現場(chǎng)總線(xiàn)與控制系統
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在現代測控領(lǐng)域，“開(kāi)放系統”、“現場(chǎng)總線(xiàn)”這 2個(gè)詞頻繁出現。在自控界討論的仍然是 DCS(distribute control system),FCS(fieldbus controlystem)誰(shuí)將最終成為主流控制系統，這場(chǎng)爭論的實(shí)質(zhì)是利益和市場(chǎng)的競爭，一些既得利益者一方面要維護 DCS/ PL C的市場(chǎng)份額，另一方面又怕趕不上FCS的潮流，因而在自己的 DCS/ PL C系統中加入自己的現場(chǎng)總線(xiàn)；而另外一些硬、軟件生產(chǎn)商由于沒(méi)有歷史包袱，追求的是全新的控制系統模式，包括統一的現場(chǎng)總線(xiàn)標準及軟、硬件平臺，以引導和占領(lǐng)未來(lái)的市場(chǎng)。這些控制系統的區別有多大，有無(wú)共同的特征，未來(lái)控制系統的發(fā)展方向是什么，本文試圖在這些方面做一些探討。
1我國控制系統結構的發(fā)展
一個(gè)控制系統由 I/ O設備 (傳感器和執行器 )、控制硬件、控制軟件、人機接口及與信息系統的連接等組成，如圖 1所示 [1]。設備級現場(chǎng)總線(xiàn)使 I/O模件和控制箱得以分開(kāi)，以太網(wǎng)使得現場(chǎng)采集的數據集成到企業(yè)應用中。
圖 1控制系統簡(jiǎn)圖
80年代初期，當微機控制系統用于電站自動(dòng)化領(lǐng)域時(shí)，多使用以單板機組成的微機控制裝置,與上位機系統連接多采用串行通信方式，所有模件集中布置在一個(gè)或幾個(gè)機柜中。由這些裝置構成的系統多為集中式控制系統或分層控制系統。這種系統為我國電站自動(dòng)化控制系統發(fā)揮了重要作用,其開(kāi)拓性的實(shí)踐是今天控制系統豐富多彩的基礎。但是，這類(lèi)系統技術(shù)上已經(jīng)落后，不符合控制系統分布、開(kāi)放的發(fā)展趨勢。
1.2 DCS控制系統
DCS在我國電力行業(yè)特別是火電廠(chǎng)機組控制系統中得到了廣泛的應用。傳統的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(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )，控制設備及軟件也是專(zhuān)用的，開(kāi)放程度不夠，給系統維護及升級帶來(lái)不便。DCS在設備配置上還要求網(wǎng)絡(luò )、控制器、電源甚至模件等都為冗余結構，支持無(wú)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(shuō)來(lái)，單獨的PLC因缺少人機接口及信息系統等部分，不是一個(gè)控制系統。PLC由于其高可靠性及使用的方便性，占領(lǐng)著(zhù)很大的市場(chǎng)份額。從控制系統結構來(lái)看，傳統的 PLC相當于通用化的微機監控裝置，由電源模件、CPU模件、I/O模件、槽板及擴展插箱組成，使用廠(chǎng)家提供的梯形圖邏輯語(yǔ)言進(jìn)行編程。但隨著(zhù)市場(chǎng)的需要及 DCS的挑戰，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及現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò ) (如 Device Net,Profibus等 ),使 PL C向下連接更分布；2廠(chǎng)級控制系統連接方面，許多 PL C支持高速網(wǎng)絡(luò )，如Ethernet,Control Net,Profibus等；3軟件的開(kāi)放性方面，由于許多 PLC支持 OPC標準 (object linking and embedding for processcontrol),使軟、硬件平臺之間的數據通信找到了一個(gè)實(shí)現的標準。這種部分開(kāi)放加上部分專(zhuān)用所構成的系統可能還會(huì )延續一段時(shí)間。但是，正是由于 PLC是一種通用的控制器，應用到電力系統作為現地控制裝置有其局限性，需做許多硬件和軟件上的改進(jìn)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現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統
FCS(fieldbus control system)顧名思義基于現場(chǎng)總線(xiàn)，根據IEC標準及現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )的定義：
現場(chǎng)總線(xiàn)是連接智能現場(chǎng)設備和自動(dòng)化系統的數字式雙向傳輸、多分支結構的通信網(wǎng)絡(luò )?，F場(chǎng)總線(xiàn)系統應具有以下技術(shù)特點(diǎn) [2 ]：1系統的開(kāi)放性；2互可操作性與可用性；3現場(chǎng)設備的智能化與功能自治性；4系統結構的高度分散性；5對現場(chǎng)環(huán)境的適應性。
