現(xiàn)場總線與控制系統(tǒng)
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在現(xiàn)代測控領域，“開放系統(tǒng)”、“現(xiàn)場總線”這 2個詞頻繁出現(xiàn)。在自控界討論的仍然是 DCS(distribute control system),FCS(fieldbus controlystem)誰將最終成為主流控制系統(tǒng)，這場爭論的實質是利益和市場的競爭，一些既得利益者一方面要維護 DCS/ PL C的市場份額，另一方面又怕趕不上FCS的潮流，因而在自己的 DCS/ PL C系統(tǒng)中加入自己的現(xiàn)場總線；而另外一些硬、軟件生產(chǎn)商由于沒有歷史包袱，追求的是全新的控制系統(tǒng)模式，包括統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標準及軟、硬件平臺，以引導和占領未來的市場。這些控制系統(tǒng)的區(qū)別有多大，有無共同的特征，未來控制系統(tǒng)的發(fā)展方向是什么，本文試圖在這些方面做一些探討。
1我國控制系統(tǒng)結構的發(fā)展
一個控制系統(tǒng)由 I/ O設備 (傳感器和執(zhí)行器 )、控制硬件、控制軟件、人機接口及與信息系統(tǒng)的連接等組成，如圖 1所示 [1]。設備級現(xiàn)場總線使 I/O模件和控制箱得以分開，以太網(wǎng)使得現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)集成到企業(yè)應用中。
圖 1控制系統(tǒng)簡圖
80年代初期，當微機控制系統(tǒng)用于電站自動化領域時，多使用以單板機組成的微機控制裝置,與上位機系統(tǒng)連接多采用串行通信方式，所有模件集中布置在一個或幾個機柜中。由這些裝置構成的系統(tǒng)多為集中式控制系統(tǒng)或分層控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)為我國電站自動化控制系統(tǒng)發(fā)揮了重要作用,其開拓性的實踐是今天控制系統(tǒng)豐富多彩的基礎。但是，這類系統(tǒng)技術上已經(jīng)落后，不符合控制系統(tǒng)分布、開放的發(fā)展趨勢。
1.2 DCS控制系統(tǒng)
DCS在我國電力行業(yè)特別是火電廠機組控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。傳統(tǒng)的DCS主要有4層結構 ：第1層是I/ O層；第2層是控制器層；第3層是人機接口層；第 4層是企業(yè)信息系統(tǒng)層。這種結構與圖 1相近，但除在第3層、第4層之間采用以太網(wǎng)外，其他都是專用網(wǎng)絡，控制設備及軟件也是專用的，開放程度不夠，給系統(tǒng)維護及升級帶來不便。DCS在設備配置上還要求網(wǎng)絡、控制器、電源甚至模件等都為冗余結構，支持無擾切換和帶電插拔，由于設計上的高要求，導致 DCS成本太高。
1.3 PL C可編程邏輯控制器
嚴格說來，單獨的PLC因缺少人機接口及信息系統(tǒng)等部分，不是一個控制系統(tǒng)。PLC由于其高可靠性及使用的方便性，占領著很大的市場份額。從控制系統(tǒng)結構來看，傳統(tǒng)的 PLC相當于通用化的微機監(jiān)控裝置，由電源模件、CPU模件、I/O模件、槽板及擴展插箱組成，使用廠家提供的梯形圖邏輯語言進行編程。但隨著市場的需要及 DCS的挑戰(zhàn)，PL C家族在以下幾方面得到了發(fā)展 ：1分布式 I/ O連接能力方面，由于許多高檔 PLC支持遠程 I/O及現(xiàn)場總線網(wǎng)絡 (如 Device Net,Profibus等 ),使 PL C向下連接更分布；2廠級控制系統(tǒng)連接方面，許多 PL C支持高速網(wǎng)絡，如Ethernet,Control Net,Profibus等；3軟件的開放性方面，由于許多 PLC支持 OPC標準 (object linking and embedding for processcontrol),使軟、硬件平臺之間的數(shù)據(jù)通信找到了一個實現(xiàn)的標準。這種部分開放加上部分專用所構成的系統(tǒng)可能還會延續(xù)一段時間。但是，正是由于 PLC是一種通用的控制器，應用到電力系統(tǒng)作為現(xiàn)地控制裝置有其局限性，需做許多硬件和軟件上的改進工作，配置額外的設備和電路。與 DCS相比，PLC有成本上的優(yōu)勢，但可靠性、電氣性能卻不如 DCS。
1.4 FCS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)
FCS(fieldbus control system)顧名思義基于現(xiàn)場總線，根據(jù)IEC標準及現(xiàn)場總線基金會的定義：
現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式雙向傳輸、多分支結構的通信網(wǎng)絡?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)應具有以下技術特點 [2 ]：1系統(tǒng)的開放性；2互可操作性與可用性；3現(xiàn)場設備的智能化與功能自治性；4系統(tǒng)結構的高度分散性；5對現(xiàn)場環(huán)境的適應性。
