摘要:DCS(Distributed Control System)作為一種成熟的技術(shù)在當(dāng)今的工控領(lǐng)域占有主導(dǎo)地位,但是隨著FCS (Fieldbus Control System)技術(shù)的成熟、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(Network Technology)的飛速發(fā)展、軟件技術(shù)的不斷創(chuàng)新和無(wú)線連接技術(shù)(Wireless Linking Technology)的出現(xiàn),DCS面臨諸多機(jī)遇與挑戰(zhàn),本文就是以此為基點(diǎn)展開(kāi)。
關(guān)鍵字: DCS FCS 網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 無(wú)線連接技
1 引言
過(guò)程控制作為自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用[5,15],其發(fā)展歷史可以追溯到古代,但至于在工業(yè)上的應(yīng)用只能從上個(gè)世紀(jì)20年代算起,那時(shí)的過(guò)程控制系統(tǒng)為簡(jiǎn)單系統(tǒng),儀表是基地式、大尺寸的;到二戰(zhàn)前后,各種復(fù)雜的控制系統(tǒng)發(fā)展了起來(lái),在控制器方面,單元組合式儀表應(yīng)運(yùn)而生,氣動(dòng)單元組合儀表(QDZ)和電動(dòng)單元組合儀表(DDZ)成為當(dāng)時(shí)控制儀表的主流;隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展[4],到了上個(gè)世紀(jì)70年代,微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)[4],給過(guò)程控制帶來(lái)了重大突破,數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)入到了工業(yè)控制領(lǐng)域,產(chǎn)生了第一代控制系統(tǒng):計(jì)算機(jī)集中控制系統(tǒng)CCS(Concentrated Control System),它取代了傳統(tǒng)的模擬儀表,從而能夠使用更為先進(jìn)的控制技術(shù),使過(guò)程控制發(fā)生了質(zhì)的飛躍,但由于CCS控制直接面向被控對(duì)象,并未形成控制網(wǎng)體系,集中了控制的同時(shí)也集中了危險(xiǎn);針對(duì)CCS的缺點(diǎn),沒(méi)過(guò)幾年人們就研制出了真正意義上的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)體系DCS,這種系統(tǒng)在集中控制的同時(shí)分散了危險(xiǎn),所以普遍用于當(dāng)今的工業(yè)控制領(lǐng)域,但今天的技術(shù)發(fā)展更是突飛猛進(jìn),F(xiàn)CS、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等技術(shù)對(duì)DCS構(gòu)成了極大的挑戰(zhàn)。本文就是對(duì)DCS的一些膚淺認(rèn)識(shí)。
2 當(dāng)前DCS結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其所采用的技術(shù)
2.1 硬件的網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)
典型的DCS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可分為過(guò)程控制級(jí)、控制管理級(jí)、生產(chǎn)管理級(jí)三個(gè)分級(jí)[4,16]。第一層過(guò)程控制級(jí)主要以PLC(Programmable Logical Controller)或I/O模塊通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的基本控制;第二層是控制管理級(jí),即以監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過(guò)工控網(wǎng)絡(luò)與PLC或I/O模塊相連,實(shí)現(xiàn)對(duì)流程設(shè)備的上位機(jī)監(jiān)控;第三層為生產(chǎn)管理層,即以文件服務(wù)器、管理計(jì)算機(jī)極其工業(yè)局域網(wǎng)與監(jiān)控計(jì)算機(jī)相連,隨時(shí)讀取現(xiàn)場(chǎng)信息實(shí)現(xiàn)上層的生產(chǎn)管理。這種系統(tǒng)的構(gòu)成,對(duì)于某個(gè)局部的不可靠,從而使對(duì)整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成損害的概率降
的很低,加之各種軟硬件技術(shù)的不斷走向成熟,極大地提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性,因而DCS成為了當(dāng)今工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)地主流。
2.2 軟件特點(diǎn)
由于DCS的特殊功能[3],所以它的軟件系統(tǒng)不同于我們常說(shuō)的軟件,它有自己的特點(diǎn),如圖1所示為一般DCS軟件的構(gòu)成框圖和工作原理,從中我們可以發(fā)現(xiàn),它充分體現(xiàn)了DCS的分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),對(duì)于我們來(lái)說(shuō)大量工作集中在工程師站上,而操作員站、服務(wù)器站和現(xiàn)場(chǎng)控制站一般都用其專(zhuān)用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn),我們只是學(xué)會(huì)使用就行了。
