DCS、FCS、CIPS 3種系統(tǒng)的集成與應(yīng)用

1　引　言

　　隨著生產(chǎn)由簡單過程向大型化、連續(xù)化、集成化和復(fù)雜化方向發(fā)展，與之相應(yīng)的控制技術(shù)、控制理論、控制系統(tǒng)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(diào)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(xiàn)代控制理論（基于時(shí)域法）和智能控制理論（基于規(guī)則、知識）；控制系統(tǒng)由簡單控制系統(tǒng)（如：PID控制、串級、比值、前饋、Smith等）發(fā)展到先進(jìn)控制系統(tǒng)（如：預(yù)測、推斷、模糊、神經(jīng)、魯棒等控制）和綜合自動化系統(tǒng)（控制、管理與決策一體化）；控制工具由常規(guī)儀器儀表發(fā)展到計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)。

　　計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為先進(jìn)控制的實(shí)現(xiàn)奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)，而控制技術(shù)的應(yīng)用又促進(jìn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，兩者密切相關(guān)。以計(jì)算機(jī)為主的控制系統(tǒng)經(jīng)歷了DDC（Direct Digital Control—單機(jī)控制系統(tǒng)）、DCS（Distributed Control System—集散控制系統(tǒng)）、FCS（Field Bus Control System—現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）和CIPS（ComputerIntegrated Process System—計(jì)算機(jī)集成過程控制系統(tǒng)）四個(gè)發(fā)展階段。

　　DDC控制集中、危險(xiǎn)也集中，一般采用雙機(jī)／多機(jī)系統(tǒng)冗余結(jié)構(gòu)，來保證控制系統(tǒng)的可靠性。為進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的可靠性，70年代中推出了DCS系統(tǒng)。80年代中～90年代初是DCS發(fā)展的頂峰時(shí)期，DCS應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟。國內(nèi)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。但各廠家的DCS自成封閉的通信體系，難以實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)各種DCS系統(tǒng)的集成與綜合。

　　90年代出現(xiàn)的新型FCS則突破了DCS系統(tǒng)中通信由專用網(wǎng)絡(luò)的封閉系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)所造成的缺陷，把基于封閉、專用的解決方案變成了基于公開化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案。FCS及其應(yīng)用是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。

　　以現(xiàn)場總線／DCS為基礎(chǔ)的綜合自動化系統(tǒng)CIPS集過程控制與綜合管理（經(jīng)營決策、管理、計(jì)劃、調(diào)度等）于一體，便于企業(yè)能快速適應(yīng)風(fēng)云變換的市場，以增強(qiáng)企業(yè)的競爭力。CIPS的實(shí)現(xiàn)是未來追求的目標(biāo)。

2　DCS、FCS、CIPS的體系結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

2．1　DCS

　　典型DCS系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)一般為三層，即管理級、監(jiān)控級（工程師站／操作站）和過程控制級，有三DCS過程控制器與現(xiàn)場變送器、執(zhí)行器之間的連接采用一對一的設(shè)備連接方式，需消耗大量的連接電纜且安裝和維護(hù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，如圖2—1所示。DCS屬“半數(shù)字”系統(tǒng)，還需大量的AI／AO、DI／DO和PI／PO等中間模板來完成模擬量與數(shù)字量間的信息轉(zhuǎn)換。

2．2　FCS

　　FCS系統(tǒng)由于采用了智能現(xiàn)場設(shè)備和現(xiàn)場總線，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①采用一對N的設(shè)備連接方式，成本低

　　FCS屬“純數(shù)字”系統(tǒng)，無需AI／AO、DI／DO和PI／PO中間模板?；诂F(xiàn)場總線的現(xiàn)場設(shè)備與操作站之間是一種全數(shù)字化、串行、雙向、多站的通信模式，系統(tǒng)的可靠性高。而且，用數(shù)字信號替代模擬信號傳輸，在一對雙絞線或一條電纜上可掛接多個(gè)現(xiàn)場設(shè)備，節(jié)省硬件數(shù)量與投資，節(jié)省安裝費(fèi)用，系統(tǒng)的成本低，如圖2—2所示。