由于有以上技術要求，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)將是開放系統(tǒng)的主要支撐力量。由于受集團利益的限制，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡本身目前還未形成一個單一的標準。常見的標準有 Profibus,CAN,L onworks,World Fip 及 FF (fieldbus foundation)等，人們期待著將于2 0 0 0年初頒布的最后統(tǒng)一的標準 IEC61 1 58,FF與目前的 IEC61 1 58—3. 4. 5. 6草案兼容。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)不僅需要控制系統(tǒng)設備制造商的支持，更主要的是要得到分散在現(xiàn)場的傳感器及執(zhí)行設備的支持，以取代 DCS的數(shù)字 /模擬混合技術，成為全數(shù)字式系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)才會比 DCS有很大的技術及成本優(yōu)勢。
目前的情形是，我國廣大的中小型生產(chǎn)企業(yè)還沒有 DCS,大型企業(yè)使用DCS,使用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)近幾年內難以實現(xiàn)。在這種情形下，什么是當前適合中國國情的控制系統(tǒng)呢 ?筆者認為作為過渡階段可行的方案應是 DCS— FCS結合的控制系統(tǒng)模式。這種模式采用智能 I/ O模件作為儀表上網(wǎng)的橋梁，同時節(jié)省成本；使用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡適應分布式、開放式的發(fā)展趨勢；使用開放式的控制器硬件及開放式的組態(tài)軟件代替 DCS中專用的控制器，保留DCS的冗余技術及組態(tài)技術等優(yōu)點，使用標準的開放性網(wǎng)絡以太網(wǎng)作為廠級網(wǎng)絡，而不是 DCS的專用網(wǎng)絡。隨著技術的進步、成本的進一步降低，全開放式的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)必將是未來的趨勢。
2新一代的控制系統(tǒng)的主要特征
2.1 網(wǎng)絡技術
網(wǎng)絡中研究最多的是現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)。從 1 984年現(xiàn)場總線概念的提出到目前最后的標準即將頒布，經(jīng)過了 1 5年的時間。在這期間，共產(chǎn)生了 60多個數(shù)字通信網(wǎng)絡標準以連接傳感器、現(xiàn)場設備及控制級網(wǎng)絡，有 50 0 0多種支持這些網(wǎng)絡的產(chǎn)品。這一方面說明網(wǎng)絡技術應用的廣泛，另一方面說明迫切需要一個統(tǒng)一的標準。統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標準是開放的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)必備的技術條件。以太網(wǎng)在廠站自動化中一般用于連接控制器和操作員站及管理站，這種結構叫做控制中心以網(wǎng)結構 (control-centric);以太網(wǎng)另一個發(fā)展趨勢是直接將 I/ O設備連到以太網(wǎng)或連到與以太網(wǎng)兼容的I/ O數(shù)據(jù)集中器上，這種結構叫做設備中心結構(device-centric)。前一個結構的網(wǎng)絡協(xié)議多為TCP/ IP,應用層協(xié)議沒有一個標準，建立在 FTP,Telnet,NFS等的服務成為事實上的標準；后一種結構使用的協(xié)議保留了以太網(wǎng)的物理層及鏈路層協(xié)議，在應用層使用現(xiàn)場總線定義的協(xié)議，如 FF的HSE(high speed Ethernet protocol),Control Net,Device Net等。
從以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線的交叉發(fā)展趨勢可以看出，兩者將有機地結合起來。一方面由于受環(huán)境及特種技術的要求限制，現(xiàn)場總線的低端 (即 I/ O端 )仍采用低速網(wǎng) (如 FF的 H1，Device Net或 Profibus的PA)將智能儀表等設備連接；另一方面一些兼容的智能設備采用中速網(wǎng) (如 FF的 H2或 Profibus的DP)連接控制器、數(shù)據(jù)集中器、遠程 I/ O及智能 I/ O設備；在廠級系統(tǒng)中，采用高速以太網(wǎng)連接各控制器與站級計算機，形成整個控制系統(tǒng)，這就是LAN/fieldbus的網(wǎng)絡結構。這種結構如圖 2所示 [2 ]。
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