2.3 DCS的缺點(diǎn)
作為一項(xiàng)比較成熟的工程技術(shù),DCS在全世界范圍內(nèi)取得了巨大成功,但隨著時(shí)代的進(jìn)步,各種新技術(shù)的推陳出新,人們對(duì)DCS的要求也日益苛刻,所以今天的DCS呈現(xiàn)出一些不足,具體有[9]:①系統(tǒng)接線工作特別繁重,因?yàn)槊總€(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都需要用線纜連至控制室,因而為以后的查線、維護(hù)帶來(lái)許多不便;②由于采用的是標(biāo)準(zhǔn)模擬4~20mA信號(hào),不是數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,因此在信號(hào)可靠性、抗干擾等方面值得懷疑;③各種不同的DCS在互連時(shí)存在問(wèn)題,也就是說(shuō)我們?cè)谕还こ讨羞x用不同DCS聯(lián)接時(shí),在互相通訊上往往有一些麻煩,這就給系統(tǒng)集成帶來(lái)困難,因此我們需要在不同DCS的互操作性上作些工作。
3 當(dāng)前影響DCS發(fā)展的幾種主要技術(shù)
3.1 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的迅速發(fā)展
現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)是指一種新的控制系統(tǒng),它是在現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)之下形成的新型網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng),主要特點(diǎn)有[1]:①?gòu)慕Y(jié)構(gòu)上講打破了傳統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),將控制單元置入現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,加上現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的通訊功能,現(xiàn)場(chǎng)變速器可直接與閥門(mén)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)通訊,因而控制系統(tǒng)能夠不依賴(lài)于控制室的計(jì)算機(jī)而直接現(xiàn)場(chǎng)完成控制,實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制;②從采用技術(shù)上講,F(xiàn)CS是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng),存在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致性、公開(kāi)性,所以只要遵守相同的標(biāo)準(zhǔn)就可以實(shí)現(xiàn)各種不同設(shè)備的互聯(lián),對(duì)用戶(hù)而言就可以按照自
己的需要,組織不同廠商的產(chǎn)品,構(gòu)建適合自己的最經(jīng)濟(jì)有效的系統(tǒng);③從可靠性上講,它由于采用了全數(shù)字信號(hào)通訊,加之現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性,所以具有更高的可靠性,而且在布線和維護(hù)上帶來(lái)許多便利。
從目前全球現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展來(lái)看,F(xiàn)CS已經(jīng)有十多年的歷史,技術(shù)已趨于成熟,并形成了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),也有成功用于過(guò)程控制的例子,因此有人認(rèn)為FCS將會(huì)代替DCS,成為新一代控制系統(tǒng)。
3.2 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展
控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,其基本趨勢(shì)是逐漸走向開(kāi)放、透明的通訊協(xié)議,但在DCS中應(yīng)用的各種現(xiàn)場(chǎng)總線,其開(kāi)放性是不徹底的,相比而言以太網(wǎng)有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢(shì),同時(shí)它又支持所以流行的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,所以在商業(yè)系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。近年來(lái),隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展成熟,以太網(wǎng)已經(jīng)進(jìn)入到控制領(lǐng)域,形成了新型的以太網(wǎng)控制技術(shù)。下面就是對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)的特性作一分析。