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    DCS相關控制系統
    發布者：福建福州瀾瑞自動化設備有限公司  發布時間：2011-03-24 01:14:26  訪問次數：798

    總述

    　　計算機和網絡技術的飛速發展，引起了自動化控制系統結構的變革，一種世界上最新型的控制系統即現場總線控制系統（Fieldbus Control System，FCS）在上世紀九十年代走向實用化，并正以迅猛的勢頭快速發展。現場總線控制系統是目前自動化技術中的一個熱點，正越來越受到國內外自動化設備制造商與用戶的關注。現場總線控制系統的出現，將給自動化領域在過程控制系統上帶來又一次革命，其深度和廣度將超過歷史的任何一次，從而開創自動化的新紀元。
    　　FCS可以說是第五代過程控制系統，是由PLC（Programmable Controller）或DCS（Distributed Control System）發展而來的。FCS與PLC及DCS之間有千絲萬縷的聯系，又存在著本質的差異。本文針對PLC、DCS、FCS三大控制系統的特點、性能和差異作一分析。
    　　1 PLC、FCS三大控制系統的基本特點
    　　目前，在連續型流程生產工業過程控制中，有三大控制系統，即PLC、DCS和FCS。它們各自的基本特點如下：

    PLC

    　　（1）從開關量控制發展到順序控制、運算處理，是從下往上的。
    　　（2）邏輯控制、定時控制、 計數控制、 步進(順序)控制、連續PID控制、 數據控制――PLC具有數據處理能力、 通信和聯網等多功能。
    　　（3）可用一臺PC機為主站，多臺同型PLC為從站。
    　　（4）也可一臺PLC為主站，多臺同型PLC為從站，構成PLC網絡。這比用PC機作主站方便之處是：有用戶編程時，不必知道通信協議，只要按說明書格式寫就行。
    　　（5）PLC網絡既可作為獨立DCS/TDCS，也可作為DCS/TDCS的子系統。
    　　（6）主要用于工業過程中的順序控制，新型PLC也兼有閉環控制功能。

    FCS

    　　（1）FCS是第五代過程控制系統，它是21世紀自動化控制系統的方向。是3C技術（Communication，Computer， Control）的融合。基本任務是：本質（本征）安全、危險區域、易變過程、難于對付的非常環境。
    　　（2）全數字化、智能、多功能取代模擬式單功能儀器、儀表、控制裝置。
    　　（3）用兩根線聯接分散的現場儀表、控制裝置，取代每臺儀表的兩根線。“現場控制”取代“分散控制”；數據的傳輸采用“總線”方式。
    　　（4）從控制室到現場設備的雙向數字通信總線，是互聯的、雙向的、串行多節點、開放的數字通信系統取代單向的、單點、并行、封閉的模擬系統。
    　　（5）用分散的虛擬控制站取代集中的控制站。
    　　（6）把微機處理器轉入現場自控設備，使設備具有數字計算和數字通信能力，信號傳輸精度高，遠程傳輸。實現信號傳輸全數字化、控制功能分散、標準統一全開放。
    　　（7）可上局域網，再可與internet相通。既是通信網絡，又是控制網絡。
    　　（8）3類FCS的典型應用：1) 連續的工藝過程自動控制如石油化工，其中“本安防爆”技術是絕對重要的；2）分立的工藝動作自動控制如汽車制造機器人、汽車；3）多點控制如樓宇自動化。
    　　這三大控制系統，尤其是DCS、PLC，都在電站得到了廣泛應用，而且效果也非常好。

