淺談汽輪機DCS集散控制系統產(chǎn)品開(kāi)發(fā)
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關(guān)鍵詞：FCS (現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統)、DCS (集散控制系統)、PCS(過(guò)程控制系統)、 PLC(可編程邏輯控制器)
1．集散控制系統DCS與現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統FCS的比較
1．1 概述FCS、DCS
FCS是在DCS的基礎上發(fā)展起來(lái)的，FCS順應了自動(dòng)控制系統的發(fā)展潮流，它必將替代DCS。這已是業(yè)內人士的基本共識。然而，任何新事物的發(fā)生，發(fā)展都是在對舊事物的揚棄中進(jìn)行的，FCS與DCS的關(guān)系必然也不例外。FCS代表潮流與發(fā)展方向，而DCS則代表傳統與成熟，也是獨具優(yōu)勢的事物。特別是現階段，FCS尚沒(méi)有統一的國際標準而呈群雄逐鹿之勢，DCS則以其成熟的發(fā)展，完備的功能及廣泛的應用而占居著(zhù)一個(gè)尚不可完全替代的地位。本人認為：現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統FCS應該與集散式控制系統DCS相互兼容。
無(wú)論是FCS或者是DCS，它們最終是為了滿(mǎn)足整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程而進(jìn)行的系統控制（PCS）。
首先以工程成本與效益看，現場(chǎng)總線(xiàn)的根本優(yōu)勢是良好的互操作性；結構簡(jiǎn)單，從而布線(xiàn)費用低；控制功能分散，靈活可靠，以及現場(chǎng)信息豐富。然而這些優(yōu)勢是建立在 FCS系統初裝的前提下，倘諾企業(yè)建立有完善的DCS，現在要向FCS過(guò)渡，則必須仔細考慮現有投資對已有投資的回報率。充分利用已有的DCS設施，現有DCS的布線(xiàn)以及成熟的DCS控制管理方式來(lái)實(shí)現FCS是我們應選之途。
雖然現場(chǎng)總線(xiàn)對已有的數字現場(chǎng)協(xié)議有優(yōu)勢可言，但向其過(guò)渡的代價(jià)與風(fēng)險是必須分析清楚的。再者，從技術(shù)的繼承及控制手段上，也要求FCS與DCS應相兼容。FCS實(shí)現控制功能下移至現場(chǎng)層，使DCS的 多層網(wǎng)絡(luò )被扁平化，各個(gè)現場(chǎng)設備節點(diǎn)的獨立功能得以加強，因此，在FCS中有必要增加和完善現場(chǎng)子層設備間的數據通訊功能。
由于歷史的原因，DCS通常擁有大型控制柜用以協(xié)調各個(gè)設備，同時(shí)更強調層與層的數據傳輸?？梢?jiàn)，兩種控制在策略上各具優(yōu)勢。DCS適用于較慢的數據傳輸速率；FCS則更適用于較快的數據傳輸速率，以及更靈活的處理數據。然而，當數據量超過(guò)一定值過(guò)于偏大時(shí)，如果同層的設備過(guò)于獨立，則很容易導致數據網(wǎng)絡(luò )的堵塞。要解決這個(gè)問(wèn)題，擬設立一個(gè)適當的監控層用以協(xié)調相互通訊的設備，必然是有益的，DCS就能輕松地勝任這一工作?？梢?jiàn)，為使FCS的控制方式和手段完善化，是有必要借鑒DCS的一些控制思想的。
要把握新世紀工業(yè)過(guò)程控制的發(fā)展趨勢，無(wú)論在學(xué)術(shù)研究或是工程應用方面都有必要使FCS綜合與繼承DCS的成熟控制策略；與此同時(shí)，DCS的發(fā)展也應追尋FCS控制策略的新思想，使其具有新的生命力。DCS應能動(dòng)地將底層控制權交付給FCS系統，將較高層的系統協(xié)調管理功能發(fā)揚光大，完成對新時(shí)代，新形勢的工業(yè)控制系統的智能設備集成。
1．2現場(chǎng)總線(xiàn)傳輸特點(diǎn)
現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（FCS）是順應智能現場(chǎng)儀表而發(fā)展起來(lái)的。它的初衷是用數字通訊代替4－20mA模擬傳輸技術(shù)，但隨著(zhù)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)與智能儀表管控一體化（儀表調校、控制組態(tài)、診斷、報警、記錄）的發(fā)展，在控制領(lǐng)域內引起了一場(chǎng)前所未有的革命?？刂茖?zhuān)家們紛紛預言：FCS將成為21世紀控制系統的主流。