傳統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)采用隨機(jī)訪問(wèn)協(xié)議——帶沖突檢測(cè)的載波偵聽(tīng)多路存取[2](CSMA/CD),通過(guò)它進(jìn)行介質(zhì)訪問(wèn)控制,對(duì)于響應(yīng)時(shí)間要求嚴(yán)格的控制過(guò)程會(huì)可能產(chǎn)生碰撞沖突,但近年來(lái)出現(xiàn)的快速交換式以太網(wǎng)技術(shù),采用全雙工通訊,可以完全避免CSMA/CD中的碰撞,并且可以方便的實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)機(jī)制,保證網(wǎng)絡(luò)帶寬的最大利用率和最好實(shí)時(shí)性,并且網(wǎng)速也在不斷提高,從10M發(fā)展到快速以太網(wǎng)100M、1000M,GM級(jí)的以太網(wǎng)技術(shù)也在研究之中,因此有理由相信未來(lái)的以太網(wǎng)完全可以滿(mǎn)足工控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。
3.3 無(wú)線連接技術(shù)
無(wú)線連接(Wireless Linking)技術(shù)在目前常見(jiàn)應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)采集[12,18],而用在控制工程上的很少,但隨著這種技術(shù)的日趨成熟和越來(lái)越標(biāo)準(zhǔn)化,在工控領(lǐng)域大范圍應(yīng)用也可成為可能,特別是值得一提的是藍(lán)牙(Bluetooth)技術(shù)正為人們所關(guān)注[13],下面就以它為例簡(jiǎn)要介紹一下這種技術(shù)的特點(diǎn):使用2.4GHz的ISM頻段;采用FM調(diào)制方式。該技術(shù)的傳輸速率設(shè)計(jì)為1MHz,以時(shí)分方式進(jìn)行全雙工通信,現(xiàn)在的通訊距離為10~100m,由此可見(jiàn)要在工控領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用必須擴(kuò)大通訊距離。特別值得一提的是在參考資料[17]中,一種基于無(wú)線連接的鐘擺控制已在實(shí)驗(yàn)室取得成功,這為我們?cè)诠た仡I(lǐng)域采用這種技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。
3.4 軟件技術(shù)的發(fā)展
從工程角度講,隨著硬件性能的大幅度提高,如何有效的組織利用它們,充分發(fā)揮其潛能是工程軟件師面臨的主要課題,就從目前工程界來(lái)講,各種獨(dú)立的SCADA軟件包越來(lái)越成熟,也被更多的用戶(hù)接受,在這里我想講的是新興的軟連接技術(shù)用于工控領(lǐng)域,例如:ODBC、OLEDB、OPC、COM等,特別是OPC(OLE For Process Control)技術(shù)[6,18],是將COM引入工業(yè)過(guò)程的一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),滿(mǎn)足這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備都能同其他OPC客戶(hù)程序進(jìn)行通訊,它的工作方式如圖2所示,這種技術(shù)建立了一組符合工業(yè)控制要求的接口規(guī)范,將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)與SCADA、HMI等軟件無(wú)縫連接起來(lái),同時(shí)將硬件與應(yīng)用軟件有效地分離開(kāi),只要設(shè)備有OPC接口的服務(wù)器,任何支持其接口地客戶(hù)程序都可以采用統(tǒng)一方式對(duì)不同廠商的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)存
取,無(wú)須重復(fù)開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序,這樣就大大提高了控制系統(tǒng)的互操作性和適應(yīng)性。
4 今后DCS的發(fā)展趨勢(shì)
通過(guò)以上的分析可以看出[19],工業(yè)控制領(lǐng)域中各種新技術(shù)不斷涌現(xiàn),新的控制方案和思想對(duì)傳統(tǒng)對(duì)DCS控制發(fā)起了有力挑戰(zhàn),但從另一方面看,這些技術(shù)又為DCS的發(fā)展提供了更多的機(jī)遇,所以DCS要緊跟時(shí)代步伐,不斷采用最新的技術(shù)和思想來(lái)充實(shí)、完善自己,就是做到“與時(shí)俱進(jìn)”,下面就針對(duì)上文提出一些DCS發(fā)展趨勢(shì)。
4.1 充分利用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將DCS進(jìn)一步分散化
上面可以看出FCS有許多優(yōu)點(diǎn),但在實(shí)際應(yīng)用之中完全的FCS很少,究其原因主要有:①開(kāi)發(fā)具有現(xiàn)場(chǎng)總線接口的設(shè)備成本過(guò)高,對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)將傳統(tǒng)的儀表?yè)Q為總線儀表花費(fèi)過(guò)高;②雖然現(xiàn)場(chǎng)總線已經(jīng)形成標(biāo)準(zhǔn),但標(biāo)準(zhǔn)太多(IEC規(guī)定的就有8種標(biāo)準(zhǔn)總線),而且各種標(biāo)準(zhǔn)之間互相排斥,做到完全統(tǒng)一尚須時(shí)日;③對(duì)一些復(fù)雜的工藝過(guò)程DCS現(xiàn)場(chǎng)控制站的組態(tài)控制有優(yōu)越性,能夠組態(tài)先進(jìn)復(fù)雜的控制策略,但FCS無(wú)法與之相比。