②實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制

　　能夠?qū)⒃?FONT color=#000000>DCS系統(tǒng)中處于控制室的控制功能置入現(xiàn)場設(shè)備，直接在現(xiàn)場完成，即就地采集信息、就地處理、就地控制。上位機(jī)主要對其進(jìn)行總體監(jiān)督、協(xié)調(diào)、優(yōu)化控制與管理，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制。

③開放性與互操作性簡化了系統(tǒng)的集成　　現(xiàn)場總線的最大特點(diǎn)是采用統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，使之具有開放性和互操作性，不同廠家的現(xiàn)場設(shè)備可方便地接入同一網(wǎng)絡(luò)中，且可相互訪問，簡化了系統(tǒng)的集成。

④信息綜合，組態(tài)靈活

　　通過數(shù)字化傳輸現(xiàn)場數(shù)據(jù)，FCS能獲取現(xiàn)場設(shè)備的各種狀態(tài)、診斷信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的系統(tǒng)監(jiān)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(xiàn)場設(shè)備中的功能塊可以構(gòu)成完整的控制回路；可在上位機(jī)上進(jìn)行組態(tài)，完成之后再下裝至現(xiàn)場設(shè)備；用戶根據(jù)標(biāo)識符來指定某一設(shè)備，不需考慮設(shè)備地址、存儲地址等。

　　總之，現(xiàn)場總線具有全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、多變量、多點(diǎn)、多站、互操作的特點(diǎn)，是過程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，也是綜合自動化系統(tǒng)CIPS數(shù)據(jù)信息流的起點(diǎn)。

2．3　CIPS

　　集常規(guī)控制、先進(jìn)控制、在線優(yōu)化、生產(chǎn)調(diào)度、企業(yè)管理、經(jīng)營決策等功能于一體的綜合自動化系統(tǒng)CIPS是當(dāng)前自動化發(fā)展的趨勢和熱點(diǎn)。CIPS是在計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)和分布式數(shù)據(jù)庫的支持下，實(shí)現(xiàn)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(yīng)生產(chǎn)環(huán)境不確定性和市場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(tǒng)。

　　根據(jù)連續(xù)生產(chǎn)過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)過程控制分系統(tǒng)、企業(yè)綜合管理分系統(tǒng)、集成支持分系統(tǒng)、人與組織分系統(tǒng)4個(gè)分系統(tǒng)及相應(yīng)的下層子系統(tǒng)組成，如圖2—3所示。

3　DCS、FCS、CIPS的集成

　　計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，解決了企業(yè)辦公自動化的問題，即企業(yè)高層的計(jì)算機(jī)設(shè)備互連問題較易實(shí)現(xiàn)。而企業(yè)過程控制級采用的設(shè)備可能是各個(gè)時(shí)期或各個(gè)廠家的產(chǎn)品，是個(gè)異構(gòu)環(huán)境。考慮控制技術(shù)和生產(chǎn)的延續(xù)性與企業(yè)的投資效益，不可能完全擯棄原有可行系統(tǒng)，而采用全新技術(shù)和設(shè)備。企業(yè)現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)必將出現(xiàn)多種總線共存、多種系統(tǒng)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(tǒng)的集成是指現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)（DCS、PLC……）的集成及各種現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS之間的集成（因目前仍存在多種現(xiàn)場總線協(xié)議，如：FF、Profibus、CAN、LonWorks和HART等）。

