DCS、FCS、CIPS 3種系統的集成與應用

1　引　言

　　隨著(zhù)生產(chǎn)由簡(jiǎn)單過(guò)程向大型化、連續化、集成化和復雜化方向發(fā)展，與之相應的控制技術(shù)、控制理論、控制系統和控制工具都發(fā)生了很大的變化。即控制技術(shù)由單變量控制技術(shù)發(fā)展到多變量協(xié)調控制技術(shù)；控制理論由經(jīng)典控制理論（基于頻域法）發(fā)展到現代控制理論（基于時(shí)域法）和智能控制理論（基于規則、知識）；控制系統由簡(jiǎn)單控制系統（如：PID控制、串級、比值、前饋、Smith等）發(fā)展到先進(jìn)控制系統（如：預測、推斷、模糊、神經(jīng)、魯棒等控制）和綜合自動(dòng)化系統（控制、管理與決策一體化）；控制工具由常規儀器儀表發(fā)展到計算機及其網(wǎng)絡(luò )。

　　計算機技術(shù)的發(fā)展為先進(jìn)控制的實(shí)現奠定了物質(zhì)基礎，而控制技術(shù)的應用又促進(jìn)了計算機技術(shù)的發(fā)展，兩者密切相關(guān)。以計算機為主的控制系統經(jīng)歷了DDC（Direct Digital Control—單機控制系統）、DCS（Distributed Control System—集散控制系統）、FCS（Field Bus Control System—現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統）和CIPS（ComputerIntegrated Process System—計算機集成過(guò)程控制系統）四個(gè)發(fā)展階段。

　　DDC控制集中、危險也集中，一般采用雙機／多機系統冗余結構，來(lái)保證控制系統的可靠性。為進(jìn)一步提高控制系統的可靠性，70年代中推出了DCS系統。80年代中～90年代初是DCS發(fā)展的頂峰時(shí)期，DCS應用廣泛，技術(shù)成熟。國內企業(yè)紛紛引進(jìn)各種成套的DCS產(chǎn)品，如Honywell的TDC－3000／S9000、WestingHouse的WDPFⅡ／Ⅲ、Bailey的INFI－90、Foxboro的I／AS系、橫河的Centum－XL／μXL等。但各廠(chǎng)家的DCS自成封閉的通信體系，難以實(shí)現企業(yè)內各種DCS系統的集成與綜合。

　　90年代出現的新型FCS則突破了DCS系統中通信由專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )的封閉系統來(lái)實(shí)現所造成的缺陷，把基于封閉、專(zhuān)用的解決方案變成了基于公開(kāi)化、標準化的解決方案。FCS及其應用是當今研究的熱點(diǎn)。

　　以現場(chǎng)總線(xiàn)／DCS為基礎的綜合自動(dòng)化系統CIPS集過(guò)程控制與綜合管理（經(jīng)營(yíng)決策、管理、計劃、調度等）于一體，便于企業(yè)能快速適應風(fēng)云變換的市場(chǎng)，以增強企業(yè)的競爭力。CIPS的實(shí)現是未來(lái)追求的目標。

2　DCS、FCS、CIPS的體系結構與特點(diǎn)

2．1　DCS

　　典型DCS系統的體系結構一般為三層，即管理級、監控級（工程師站／操作站）和過(guò)程控制級，有三DCS過(guò)程控制器與現場(chǎng)變送器、執行器之間的連接采用一對一的設備連接方式，需消耗大量的連接電纜且安裝和維護費時(shí)費力，如圖2—1所示。DCS屬“半數字”系統，還需大量的AI／AO、DI／DO和PI／PO等中間模板來(lái)完成模擬量與數字量間的信息轉換。

2．2　FCS

　　FCS系統由于采用了智能現場(chǎng)設備和現場(chǎng)總線(xiàn)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①采用一對N的設備連接方式，成本低

　　FCS屬“純數字”系統，無(wú)需AI／AO、DI／DO和PI／PO中間模板?；诂F場(chǎng)總線(xiàn)的現場(chǎng)設備與操作站之間是一種全數字化、串行、雙向、多站的通信模式，系統的可靠性高。而且，用數字信號替代模擬信號傳輸，在一對雙絞線(xiàn)或一條電纜上可掛接多個(gè)現場(chǎng)設備，節省硬件數量與投資，節省安裝費用，系統的成本低，如圖2—2所示。