對(duì)于我們而言,既要利用FCS技術(shù)的先進(jìn)性,又要適應(yīng)客觀實(shí)際,這就需要將FCS技術(shù)融于DCS之中,采用結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換[3],具體就是將DCS中的I/O模塊從控制柜中分離出來(lái),移至現(xiàn)場(chǎng)來(lái)完成數(shù)據(jù)采集和通訊,對(duì)一些簡(jiǎn)單的控制下放到現(xiàn)場(chǎng),而對(duì)復(fù)雜的控制策略繼續(xù)由DCS控制實(shí)現(xiàn),這樣就組成了DCS和FCS混合的控制系統(tǒng),它兼得二者優(yōu)點(diǎn),不失為一種可選的控制思想。
4.2 將工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步引入DCS,將其完全網(wǎng)絡(luò)化
DCS數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)是典型的局域網(wǎng)通訊,當(dāng)今的DCS都采用工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)來(lái)傳輸實(shí)時(shí)信息,進(jìn)行全系統(tǒng)綜合管理,但在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)中與各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通訊多采用現(xiàn)場(chǎng)總線方式,它的傳輸速率較之以太網(wǎng)低,產(chǎn)品價(jià)格卻大大高于以太網(wǎng)產(chǎn)品,相比而言,以太網(wǎng)設(shè)備價(jià)格低廉、標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際統(tǒng)一,已有近20年發(fā)展歷史,人們對(duì)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、CSMA/CD協(xié)議和系統(tǒng)協(xié)議提出了許多改進(jìn)措施,從根本上解除了沖突碰撞,而信號(hào)傳輸速度有了大幅度提升,從另外一方面講,以太網(wǎng)的進(jìn)一步滲入現(xiàn)場(chǎng)級(jí)使得整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)更加容易集成,所以將以太網(wǎng)技術(shù)引入工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)級(jí)是DCS未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要方向。
4.3 將無(wú)線連接技術(shù)引入DCS系統(tǒng)
目前的DCS中數(shù)據(jù)采集設(shè)備都采用專(zhuān)用電纜和控制室相連,這樣在系統(tǒng)接線、查線、維護(hù)等方面造成很多不便,從而限制了DCS的使用范圍和空間距離,如果我們采用如圖3的無(wú)線連接網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[7],則可省去繁重的接線,同時(shí)減少了投資,提高系統(tǒng)了性能,雖然目前這項(xiàng)技術(shù)還不是很成熟,但“沒(méi)有做不到,只有想不到”,因此有理由相信隨著它的技術(shù)進(jìn)步,無(wú)線連接技術(shù)在DCS中大顯身手并非神化。
5總結(jié)
DCS技術(shù)風(fēng)雨歷程已有近30年的歷史,30年來(lái)它為全世界自動(dòng)化業(yè)作出了巨大的貢獻(xiàn),但任何一種事物的出現(xiàn)必是一個(gè)過(guò)程,有其輝煌的鼎盛,也伴隨著無(wú)奈的終結(jié),在人類(lèi)科技高速發(fā)展的今天,這一過(guò)程也正在縮短它的周期,DCS也不例外,科學(xué)技術(shù)成就了它的輝煌,同時(shí)也會(huì)使它走向沒(méi)落。但從今天工業(yè)控制領(lǐng)域來(lái)看,現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng)遲遲不能解決,各種總線之間互相排斥,難以在短期內(nèi)形成國(guó)際統(tǒng)一的唯一標(biāo)準(zhǔn),所以FCS要想完全替代DCS尚須時(shí)日,但這并不是意味著DCS可以高枕無(wú)憂(yōu),相反應(yīng)該充分利用FCS的先進(jìn)技術(shù)來(lái)完善自己;從網(wǎng)絡(luò)通訊方面來(lái)講,通訊可靠性與實(shí)時(shí)性的解決,為其在DCS中運(yùn)用提供了廣闊的天地,DCS要充分利用它來(lái)構(gòu)筑我們未來(lái)的企業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò);從軟件方面來(lái)看,目前的各種DCS組態(tài)軟件功能已十分強(qiáng)大,因此以后的發(fā)展方向應(yīng)在各種軟件(包括DCS與DCS、DCS與其他軟件)之間互相通訊——軟連接上下工夫,促使DCS的大同化;作為一種新出現(xiàn)的技術(shù),無(wú)線連接技術(shù)還顯幼嫩,但它代表了一種全新的思路,DCS應(yīng)時(shí)刻關(guān)注它的發(fā)展,在技術(shù)成熟時(shí)將其引入自己的系統(tǒng)。
綜上所述,DCS作為一項(xiàng)成熟的工程技術(shù),面對(duì)諸多挑戰(zhàn)應(yīng)發(fā)揮自己的長(zhǎng)處,并不斷采用最新的技術(shù),完善自己的功能,使之與時(shí)代的發(fā)展保持同步。
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