    系統差異

    　　差異
    　　2.1.1 DCS或PLC
    　　PLC系統與DCS系統的結構差異不大，只是在功能的著重點上的不同，DCS著重于閉環控制及數據處理。PLC著重于邏輯控制及開關量的控制，也可實現模擬量控制。
    　　DCS或PLC系統的關鍵是通信。也可以說數據公路是分散控制系統DCS及PLC的脊柱。由于它的任務是為系統所有部件之間提供通信網絡，因此，數據公路自身的設計就決定了總體的靈活性和安全性。數據公路的媒體可以是：一對絞線、同軸電纜或光纖電纜。
    　　DCS的特點是：（1）控制功能強。可實現復雜的控制規律，如串級、前饋、解耦、自適應、最優和非線性控制等。也可實現順序控制。（2）系統可靠性高。（3）采用CRT操作站有良好的人機界面。（4）軟硬件采用模塊化積木式結構。（5）系統容易開發。（6）用組態軟件，編程簡單，操作方便。（7）有良好的性價比。
    　　通過數據公路的設計參數，基本上可以了解一個特定DCS或PLC系統的相對優點與弱點。
    　　（1）系統能處理多少I/O信息。
    　　（2）系統能處理多少與控制有關的控制回路的信息。
    　　（3）能適應多少用戶和裝置（CRT、控制站等）。
    　　（4）傳輸數據的完整性是怎樣徹底檢查的。
    　　（5）數據公路的最大允許長度是多少。
    　　（6）數據公路能支持多少支路。
    　　（7）數據公路是否能支持由其它制造廠生產的硬件（可編程序控制器、計算機、數據記錄裝置等）。為保證通信的完整，大部分DCS或PLC廠家都能提供冗余數據公路。
    　　為了保證系統的安全性，使用了復雜的通信規約和檢錯技術。所謂通信規約就是一組規則，用以保證所傳輸的數據接收與發送。
    　　目前在DCS和PLC系統中一般使用兩類通信手段，即同步的和異步的，同步通信依靠一個時鐘信號來調節數據的傳輸和接收，異步網絡采用沒有時鐘的報告系統。
    　　2.1.2 FCS
    　　FCS具有（1）很好的開放性、互操作性和互換性。（2）全數字通信。（3）智能化與功能自治性。（4）高度分散性。（5）很強的適用性。
    　　FCS的關鍵要點有三點：
    　　（1）FCS系統的核心是總線協議，即總線標準。
    　　采用雙絞線、光纜或無線電方式傳輸數字信號，減少大量導線，提高了可靠性和抗干擾能力。FCS從傳感器、變送器到調節器一直是數字信號，這就使我們很容易地處理更復雜、更精確的信號，同時數字通信的差錯功能可檢出傳輸中的誤碼。
    　　FCS可以將PID控制徹底分散到現場設備（Field Device）中。基于現場總線的FCS又是全分散、全數字化、全開放和可互操作的新一代生產過程自動化系統，它將取代現場一對一的4～20mA模擬信號線，給傳統的工業自動化控制系統體系結構帶來革命性的變化。
    　　根據IEC61158的定義，現場總線是安裝在制造或過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡。現場總線使測控設備具備了數字計算和數字通信能力，提高了信號的測量、傳輸和控制精度，提高了系統與設備的功能、性能。IEC/TC65的SC65C/WG6工作組于1984年開始致力于推出世界上單一的現場總線標準工作，走過了16年的艱難歷程，于1993年推出了IEC61158-2，之后的標準制定就陷于混亂。2000年初公布的IEC61158現場總線國際標準子集有八種，分別為：
    　　①類型1 IEC技術報告（FFH1）；②類型2 Control-NET（美國Rockwell公司支持）；③類型3 Profibus（德國Siemens公司支持）；④類型4 P-NET（丹麥Process Data公司支持）；⑤類型5 FFHSE（原FFH2）高速以太網（美國Fisher Rosemount公司支持）；⑥類型6 Swift-Net（美國波音公司支持）；⑦類型7 WorldFIP（法國Alsto公司支持）；⑧類型8 Interbus（美國Phoenix Contact公司支持）。
    　　除了IEC61158的8種現場總線外，IEC TC17B通過了三種總線標準：SDS（Smart Distributed System）；ASI（Actuator Sensor Interface）；Device NET。另外，ISO公布了ISO 11898 CAN標準。其中Device NET于2002年10月8日被中國批準為國家標準，并于2003年4月1日開始實施。
    　　所以，要實現這些總線類型的相互兼容和互操作，就目前狀態而言，幾乎是不可能的。開放的現場總線控制系統的互操作性，就一個特定類型的現場總線而言，只要遵循同一類型現場總線的總線協議，對其產品是開放的，并具有互操作性。換句話說，不論什么廠家的產品，也不一家是該現場總線公司的產品，只要遵循同一類型總線的總線協議，產品之間是開放的，并具有互操作性，就可以組成總線網絡。
    　　另外，FCS還可以通過網關和企業的上級管理網絡相連，以便管理者掌握第一手資料，為決策提供依據。所以現場總線具有開放性、互操作性、系統結構的高度分散性、靈活的網絡拓撲結構、現場設備的高度智能化、對環境的高度適應性等諸多突出特點。
    　　（2）FCS系統的基礎是數字智能現場裝置
    　　控制功能下放到現場儀表中，控制室內儀表裝置主要完成數據處理、監督控制、優化控制、協調控制和管理自動化等功能。
    　　數字智能現場裝置是FCS系統的硬件支撐，是基礎；道理很簡單，FCS系統執行的是自動控制裝置與現場裝置之間的雙向數字通信現場總線信號制。現場裝置必須遵循統一的總線協議，即相關的通訊規約，具備數字通信功能，能實現雙向數字通。再一點，現場總線的一大特點就是要增加現場一級控制功能。
    　　（3）FCS系統的本質是信息處理現場化
    　　對于一個控制系統，無論是采用DCS還是采用現場總線，系統需要處理的信息量至少是一樣多的。實際上，采用現場總線后，可以從現場得到更多的信息。現場總線系統的信息量沒有減少，甚至增加了，而傳輸信息的線纜卻大大減少了。這就要求一方面要大大提高線纜傳輸信息的能力，另一方面要讓大量信息在現場就地完成處理，減少現場與控制機房之間的信息往返。可以說現場總線的本質就是信息處理的現場化。
    　　由現場智能儀表完成數據采集、數據處理、控制運算和數據輸出等功能。現場儀表的數據（包括采集的數據和診斷數據）通過現場總線傳送到控制室的控制設備上，控制室的控制設備用來監視各個現場儀表的運行狀態，保存智能儀表上傳的數據，同時完成少量現場儀表無法完成的高級控制功能。
    　　2.2 典型系統比較
    　　通過使用現場總線，用戶可以大量減少現場接線，用單個現場儀表可實現多變量通信，不同制造廠生產的裝置間可以完全互操作，增加現場一級的控制功能，系統集成大大簡化，并且維護十分簡便。
    　　傳統的過程控制儀表系統每個現場裝置到控制室都需使用一對專用的電纜或雙絞線，以傳送4mA~20mA信號。現場總線系統中，每個現場裝置到接線盒的雙絞線仍然可以使用，但是從現場接線盒到中央控制室僅用一根雙絞線完成數字通信。
    　　通過采用現場總線控制系統，到底能節省多少電纜，編者就不作詳細的計算。