②實(shí)現了徹底的分散控制

　　能夠將原先DCS系統中處于控制室的控制功能置入現場(chǎng)設備，直接在現場(chǎng)完成，即就地采集信息、就地處理、就地控制。上位機主要對其進(jìn)行總體監督、協(xié)調、優(yōu)化控制與管理，實(shí)現了徹底的分散控制。

③開(kāi)放性與互操作性簡(jiǎn)化了系統的集成　　現場(chǎng)總線(xiàn)的最大特點(diǎn)是采用統一的協(xié)議標準，使之具有開(kāi)放性和互操作性，不同廠(chǎng)家的現場(chǎng)設備可方便地接入同一網(wǎng)絡(luò )中，且可相互訪(fǎng)問(wèn)，簡(jiǎn)化了系統的集成。

④信息綜合，組態(tài)靈活

　　通過(guò)數字化傳輸現場(chǎng)數據，FCS能獲取現場(chǎng)設備的各種狀態(tài)、診斷信息，實(shí)現實(shí)時(shí)的系統監控和管理。FCS引入了功能塊概念，使得組態(tài)十分方便、靈活，不同現場(chǎng)設備中的功能塊可以構成完整的控制回路；可在上位機上進(jìn)行組態(tài)，完成之后再下裝至現場(chǎng)設備；用戶(hù)根據標識符來(lái)指定某一設備，不需考慮設備地址、存儲地址等。

　　總之，現場(chǎng)總線(xiàn)具有全分散、全數字化、智能、雙向、多變量、多點(diǎn)、多站、互操作的特點(diǎn)，是過(guò)程控制系統實(shí)現的基礎，也是綜合自動(dòng)化系統CIPS數據信息流的起點(diǎn)。

2．3　CIPS

　　集常規控制、先進(jìn)控制、在線(xiàn)優(yōu)化、生產(chǎn)調度、企業(yè)管理、經(jīng)營(yíng)決策等功能于一體的綜合自動(dòng)化系統CIPS是當前自動(dòng)化發(fā)展的趨勢和熱點(diǎn)。CIPS是在計算機通信網(wǎng)絡(luò )和分布式數據庫的支持下，實(shí)現信息與功能的集成、綜合管理與決策，最終形成一個(gè)能適應生產(chǎn)環(huán)境不確定性和市場(chǎng)需求多變性的全局最優(yōu)的高質(zhì)量、高柔性、高效益的智能生產(chǎn)系統。

　　根據連續生產(chǎn)過(guò)程控制與工程總體優(yōu)化、信息集成的需求，CIPS工程可由生產(chǎn)過(guò)程控制分系統、企業(yè)綜合管理分系統、集成支持分系統、人與組織分系統4個(gè)分系統及相應的下層子系統組成，如圖2—3所示。

3　DCS、FCS、CIPS的集成

　　計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，解決了企業(yè)辦公自動(dòng)化的問(wèn)題，即企業(yè)高層的計算機設備互連問(wèn)題較易實(shí)現。而企業(yè)過(guò)程控制級采用的設備可能是各個(gè)時(shí)期或各個(gè)廠(chǎng)家的產(chǎn)品，是個(gè)異構環(huán)境?？紤]控制技術(shù)和生產(chǎn)的延續性與企業(yè)的投資效益，不可能完全擯棄原有可行系統，而采用全新技術(shù)和設備。企業(yè)現場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò )必將出現多種總線(xiàn)共存、多種系統集成和多種技術(shù)集成的局面。

3．1　FCS與DCS的集成

　　多種系統的集成是指現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統FCS與傳統控制系統（DCS、PLC……）的集成及各種現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統FCS之間的集成（因目前仍存在多種現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議，如：FF、Profibus、CAN、LonWorks和HART等）。

　　FCS與DCS集成主要體現在現場(chǎng)通信協(xié)議的相容和組態(tài)、監控、操作軟件的統一。

　　DCS應用廣泛、技術(shù)成熟，尤其它在先進(jìn)控制方面已有多年應用?，F場(chǎng)總線(xiàn)的功能模塊一般只能解決基本的控制問(wèn)題，而且在現有的技術(shù)條件和市場(chǎng)條件下，FCS還不能完全取代DCS，而應考慮兩者的集成，以綜合DCS和FCS的優(yōu)勢。即FCS實(shí)現基本的測控回路，DCS作為高一層的管理協(xié)調者實(shí)現復雜的先進(jìn)控制和優(yōu)化功能。