　　FCS與DCS集成主要體現(xiàn)在現(xiàn)場通信協(xié)議的相容和組態(tài)、監(jiān)控、操作軟件的統(tǒng)一。

　　DCS應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟，尤其它在先進(jìn)控制方面已有多年應(yīng)用。現(xiàn)場總線的功能模塊一般只能解決基本的控制問題，而且在現(xiàn)有的技術(shù)條件和市場條件下，FCS還不能完全取代DCS，而應(yīng)考慮兩者的集成，以綜合DCS和FCS的優(yōu)勢。即FCS實(shí)現(xiàn)基本的測控回路，DCS作為高一層的管理協(xié)調(diào)者實(shí)現(xiàn)復(fù)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(xiàn)集成，如圖3—1a、圖3—1b、圖3—1c所示；

　　a．現(xiàn)場總線集成在DCS的I／O層次上，即現(xiàn)場總線設(shè)備在DCS中作為I／O卡件的功能出現(xiàn)。

　　b．現(xiàn)場總線集成在DCS網(wǎng)絡(luò)上，即現(xiàn)場總線通過一個(gè)現(xiàn)場總線接口單元掛在DCS的通信網(wǎng)絡(luò)上。

　　c．DCS和FCS獨(dú)立工作，通過網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換和信息的互訪。

　　以上3種集成途徑的應(yīng)用中可能會遇到一些實(shí)際困難，因DCS的設(shè)計(jì)要素不同于FCS，DCS的封閉性限制了現(xiàn)場總線分散化、網(wǎng)絡(luò)化特點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)。不同的DCS與不同的FCS集成需相應(yīng)的轉(zhuǎn)換協(xié)議，會出現(xiàn)多種協(xié)議共存于現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)的局面。

3．2　基于現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)的CIPS

　　CIPS是集管理與控制于一體的綜合自動化系統(tǒng)，往往采用多級遞階控制體系結(jié)構(gòu)（基本控制→先進(jìn)控制→約束控制→局部優(yōu)化→全局優(yōu)化→綜合管理與決策）和“分解／綜合、協(xié)調(diào)”的方法?，F(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)是傳輸過程信息的基礎(chǔ)與關(guān)鍵，是CIPS數(shù)據(jù)信息流的起點(diǎn)。只有獲得過程的大量信息，CIPS才能進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化、綜合管理與決策。

　　通常大型CIPS網(wǎng)含有4類網(wǎng)：最上層采用廣域網(wǎng)（WAN）、上層采用辦公自動化局域網(wǎng)（TOP），中間層采用制造自動化協(xié)議MAP主干網(wǎng)，下層采用現(xiàn)場控制網(wǎng)（工廠底層控制網(wǎng)）。這4類網(wǎng)可通過網(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(xiàn)場總線或DCS網(wǎng)絡(luò)的大中型CIPS網(wǎng)有WAN／TOP／MAP／Fieldbus or DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和TOP／MAP／Fieldbus or DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、小型CIPS網(wǎng)有LAN／Fieldbus or DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及LAN／DCS＋Fieldbus網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（即現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)為DCS與FCS的集成）。

　　近兩年來許多控制系統(tǒng)設(shè)備供應(yīng)商紛紛采用Ethernet作為工廠底層控制網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸主干，用以連接系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備和現(xiàn)場高級智能設(shè)備且TCP／IP進(jìn)入現(xiàn)場，使得工廠的管理可以直接進(jìn)入控制現(xiàn)場。在工業(yè)現(xiàn)場最為典型的應(yīng)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(jié)點(diǎn)，其控制參數(shù)和它的狀態(tài)可以直接在企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)內(nèi)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(jié)束語

　　DCS應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟，但各廠家的DCS自成封閉的通信體系，難以實(shí)現(xiàn)全企業(yè)內(nèi)信息的集成與綜合。

　　FCS具有全分散、全數(shù)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(shù)字開放的結(jié)果，CIPS可視為DCS向上擴(kuò)展的產(chǎn)物。FCS和DCS側(cè)重于過程的監(jiān)控與管理，CIPS側(cè)重于企業(yè)內(nèi)信息集成、綜合管理與決策。DCS和FCS是CIPS數(shù)據(jù)信息流的起點(diǎn)。CIPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)是命脈。今后的自動化系統(tǒng)主要呈現(xiàn)出開放化、集成化、智能化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn)。