    應用差異

    　　上述的比較是偏重于純技術性的比較，下面就DCS與FCS系統在具體應用方面進行比較。前題是DCS系統與典型的、理想的FCS系統進行比較。
    　　具體比較：
    　　（1）DCS系統是個大系統，其控制器的功能強而且在系統中的作用十分重要，數據公路更是系統的關鍵，所以，必須整體投資一步到位，事后的擴容難度較大。而FCS功能下放較徹底，信息處理現場化，數字智能現場裝置的廣泛采用，使得控制器功能與重要性相對減弱。因此，FCS系統投資起點低，可以邊用、邊擴、邊投運。
    　　（2）DCS系統是封閉式系統，各公司產品基本不兼容。而FCS系統是開放式系統，不同廠商、不同品牌的各種產品基本能同時連入同一現場總線，達到最佳的系統集成。
    　　（3）DCS系統的信息全都是二進制或模擬信號形成的，必須通過D/A與A/D轉換。而FCS系統將D/A與A/D轉換在現場一次表完成，實現全數字化通信，使精度得到大的提高，可提高到0.1%。并且FCS系統可以將PID閉環控制功能裝入現場設備中，縮短了控制周期，提高運算速度，從而改善調節性能。
    　　（4）DCS它可以控制和監視工藝全過程，對自身進行診斷、維護和組態。但是，由于自身的致命弱點，其I/O信號采用傳統的模擬量信號，因此，它無法在DCS工程師站上對現場儀表（含變送器、執行器等）進行遠方診斷、維護和組態。FCS采用全數字化技術，數字智能現場裝置發送多變量信息，而不僅僅是單變量信息，并且還具備檢測信息差錯的功能。FCS采用的是雙向數字通信現場總線信號制。因此，它可以對現場裝置（含變送器、執行機構等）進行遠方診斷、維護和組態。
    　　（5）FCS由于信息處理現場化，與DCS相比可以省去相當數量的隔離器、端子柜、I/O終端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜，同時也節省了I/O裝置及裝置室的空間與占地面積。同時，FCS可以減少大量電纜與敷設電纜用的橋架等，同時也節省了設計、安裝和維護費用。
    　　（6）FCS相對于DCS組態簡單，由于結構、性能標準化，便于安裝、運行、維護。

