淺談汽輪機(jī)DCS集散控制系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)

　　 摘要：隨著電力資源的不足，推動(dòng)電站汽輪機(jī)、燃汽輪機(jī)市場(chǎng)的快速發(fā)展，新發(fā)電機(jī)組招標(biāo)和老機(jī)改造正在緊鑼密鼓的蓄勢(shì)待發(fā)。而基于我們輕車熟路的DEH控制系統(tǒng)卻逐步將被DCS系統(tǒng)所取代。我們的生存面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。我們費(fèi)盡心血設(shè)計(jì)、調(diào)試的多種DEH控制系統(tǒng)成功投入運(yùn)行，卻沒有一個(gè)系統(tǒng)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)是完全屬于自己的。業(yè)績(jī)被別人一個(gè)個(gè)地寫入產(chǎn)品樣本中，而配套產(chǎn)品成本完全受制于成套供應(yīng)商，并且大有逐步蠶食我們打下的天下之勢(shì)。我們究竟是否需要開發(fā)自己DCS系統(tǒng)以完善配套DEH控制系統(tǒng)、逐步擴(kuò)展我們的市場(chǎng)空間，還是維持現(xiàn)狀坐觀工控產(chǎn)業(yè)的日新月異的發(fā)展？下面我就針對(duì)以上情況談一點(diǎn)自己的看法，供領(lǐng)導(dǎo)和有識(shí)之士參考。 

　　關(guān)鍵詞：FCS (現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng))、DCS (集散控制系統(tǒng))、PCS(過(guò)程控制系統(tǒng))、 PLC(可編程邏輯控制器)

　　1．集散控制系統(tǒng)DCS與現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS的比較

　　1．1 概述FCS、DCS

　　FCS是在DCS的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，F(xiàn)CS順應(yīng)了自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展潮流，它必將替代DCS。這已是業(yè)內(nèi)人士的基本共識(shí)。然而，任何新事物的發(fā)生，發(fā)展都是在對(duì)舊事物的揚(yáng)棄中進(jìn)行的，F(xiàn)CS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(tǒng)與成熟，也是獨(dú)具優(yōu)勢(shì)的事物。特別是現(xiàn)階段，F(xiàn)CS尚沒有統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)而呈群雄逐鹿之勢(shì)，DCS則以其成熟的發(fā)展，完備的功能及廣泛的應(yīng)用而占居著一個(gè)尚不可完全替代的地位。本人認(rèn)為：現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS應(yīng)該與集散式控制系統(tǒng)DCS相互兼容。

　　無(wú)論是FCS或者是DCS，它們最終是為了滿足整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程而進(jìn)行的系統(tǒng)控制（PCS）。

　　首先以工程成本與效益看，現(xiàn)場(chǎng)總線的根本優(yōu)勢(shì)是良好的互操作性；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，從而布線費(fèi)用低；控制功能分散，靈活可靠，以及現(xiàn)場(chǎng)信息豐富。然而這些優(yōu)勢(shì)是建立在 FCS系統(tǒng)初裝的前提下，倘諾企業(yè)建立有完善的DCS，現(xiàn)在要向FCS過(guò)渡，則必須仔細(xì)考慮現(xiàn)有投資對(duì)已有投資的回報(bào)率。充分利用已有的DCS設(shè)施，現(xiàn)有DCS的布線以及成熟的DCS控制管理方式來(lái)實(shí)現(xiàn)FCS是我們應(yīng)選之途。

　　雖然現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)已有的數(shù)字現(xiàn)場(chǎng)協(xié)議有優(yōu)勢(shì)可言，但向其過(guò)渡的代價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)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(yīng)相兼容。FCS實(shí)現(xiàn)控制功能下移至現(xiàn)場(chǎng)層，使DCS的 多層網(wǎng)絡(luò)被扁平化，各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)的獨(dú)立功能得以加強(qiáng)，因此，在FCS中有必要增加和完善現(xiàn)場(chǎng)子層設(shè)備間的數(shù)據(jù)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(diào)各個(gè)設(shè)備，同時(shí)更強(qiáng)調(diào)層與層的數(shù)據(jù)傳輸?？梢?，兩種控制在策略上各具優(yōu)勢(shì)。DCS適用于較慢的數(shù)據(jù)傳輸速率；FCS則更適用于較快的數(shù)據(jù)傳輸速率，以及更靈活的處理數(shù)據(jù)。然而，當(dāng)數(shù)據(jù)量超過(guò)一定值過(guò)于偏大時(shí)，如果同層的設(shè)備過(guò)于獨(dú)立，則很容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的堵塞。要解決這個(gè)問題，擬設(shè)立一個(gè)適當(dāng)?shù)谋O(jiān)控層用以協(xié)調(diào)相互通訊的設(shè)備，必然是有益的，DCS就能輕松地勝任這一工作?？梢姡瑸槭笷CS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(jì)工業(yè)過(guò)程控制的發(fā)展趨勢(shì)，無(wú)論在學(xué)術(shù)研究或是工程應(yīng)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(yīng)追尋FCS控制策略的新思想，使其具有新的生命力。DCS應(yīng)能動(dòng)地將底層控制權(quán)交付給FCS系統(tǒng)，將較高層的系統(tǒng)協(xié)調(diào)管理功能發(fā)揚(yáng)光大，完成對(duì)新時(shí)代，新形勢(shì)的工業(yè)控制系統(tǒng)的智能設(shè)備集成。