　　目前，DCS和FCS可以在3個(gè)層次上實(shí)現集成，如圖3—1a、圖3—1b、圖3—1c所示；

　　a．現場(chǎng)總線(xiàn)集成在DCS的I／O層次上，即現場(chǎng)總線(xiàn)設備在DCS中作為I／O卡件的功能出現。

　　b．現場(chǎng)總線(xiàn)集成在DCS網(wǎng)絡(luò )上，即現場(chǎng)總線(xiàn)通過(guò)一個(gè)現場(chǎng)總線(xiàn)接口單元掛在DCS的通信網(wǎng)絡(luò )上。

　　c．DCS和FCS獨立工作，通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)現通信協(xié)議的轉換和信息的互訪(fǎng)。

　　以上3種集成途徑的應用中可能會(huì )遇到一些實(shí)際困難，因DCS的設計要素不同于FCS，DCS的封閉性限制了現場(chǎng)總線(xiàn)分散化、網(wǎng)絡(luò )化特點(diǎn)的實(shí)現。不同的DCS與不同的FCS集成需相應的轉換協(xié)議，會(huì )出現多種協(xié)議共存于現場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò )的局面。

3．2　基于現場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò )的CIPS

　　CIPS是集管理與控制于一體的綜合自動(dòng)化系統，往往采用多級遞階控制體系結構（基本控制→先進(jìn)控制→約束控制→局部?jì)?yōu)化→全局優(yōu)化→綜合管理與決策）和“分解／綜合、協(xié)調”的方法?，F場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò )是傳輸過(guò)程信息的基礎與關(guān)鍵，是CIPS數據信息流的起點(diǎn)。只有獲得過(guò)程的大量信息，CIPS才能進(jìn)行系統的優(yōu)化、綜合管理與決策。

　　通常大型CIPS網(wǎng)含有4類(lèi)網(wǎng)：最上層采用廣域網(wǎng)（WAN）、上層采用辦公自動(dòng)化局域網(wǎng)（TOP），中間層采用制造自動(dòng)化協(xié)議MAP主干網(wǎng)，下層采用現場(chǎng)控制網(wǎng)（工廠(chǎng)底層控制網(wǎng)）。這4類(lèi)網(wǎng)可通過(guò)網(wǎng)橋（Bridge）、路由器（Router）和網(wǎng)關(guān)（Gateway）互聯(lián)成CIPS網(wǎng)或Intranet網(wǎng)。

　　基于現場(chǎng)總線(xiàn)或DCS網(wǎng)絡(luò )的大中型CIPS網(wǎng)有WAN／TOP／MAP／Fieldbus or DCS網(wǎng)絡(luò )結構和TOP／MAP／Fieldbus or DCS網(wǎng)絡(luò )結構、小型CIPS網(wǎng)有LAN／Fieldbus or DCS網(wǎng)絡(luò )結構及LAN／DCS＋Fieldbus網(wǎng)絡(luò )結構（即現場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò )為DCS與FCS的集成）。

　　近兩年來(lái)許多控制系統設備供應商紛紛采用Ethernet作為工廠(chǎng)底層控制網(wǎng)絡(luò )的信息傳輸主干，用以連接系統監控設備和現場(chǎng)高級智能設備且TCP／IP進(jìn)入現場(chǎng)，使得工廠(chǎng)的管理可以直接進(jìn)入控制現場(chǎng)。在工業(yè)現場(chǎng)最為典型的應用形式是Ethernet＋TCP／IP，基于Ethernet＋TCP／IP的傳感器、變送器可以直接成為網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)，其控制參數和它的狀態(tài)可以直接在企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò )內傳輸和共享，從而避免了DCS和FCS因存在多種協(xié)議而難集成的局面。

4　結束語(yǔ)

　　DCS應用廣泛、技術(shù)成熟，但各廠(chǎng)家的DCS自成封閉的通信體系，難以實(shí)現全企業(yè)內信息的集成與綜合。

　　FCS具有全分散、全數字化、智能、雙向、多變量、多點(diǎn)、多站、互操作的特點(diǎn)。

　　FCS可視為DCS向下全數字開(kāi)放的結果，CIPS可視為DCS向上擴展的產(chǎn)物。FCS和DCS側重于過(guò)程的監控與管理，CIPS側重于企業(yè)內信息集成、綜合管理與決策。DCS和FCS是CIPS數據信息流的起點(diǎn)。CIPS系統實(shí)現的關(guān)鍵技術(shù)是網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，網(wǎng)絡(luò )是命脈。今后的自動(dòng)化系統主要呈現出開(kāi)放化、集成化、智能化、信息化和網(wǎng)絡(luò )化的特點(diǎn)。