    發展前景

    　　大家都知道FCS是由PLC或DCS發展而來，現在FCS系統被廣泛的應用，那么，PLC與DCS前景又將如何。
    　　PLC于20世紀60年代末期在美國首先出現，目的是用來取代繼電器，執行邏輯、計時、計數等順序控制功能，建立柔性程序控制系統。1976年正式命名，并給予定義：PLC（Programmable logic Controller）是一種數字控制專用電子計算機，它使用了可編程序存儲器儲存指令，執行諸如邏輯、順序、計時、計數與演算等功能，并通過模擬和數字輸入、輸出等組件，控制各種機械或工作程序。經過30多年的發展，PLC已十分成熟與完善，并具有強大的運算、處理和數據傳輸功能。并定義為可編程控制器（Programmable Controller　PLC）。PLC在FCS系統中的地位似乎已被確定并無多少爭論。PLC作為一個站掛在高速總線上。充分發揮PLC在處理開關量方面的優勢。另外，電廠輔助車間，例如水處理車間、循環水車間、除灰除渣車間、輸煤車間等，這些車間的工藝過程多以順序控制為主。PLC對于順序控制有其獨特的優勢。輔助車間的控制系統應以遵循現場總線通訊協議的PLC或能與FCS進行通訊交換信息的PLC為優選對象。
    　　現場總線的應用是工業過程控制發展的主流之一。可以說FCS的發展應用是自動化領域一場革命。采用現場總線技術構造低成本現場總線控制系統，促進現場儀表的智能化、控制功能分散化、控制系統開放化，符合工業控制系統技術發展趨勢。總之，計算機控制系統的發展在經歷了基地式氣動儀表控制系統、電動單元組合式模擬儀表控制系統、集中式數字控制系統以及集散控制系統（DCS）后，將朝著現場總線控制系統（FCS）的方向發展。雖然以現場總線為基礎的FCS發展很快，但FCS發展還有很多工作要做，如統一標準、儀表智能化等。另外，傳統控制系統的維護和改造還需要DCS，因此FCS完全取代傳統的DCS還需要一個漫長的過程，同時DCS本身也在不斷的發展與完善。可以肯定的是，結合DCS、工業以太網、先進控制等新技術的FCS將具有強大的生命力。工業以太網以及現場總線技術作為一種靈活、方便、可靠的數據傳輸方式，在工業現場得到了越來越多的應用，并將在控制領域中占有更加重要的地位。

    結論

    　　在未來，工業過程控制系統中，數字技術向智能化、開放性、網絡化、信息化發展，同時，工業控制軟件也將向標準化、網絡化、智能化、開放性發展。因此現場總線控制系統FCS的出現，數字式分散控制DCS及PLC并不會消亡，DCS及PLC系統會更加向智能化、開放性、網絡化、信息化發展。或只是將過去處于控制系統中心地位的DCS移到現場總線的一個站點上去。這樣說，DCS或PLC處于控制系統中心地位的局面從此將被打破。今后的控制系統將會是：FCS處于控制系統中心地位，兼有DCS、PLC系統一種新型標準化、智能化、開放性、網絡化、信息化控制系統。
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