发展，在控制领域内引发了一场前所未有革命。控制教授们纷纷预言：FCS将成为二十一世纪控制系统主流。 然而就在大家沸沸扬扬对FCS进行概念炒作时候，却没有注意到它发展在一些方面不协调，其关键表现在迄今为止现场总线通讯标准还未统一，这使得各厂商仪表设备难以在不一样FCS中兼容。另外，FCS传输速率也不尽人意，以基金会现场总线（FF）正在制订国际标准为例，它采取了ISO参考模型中3层（物理层、数据链路层和应用层）和极具特色用户层，其低速总线H1传输速度为31.25kbps，高速总线H2传输速度为1Mbps或2.5Mbps，就针对西门子推出PROFIBUS总线而言：其市场站有率相对较大，但因为受通讯线路长度影响，在100M线路长度下最高通讯速率为12Mbps，这在有些场所下仍无法满足实时控制要求。因为上述原因，使FCS在工业控制中推广应用受到了一定限制。当大家冷静下来对这些问题进行思索时，不禁想起了在商业网络中广泛应用以太网。 以太网含有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面优势，因为它支持几乎全部流行网络协议，所以在商业系统中被广泛采取。不过传统以太网采取总线式拓朴结构和多路存取载波侦听碰撞检测（CSMA/CD）通讯方法,在实时性要求较高场所下，关键数据传输过程会产生传输延滞，这被称为以太网“不确定性”。研究表明：商业以太网在工业应用中传输延滞在230ms之间，这是影响以太网长久无法进入过程控制领域关键原因之一。所以对以太网研究含有工程实用价值，从而产生了一个新型以太网。（三）工业以太网研究现实状况 多年来控制和通讯工程师们致力于新型工业以太网研究工作，其中有代表性是FF制订快速以太网标准，其传输速度为100Mbps。综观工业以太网研究现实状况，出现了两个值得注意发展方向：以太网集线器和含有实时功效以太网协议。1以太网集线器 FF将以太网技术加入到H2协议中，并以它作为H2底层协议，其网络采取星型拓朴结构。集线器（HUB）置于网络中心并经过以太网I/O接口挂接现场设备，其中实时现场仪表和一般现场仪表（经过通道组）分别挂接在不一样以太网I/O接口上。以太网I/O接口高速(约100 kHz)扫描全部实时现场仪表和通道组，然后传送数据包到上层控制器。通常一般控制算法在现场控制器中进行（可由上层控制器下载），而高级控制算法则在上层控制器中进行，其控制输出经以太网集线器和以太网I/O接口传输到现场实施仪表。因为实时现场仪表挂接在专用以太网入口地址，并用完全分离线路传输数据，所以确保了实时数据不会产生传输延滞和线路阻塞。集线器作为网络仲裁器，除了控制通信双方传输时间外，还对传输数据包进行优先级设置，使每条信息全部包含传输优先级等实时参数。另外智能化集线器还能够动态检测需要通讯现场设备所在以太网I/O口，并为之提供数据缓冲区，这么可大大缩短现场设备响应时间和降低数据重发次数。集线器和其它集线器相连可实现不一样网络之间数据共享。经验证这种采取以太网集线器技术FCS可使实时数据延迟时间控制在200纳秒范围之内，这已足以满足多数场所实时控制要求。2在以太网协议中加入实时功效部分FCS生产商（如ControlNet、Profibus、Modbus和Java等）在开发自己工业以太网FCS时，在工业以太网协议中加入实时功效，此项技术被称为“地道”，它其实仅仅是在设备中加入特殊协议芯片，这里不做具体介绍。3工业以太网研究课题 上述研究工作进展为以太网进入FCS提供了可行性，但要使以太网能在FCS中发挥其强大网络优势，以满足现代工业控制中日益增加数据传输和信息传输种类（如语音、图象和视频等）需要，还有待于研究工作取得更大突破性进展。现在研究工作应集中处理以下两个方面问题：（四）立即推出FCS国际标准当今FCS领域出现了世界各大厂商各自为战混乱局面。其中有影响为Intel企业Bitbus、德国HART和Profibus、丹麦P-NET、Honeyvell及ABWorldFIP、Foxboro,ABB和横河ISP、FFH1和H2和EchelonLonworks、菲利普CAN等。这种混乱局面是因为各大厂商为了抢占市场急于推出自己产品，而FCS国际标准又迟迟不能出台所造成。标准不统一使各厂家推出FCS成为一个个“自动化孤岛”，不一样系统和现场设备兼容性全部很差。FCS用户强烈呼吁立即出台FCS国际标准，以期望实现FCS“世界大同”。1994年6月WorldFIP和ISP联合成立了FF，它包含了世界上几乎全部著名控制仪表厂商在内100多个组员单位，致力于IECFCS国际标准化工作。但因为部分组员为了本身利益，力图阻止FCS国际标准出台，形成了FFFCS国际标准难以“一统天下”令人担忧局面。处理这一问题路径是：一是要求FF在其国际标准中推出完善用户层和严格互操作性产品认证；二是提升用户抵制非国际标准FCS自觉性。工业以太网向FCS现场级延伸。必需指出，工业以太网FCS中，其现场级总线传输速度并不理想，这是因为工业以太网还只是在上层控制网络中应用，而很多厂商出于安全考虑，在很多技术问题没有处理之前，现场级还未使用工业以太网，所以FCS总体传输速度没有什么质飞跃。为了实现以太网向现场级延伸，除了改善以太网通讯协议之外，还需要处理网络本安、现场设备冗余和经过以太网向现场仪表供电等技术问题。