由于有以上技術(shù)要求，現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統將是開(kāi)放系統的主要支撐力量。由于受集團利益的限制，現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )本身目前還未形成一個(gè)單一的標準。常見(jiàn)的標準有 Profibus,CAN,L onworks,World Fip 及 FF (fieldbus foundation)等，人們期待著(zhù)將于2 0 0 0年初頒布的最后統一的標準 IEC61 1 58,FF與目前的 IEC61 1 58—3. 4. 5. 6草案兼容?，F場(chǎng)總線(xiàn)控制系統不僅需要控制系統設備制造商的支持，更主要的是要得到分散在現場(chǎng)的傳感器及執行設備的支持，以取代 DCS的數字 /模擬混合技術(shù)，成為全數字式系統。這樣的系統才會(huì )比 DCS有很大的技術(shù)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(méi)有 DCS,大型企業(yè)使用DCS,使用現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統近幾年內難以實(shí)現。在這種情形下，什么是當前適合中國國情的控制系統呢 ?筆者認為作為過(guò)渡階段可行的方案應是 DCS— FCS結合的控制系統模式。這種模式采用智能 I/ O模件作為儀表上網(wǎng)的橋梁，同時(shí)節省成本；使用現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )適應分布式、開(kāi)放式的發(fā)展趨勢；使用開(kāi)放式的控制器硬件及開(kāi)放式的組態(tài)軟件代替 DCS中專(zhuān)用的控制器，保留DCS的冗余技術(shù)及組態(tài)技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)，使用標準的開(kāi)放性網(wǎng)絡(luò )以太網(wǎng)作為廠(chǎng)級網(wǎng)絡(luò )，而不是 DCS的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步、成本的進(jìn)一步降低，全開(kāi)放式的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統必將是未來(lái)的趨勢。
2新一代的控制系統的主要特征
2.1 網(wǎng)絡(luò )技術(shù)
網(wǎng)絡(luò )中研究最多的是現場(chǎng)總線(xiàn)和以太網(wǎng)。從 1 984年現場(chǎng)總線(xiàn)概念的提出到目前最后的標準即將頒布，經(jīng)過(guò)了 1 5年的時(shí)間。在這期間，共產(chǎn)生了 60多個(gè)數字通信網(wǎng)絡(luò )標準以連接傳感器、現場(chǎng)設備及控制級網(wǎng)絡(luò )，有 50 0 0多種支持這些網(wǎng)絡(luò )的產(chǎn)品。這一方面說(shuō)明網(wǎng)絡(luò )技術(shù)應用的廣泛，另一方面說(shuō)明迫切需要一個(gè)統一的標準。統一的現場(chǎng)總線(xiàn)標準是開(kāi)放的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統必備的技術(shù)條件。以太網(wǎng)在廠(chǎng)站自動(dòng)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(gè)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數據集中器上，這種結構叫做設備中心結構(device-centric)。前一個(gè)結構的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議多為T(mén)CP/ IP,應用層協(xié)議沒(méi)有一個(gè)標準，建立在 FTP,Telnet,NFS等的服務(wù)成為事實(shí)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，在應用層使用現場(chǎng)總線(xiàn)定義的協(xié)議，如 FF的HSE(high speed Ethernet protocol),Control Net,Device Net等。
從以太網(wǎng)與現場(chǎng)總線(xiàn)的交叉發(fā)展趨勢可以看出，兩者將有機地結合起來(lái)。一方面由于受環(huán)境及特種技術(shù)的要求限制，現場(chǎng)總線(xiàn)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、數據集中器、遠程 I/ O及智能 I/ O設備；在廠(chǎng)級系統中，采用高速以太網(wǎng)連接各控制器與站級計算機，形成整個(gè)控制系統，這就是LAN/fieldbus的網(wǎng)絡(luò )結構。這種結構如圖 2所示 [2 ]。
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