　　1．2現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸特點(diǎn)

　　現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）是順應(yīng)智能現(xiàn)場(chǎng)儀表而發(fā)展起來(lái)的。它的初衷是用數(shù)字通訊代替4－20mA模擬傳輸技術(shù)，但隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與智能儀表管控一體化（儀表調(diào)校、控制組態(tài)、診斷、報(bào)警、記錄）的發(fā)展，在控制領(lǐng)域內(nèi)引起了一場(chǎng)前所未有的革命?？刂茖＜覀兗娂婎A(yù)言：FCS將成為21世紀(jì)控制系統(tǒng)的主流。

　　然而就在人們沸沸揚(yáng)揚(yáng)的對(duì)FCS進(jìn)行概念炒作的時(shí)候，卻沒有注意到它的發(fā)展在某些方面的不協(xié)調(diào)，其主要表現(xiàn)在迄今為止現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，這使得各廠商的儀表設(shè)備難以在不同的FCS中兼容。此外，F(xiàn)CS的傳輸速率也不盡人意，以基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線（FF）正在制定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為例，它采用了ISO的參考模型中的3層（物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層）和極具特色的用戶層，其低速總線H1的傳輸速度為31.25kbps，高速總線H2的傳輸速度為1Mbps或2.5Mbps，就針對(duì)西門子推出的PROFIBUS總線而言：其市場(chǎng)站有率相對(duì)較大，但由于受通訊線路長(zhǎng)度的影響，在100M線路長(zhǎng)度下最高通訊速率為12Mbps，這在有些場(chǎng)合下仍無(wú)法滿足實(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(yīng)用受到了一定的限制。當(dāng)人們冷靜下來(lái)對(duì)這些問題進(jìn)行思考時(shí)，不禁想起了在商業(yè)網(wǎng)絡(luò)中廣泛應(yīng)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(shì)，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(tǒng)中被廣泛采用。但是傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用總線式拓樸結(jié)構(gòu)和多路存取載波偵聽碰撞檢測(cè)（CSMA/CD）通訊方式,在實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合下，重要數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程會(huì)產(chǎn)生傳輸延滯，這被稱為以太網(wǎng)的“不確定性”。研究表明：商業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)應(yīng)用中的傳輸延滯在2～30ms之間，這是影響以太網(wǎng)長(zhǎng)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(duì)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(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)，其傳輸速度為100Mbps。綜觀工業(yè)以太網(wǎng)的研究現(xiàn)狀，出現(xiàn)了兩個(gè)值得注意的發(fā)展方向：以太網(wǎng)集線器和具有實(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(jié)構(gòu)。

　　集線器（HUB）置于網(wǎng)絡(luò)中心并通過(guò)以太網(wǎng)I/O接口掛接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其中實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)儀表和普通現(xiàn)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(xiàn)場(chǎng)儀表和通道組，然后傳送數(shù)據(jù)包到上層控制器。

　　通常普通控制算法在現(xiàn)場(chǎng)控制器中進(jìn)行（可由上層控制器下載），而高級(jí)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)集線器和以太網(wǎng)I/O接口傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行儀表。由于實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)儀表掛接在專用的以太網(wǎng)入口地址，并用完全分離的線路傳輸數(shù)據(jù)，所以保證了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不會(huì)產(chǎn)生傳輸延滯和線路阻塞。

　　集線器作為網(wǎng)絡(luò)的仲裁器，除了控制通信雙方的傳輸時(shí)間外，還對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包進(jìn)行優(yōu)先級(jí)設(shè)置，使每條信息都包含傳輸優(yōu)先級(jí)等實(shí)時(shí)參數(shù)。此外智能化的集線器還可以動(dòng)態(tài)檢測(cè)需要通訊的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所在以太網(wǎng)I/O口，并為之提供數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，這樣可大大縮短現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間和減少數(shù)據(jù)的重發(fā)次數(shù)。集線器與其它集線器相連可實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)共享。 

　　經(jīng)驗(yàn)證這種采用以太網(wǎng)集線器技術(shù)的FCS可使實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的延遲時(shí)間控制在200納秒的范圍之內(nèi)，這已足以滿足多數(shù)場(chǎng)合的實(shí)時(shí)控制要求。