本人认为，在保留FCS特色基础上处理上述问题才能使工业以太网含有生命力。工业以太网介入为FCS发展注入了新活力，伴随FCS国际标准推出和相关技术问题突破性进展，一个代表二十一世纪时尚工业以太网现场总线控制系统时代就会到来。二、PLC和DCS、 FCS比较 PLC是由早期继电器逻辑控制系统和微机计算机技术相结合而发展起来，它是以微处理器为主一个工业控制仪表，它融计算机技术、控制技术和通信技术于一体，集次序控制、过程控制和数据处理于一身，可靠性高、功效强大、控制灵活、操作维护简单。近几年来，可编程序控制器及组成系统在中国冶金、电厂、轻工石化、矿业、水处理等行业更是到了广泛应用，并取得了一定经济效益。因为工业生产过程是一个分散系统。用户往往关心不只是一个控制系统（比如DEH），因为它只是整个生产过程一部分。她需要了解、控制整个控制系统。比如，电厂生产原料是煤、水，而制成品是电。所以生产过程控制（PCS）方法最好是分散进行，而监视、操作和最好化管理应以集中为好。伴随工业生产规模不停扩大，控制管理要求不停提升，过程参数日益增多，控制回路越加复杂，在70年代中期产生了集散控制系统DCS，她一经出现就受到工业控制界青睐。DCS是集计算机技术、控制技术、网络通信技术和图形显示技术于一体系统。和常规集中式控制系统相比有以下特点：1实现了分散控制。它使得系统控制危险性分散、可靠性高、投资减小、维护方便。2实现集中监视、操作和管理。使得管理和现场分离，管理更能综合化和系统化，3采取网络通信技术，这是DCS关键技术，它使得控制和管理全部具实时性，并处理系统扩充和升级问题。现在，因为PLC把专用数据高速公路（HIG HWAY）改成通用网络，并逐步将PLC之间通信规约靠拢使得PLC 有条件和其它多种计算机系统和设备实现集成，以组成大型控制系统，这使得PLC 系统含有了DCS形态，这么，基于PLCDCS系统现在在中国外全部得到了广泛应用。应该说，PLC就其现实状况和发展趋势，更靠近PCS系统所要求FCS控制系统。 不过，因为受传统设计理验影响，完全由PLC系统来组成传统DCS系统还较难于让中国保守设计院大量采取，即使国外已经有大量基于PLC组成DCS系统正在正常运行。三、我们采取什么样系统？ 我们假如有志于在工业自动化控制系统中施展才能就必需发展DCS或FCS系统。因为它是未来工控领域主流发展方向。至于采取她人DCS、FCS系统还是自己开发DCS、FCS系统就要看看到底我们含有什么样能力，在下面见解中我将要具体分析我们关键特点和到底在技术上需求什么！ 假如说以后选择控制系统，我认为应该选择代表成熟集散式控制系统DCS并含有优异现场总线控制系统FCS，它们之间应该相互兼容。（一）采取现有DCS系统 这就是我在摘要中所提及“维持现实状况坐观工控产业日新月异发展”。这种方法相对来讲无需投入较大人力、物力开发产品，只须完全选择她人产品，被动学习新知识，而自动控制开发处则充当工程调试队。这种方法就现在情况而言能够维持生存，但纵观实例是不可能有大发展。（二）采取她人硬件和软件系统（OEM）自己组成DCS系统 这种方法我们也曾经尝试过，不过，我们仅仅是降低了部分生产成本。降低产品总成本主动权不属于我们，而业绩则属于软硬件开发商。（三）和她人合作，共同开发新型DCS系统这种方法我们也曾经尝试过，产品自主权不完全属于我们。技术水平我们先不用评说。但市场接纳程度还不理想。一但合作方短时间没有足够回报率她是不可能再投入人力、物力以完善系统、提升技术水平。因为她不可能在一棵树上吊死，她还必需生存！这也是人之常情。 假如利用她人成熟产品之品牌组成全方位合作模式，应该说在世界范围是有成功例子。关键是应该认真分析、了解为何市场接纳不够？怎样才能满足市场生存要求？（四）完全自己开发DCS系统 这种想法由来已久！假如DCS开发成功，那不言而喻是一件好事！不管在电站自动化或是其它行业中，工程应用种种努力全部是在为自己而作。其产品成本完全掌握在自己手里。取得更大利润不再是一句空话。不过，我们应该在动手之前，充足了解自己到底有没有能力开发产品，又有没有能力将其推向市场。这往往是我们考虑得较多问题，从而造成我们无法下定决心关键所在。那就先让我们分析一下到底需要什么技术和人才吧！ 前面讲了DCS系统是集计算机技术、控制技术、网络通信技术和图形显示技术于一体系统。那就需要计算机、图形显示技术（软硬件件开发、系统维护），控制技术（系统工程师、硬件接口），网络通信技术（网络通讯技术及协议标准制订）。1计算机、图形显示技术（软硬件件开发、系统维护）DCS系统软件技术包含以下方面：用于控制组态软件和图形监视软件、各DI、DO、AI、AO及专用功效模件嵌入式操作系统软件及控制、管理软件。用于完成系统要求硬件平台，如工程师站计算机系统、操作员站计算机系统、DCS机柜内通用、专用模件。全部软件运算、控制指令必需经过和此相配硬件系统实施。2控制技术（系统工程师、硬件接口） 完成整个控制系统要求专业化技术知识。应该熟悉控制对象工艺过程、特征及要求。3网络通信技术（网络通讯技术及协议标准制订）DCS含有一定通讯手段，为了兼容以后FCS系统，应含有多个现场通讯手段或通讯转换卡件。需要熟悉多个通讯协议和接口（集线器、交换器、服务器及光纤通讯、光电转换接口等）。