現(xiàn)場(chǎng)總線與控制系統(tǒng)
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在現(xiàn)代測(cè)控領(lǐng)域，“開(kāi)放系統(tǒng)”、“現(xiàn)場(chǎng)總線”這 2個(gè)詞頻繁出現(xiàn)。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(tǒng)，這場(chǎng)爭(zhēng)論的實(shí)質(zhì)是利益和市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，一些既得利益者一方面要維護(hù) 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(tǒng)中加入自己的現(xiàn)場(chǎng)總線；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(tǒng)模式，包括統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)及軟、硬件平臺(tái)，以引導(dǎo)和占領(lǐng)未來(lái)的市場(chǎng)。這些控制系統(tǒng)的區(qū)別有多大，有無(wú)共同的特征，未來(lái)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(guó)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展
一個(gè)控制系統(tǒng)由 I/ O設(shè)備 (傳感器和執(zhí)行器 )、控制硬件、控制軟件、人機(jī)接口及與信息系統(tǒng)的連接等組成，如圖 1所示 [1]。設(shè)備級(jí)現(xiàn)場(chǎng)總線使 I/O模件和控制箱得以分開(kāi)，以太網(wǎng)使得現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)集成到企業(yè)應(yīng)用中。
圖 1控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖
80年代初期，當(dāng)微機(jī)控制系統(tǒng)用于電站自動(dòng)化領(lǐng)域時(shí)，多使用以單板機(jī)組成的微機(jī)控制裝置,與上位機(jī)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(gè)或幾個(gè)機(jī)柜中。由這些裝置構(gòu)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(guó)電站自動(dòng)化控制系統(tǒng)發(fā)揮了重要作用,其開(kāi)拓性的實(shí)踐是今天控制系統(tǒng)豐富多彩的基礎(chǔ)。但是，這類(lèi)系統(tǒng)技術(shù)上已經(jīng)落后，不符合控制系統(tǒng)分布、開(kāi)放的發(fā)展趨勢(shì)。
1.2 DCS控制系統(tǒng)
DCS在我國(guó)電力行業(yè)特別是火電廠機(jī)組控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的DCS主要有4層結(jié)構(gòu) ：第1層是I/ O層；第2層是控制器層；第3層是人機(jī)接口層；第 4層是企業(yè)信息系統(tǒng)層。這種結(jié)構(gòu)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(luò)，控制設(shè)備及軟件也是專用的，開(kāi)放程度不夠，給系統(tǒng)維護(hù)及升級(jí)帶來(lái)不便。DCS在設(shè)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(jié)構(gòu)，支持無(wú)擾切換和帶電插拔，由于設(shè)計(jì)上的高要求，導(dǎo)致 DCS成本太高。
1.3 PL C可編程邏輯控制器
嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，單獨(dú)的PLC因缺少人機(jī)接口及信息系統(tǒng)等部分，不是一個(gè)控制系統(tǒng)。PLC由于其高可靠性及使用的方便性，占領(lǐng)著很大的市場(chǎng)份額。從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)看，傳統(tǒng)的 PLC相當(dāng)于通用化的微機(jī)監(jiān)控裝置，由電源模件、CPU模件、I/O模件、槽板及擴(kuò)展插箱組成，使用廠家提供的梯形圖邏輯語(yǔ)言進(jìn)行編程。但隨著市場(chǎng)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(yuǎn)程 I/O及現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò) (如 Device Net,Profibus等 ),使 PL C向下連接更分布；2廠級(jí)控制系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn) (object linking and embedding for processcontrol),使軟、硬件平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)通信找到了一個(gè)實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)。這種部分開(kāi)放加上部分專用所構(gòu)成的系統(tǒng)可能還會(huì)延續(xù)一段時(shí)間。但是，正是由于 PLC是一種通用的控制器，應(yīng)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(jìn)工作，配置額外的設(shè)備和電路。與 DCS相比，PLC有成本上的優(yōu)勢(shì)，但可靠性、電氣性能卻不如 DCS。
1.4 FCS現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)
FCS(fieldbus control system)顧名思義基于現(xiàn)場(chǎng)總線，根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)及現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)的定義：
現(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)應(yīng)具有以下技術(shù)特點(diǎn) [2 ]：1系統(tǒng)的開(kāi)放性；2互可操作性與可用性；3現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性；4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性；5對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性。
由于有以上技術(shù)要求，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)將是開(kāi)放系統(tǒng)的主要支撐力量。由于受集團(tuán)利益的限制，現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)本身目前還未形成一個(gè)單一的標(biāo)準(zhǔn)。常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn) IEC61 1 58,FF與目前的 IEC61 1 58—3. 4. 5. 6草案兼容?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)不僅需要控制系統(tǒng)設(shè)備制造商的支持，更主要的是要得到分散在現(xiàn)場(chǎng)的傳感器及執(zhí)行設(shè)備的支持，以取代 DCS的數(shù)字 /模擬混合技術(shù)，成為全數(shù)字式系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)才會(huì)比 DCS有很大的技術(shù)及成本優(yōu)勢(shì)。
目前的情形是，我國(guó)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(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)近幾年內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)。在這種情形下，什么是當(dāng)前適合中國(guó)國(guó)情的控制系統(tǒng)呢 ?筆者認(rèn)為作為過(guò)渡階段可行的方案應(yīng)是 DCS— FCS結(jié)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(shí)節(jié)省成本；使用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)分布式、開(kāi)放式的發(fā)展趨勢(shì)；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(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放性網(wǎng)絡(luò)以太網(wǎng)作為廠級(jí)網(wǎng)絡(luò)，而不是 DCS的專用網(wǎng)絡(luò)。隨著技術(shù)的進(jìn)步、成本的進(jìn)一步降低，全開(kāi)放式的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)必將是未來(lái)的趨勢(shì)。
2新一代的控制系統(tǒng)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(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)。從 1 984年現(xiàn)場(chǎng)總線概念的提出到目前最后的標(biāo)準(zhǔn)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(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)以連接傳感器、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及控制級(jí)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(yīng)用的廣泛，另一方面說(shuō)明迫切需要一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)是開(kāi)放的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)必備的技術(shù)條件。以太網(wǎng)在廠站自動(dòng)化中一般用于連接控制器和操作員站及管理站，這種結(jié)構(gòu)叫做控制中心以網(wǎng)結(jié)構(gòu) (control-centric);以太網(wǎng)另一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是直接將 I/ O設(shè)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(jié)構(gòu)叫做設(shè)備中心結(jié)構(gòu)(device-centric)。前一個(gè)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議多為T(mén)CP/ IP,應(yīng)用層協(xié)議沒(méi)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，建立在 FTP,Telnet,NFS等的服務(wù)成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)；后一種結(jié)構(gòu)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(yīng)用層使用現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線的交叉發(fā)展趨勢(shì)可以看出，兩者將有機(jī)地結(jié)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(xiàn)場(chǎng)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(shè)備連接；另一方面一些兼容的智能設(shè)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(yuǎn)程 I/ O及智能 I/ O設(shè)備；在廠級(jí)系統(tǒng)中，采用高速以太網(wǎng)連接各控制器與站級(jí)計(jì)算機(jī)，形成整個(gè)控制系統(tǒng)，這就是LAN/fieldbus的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)如圖 2所示 [2 ]。
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