然而就在人們沸沸揚揚的對FCS進(jìn)行概念炒作的時(shí)候，卻沒(méi)有注意到它的發(fā)展在某些方面的不協(xié)調，其主要表現在迄今為止現場(chǎng)總線(xiàn)的通訊標準尚未統一，這使得各廠(chǎng)商的儀表設備難以在不同的FCS中兼容。此外，FCS的傳輸速率也不盡人意，以基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)（FF）正在制定的國際標準為例，它采用了ISO的參考模型中的3層（物理層、數據鏈路層和應用層）和極具特色的用戶(hù)層，其低速總線(xiàn)H1的傳輸速度為31.25kbps，高速總線(xiàn)H2的傳輸速度為1Mbps或2.5Mbps，就針對西門(mén)子推出的PROFIBUS總線(xiàn)而言：其市場(chǎng)站有率相對較大，但由于受通訊線(xiàn)路長(cháng)度的影響，在100M線(xiàn)路長(cháng)度下最高通訊速率為12Mbps，這在有些場(chǎng)合下仍無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制的要求。由于上述原因，使FCS在工業(yè)控制中的推廣應用受到了一定的限制。當人們冷靜下來(lái)對這些問(wèn)題進(jìn)行思考時(shí)，不禁想起了在商業(yè)網(wǎng)絡(luò )中廣泛應用的以太網(wǎng)。
以太網(wǎng)具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢，由于它支持幾乎所有流行的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，所以在商業(yè)系統中被廣泛采用。但是傳統以太網(wǎng)采用總線(xiàn)式拓樸結構和多路存取載波偵聽(tīng)碰撞檢測（CSMA/CD）通訊方式,在實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合下，重要數據的傳輸過(guò)程會(huì )產(chǎn)生傳輸延滯，這被稱(chēng)為以太網(wǎng)的“不確定性”。研究表明：商業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)應用中的傳輸延滯在2～30ms之間，這是影響以太網(wǎng)長(cháng)期無(wú)法進(jìn)入過(guò)程控制領(lǐng)域的重要原因之一。因此對以太網(wǎng)的研究具有工程實(shí)用價(jià)值，從而產(chǎn)生了一種新型以太網(wǎng)。
1．3工業(yè)以太網(wǎng)的研究現狀
近年來(lái)控制與通訊工程師們致力于新型工業(yè)以太網(wǎng)的研究工作，其中有代表性的是FF制定的快速以太網(wǎng)標準，其傳輸速度為100Mbps。綜觀(guān)工業(yè)以太網(wǎng)的研究現狀，出現了兩個(gè)值得注意的發(fā)展方向：以太網(wǎng)集線(xiàn)器和具有實(shí)時(shí)功能的以太網(wǎng)的協(xié)議。
a、以太網(wǎng)集線(xiàn)器
FF將以太網(wǎng)技術(shù)加入到H2協(xié)議中，并以它作為H2的底層協(xié)議，其網(wǎng)絡(luò )采用星型拓樸結構。
集線(xiàn)器（HUB）置于網(wǎng)絡(luò )中心并通過(guò)以太網(wǎng)I/O接口掛接現場(chǎng)設備，其中實(shí)時(shí)現場(chǎng)儀表和普通現場(chǎng)儀表（通過(guò)通道組）分別掛接在不同的以太網(wǎng)I/O接口上。以太網(wǎng)I/O接口高速(約100 kHz)掃描所有實(shí)時(shí)現場(chǎng)儀表和通道組，然后傳送數據包到上層控制器。
通常普通控制算法在現場(chǎng)控制器中進(jìn)行（可由上層控制器下載），而高級控制算法則在上層控制器中進(jìn)行，其控制輸出經(jīng)以太網(wǎng)集線(xiàn)器和以太網(wǎng)I/O接口傳輸到現場(chǎng)執行儀表。由于實(shí)時(shí)現場(chǎng)儀表掛接在專(zhuān)用的以太網(wǎng)入口地址，并用完全分離的線(xiàn)路傳輸數據，所以保證了實(shí)時(shí)數據不會(huì )產(chǎn)生傳輸延滯和線(xiàn)路阻塞。
集線(xiàn)器作為網(wǎng)絡(luò )的仲裁器，除了控制通信雙方的傳輸時(shí)間外，還對傳輸的數據包進(jìn)行優(yōu)先級設置，使每條信息都包含傳輸優(yōu)先級等實(shí)時(shí)參數。此外智能化的集線(xiàn)器還可以動(dòng)態(tài)檢測需要通訊的現場(chǎng)設備所在以太網(wǎng)I/O口，并為之提供數據緩沖區，這樣可大大縮短現場(chǎng)設備的響應時(shí)間和減少數據的重發(fā)次數。集線(xiàn)器與其它集線(xiàn)器相連可實(shí)現不同網(wǎng)絡(luò )之間的數據共享。
經(jīng)驗證這種采用以太網(wǎng)集線(xiàn)器技術(shù)的FCS可使實(shí)時(shí)數據的延遲時(shí)間控制在200納秒的范圍之內，這已足以滿(mǎn)足多數場(chǎng)合的實(shí)時(shí)控制要求。
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