摘要：結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和控制系統(tǒng)的最新發(fā)展，綜述了當(dāng)今幾種控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，并從網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、開放性、組態(tài)技術(shù)等幾個(gè)方面描述了新一代控制系統(tǒng)的主要特征，最后列舉并細(xì)述了影響控制系統(tǒng)可靠性的幾個(gè)因素。
關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng) 現(xiàn)場(chǎng)總線
引言
在現(xiàn)代測(cè)控領(lǐng)域，“開放系統(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，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
1.1 早期的集中式控制系統(tǒng)
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，這類系統(tǒng)技術(shù)上已經(jīng)落后，不符合控制系統(tǒng)分布、開放的發(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。現(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、開放式的發(fā)展趨勢(shì)；使用開放式的控制器硬件及開放式的組態(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TCP/ 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 ]。
圖 2 LAN/ fieldbus網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
2.2 開放性：開放性無(wú)疑是新一代控制系統(tǒng)的重要特征。開放就是一些標(biāo)準(zhǔn)加上公共發(fā)表的技術(shù)，這些標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)無(wú)需許可證就可以自由獲得，并由許多供應(yīng)商所支持 [3 ]。開放是數(shù)據(jù)連接能力和硬、軟件可移植性的組合。以太網(wǎng)和 OPC是數(shù)據(jù)連接能力的例子，PC是開放的硬、軟件平臺(tái)的例子。開放基于標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)開放性。標(biāo)準(zhǔn)有正式標(biāo)準(zhǔn) (如 IEC或 IEEE)和事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn) (de facto)之分。事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)是市場(chǎng)力量的體現(xiàn)。
工業(yè)自動(dòng)化的標(biāo)準(zhǔn)有以下幾個(gè)方面 ：1現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn) IEC61 1 58;2可編程邏輯程序語(yǔ)言IEC61 1 31— 3;3符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的硬件有開放式結(jié)構(gòu)的 PC平臺(tái)，如 ISA,Compact PCI,PC1 0 4和 VXI等；4OPC及微軟的 COM,DCOM,DNA在自動(dòng)化產(chǎn)品中應(yīng)用非常廣泛，被認(rèn)為是工業(yè)上的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，另外，還有 Sun Connect,HTTP—HG等。
2.3 組態(tài)技術(shù)
組態(tài)技術(shù)主要指控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫(kù)生成及控制算法組態(tài)。其中數(shù)據(jù)庫(kù)生成組態(tài)與各種硬件設(shè)備關(guān)系太密切，還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，就 PL C本身來(lái)講，這部分一直是空白，也就是說(shuō)，PLC所能提供的只是寄存器，它需要借助第 3方或?qū)Ｓ密浖⑵滢D(zhuǎn)換成有意義的工程參數(shù)，對(duì)于 DCS,數(shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)定義就完備多了。同樣地，控制算法組態(tài)方面，傳統(tǒng)的 PL C多數(shù)只提供梯形圖邏輯及少量的功能塊，并且與IEC61 1 31— 3不兼容，而 DCS具有全面的控制算法組態(tài)技術(shù)，包括梯形圖、助記符、功能塊及順序流程圖等。第 3方軟件支持商支持 IEC61 1 31—3并可以加載到部分 PL C中。開放式現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)理所當(dāng)然應(yīng)具有組態(tài)技術(shù),包括數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)及控制算法組態(tài)，生成的參數(shù)及算法不僅可以在控制器中運(yùn)行 (所謂 Soft PL C),還可以在遠(yuǎn)程 I/ O或智能設(shè)備上運(yùn)行，按照現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)定義的功能塊可以在智能儀表及執(zhí)行機(jī)構(gòu)中進(jìn)行運(yùn)算，以實(shí)現(xiàn)真正的分布式控制。
3影響控制系統(tǒng)可靠性的幾個(gè)因素
3. 1 嵌入式控制與控制器的可靠性：控制系統(tǒng)的可靠性很大一部分依賴于控制器是否可靠。 PL C,DCS有其專用的控制器，開放式系統(tǒng)中建議的是標(biāo)準(zhǔn)的硬、軟件平臺(tái)。顯然 PC機(jī)和微軟的 Windows是一種選擇。工業(yè) PC機(jī)經(jīng)過(guò)多年的改 進(jìn)已經(jīng)比較可靠了,但故障還是會(huì)發(fā)生，其較差的運(yùn)行環(huán)境適應(yīng)能力和旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障(硬盤故障)給維護(hù)帶來(lái)了困難。一種解決方案是用嵌入式 PC機(jī)如PC1 0 4結(jié)構(gòu)的硬件平臺(tái)，這種平臺(tái)有較寬的運(yùn)行環(huán)境,沒(méi)有硬盤，而且具有豐富的模件資源,支持以太網(wǎng)及現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)接口。從操作系統(tǒng)角度看,帶有實(shí)時(shí)擴(kuò)展 (RTX)的 NT(如 Ventur Com公司提供的RTX NT)是在標(biāo)準(zhǔn) PC平臺(tái)上用于實(shí)時(shí)控制的較佳選擇;但嵌入式控制中資源有限，即使是嵌入式NT也很難適應(yīng)。Windows CE不失為一個(gè)嵌入式應(yīng)用較好的選擇，特別是其 3. 0版本的推出，在確定性、實(shí)時(shí)性、優(yōu)先級(jí)擴(kuò)展能力及中斷服務(wù)延時(shí)、進(jìn)程切換時(shí)間上有了顯著的提高，過(guò)程處理循環(huán)時(shí)間降到毫秒級(jí)。事實(shí)上一些公司已生產(chǎn)出采用 Win CE的控制裝置，如 Win PL C,GE公司的 CNC,Xycom自動(dòng)化公司的 ASIC— 3000等 [4]。Win CE并不是唯一的選擇，許多實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)非常成熟,已在通信Internet及電力等行業(yè)發(fā)揮了巨大作用,如p SOS,QNX,VRTX等，這些操作系統(tǒng)的共同特征是內(nèi)核非常小,支持 BSP開發(fā) (板級(jí)支持包 )及強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支撐功能,缺點(diǎn)是第 3方的支持軟件不豐富。采用嵌入式控制是提高控制器可靠性的重要保證。
3. 2 網(wǎng)絡(luò)的可靠性：現(xiàn)場(chǎng)總線從一開始就是為連接現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備而設(shè)計(jì)的，充分考慮了其對(duì)各種運(yùn)行環(huán)境的適應(yīng)能力及實(shí)時(shí)控制中對(duì)確定性的要求，只要符合其制定的規(guī)范 (如通信速度、通信距離、物理鏈接等 ),現(xiàn)場(chǎng)總 線應(yīng)該是可靠的。以太網(wǎng)成為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)也可靠嗎 ?回答是肯定的。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)使用總線將各個(gè)節(jié)點(diǎn)連在一起,允許同時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)上，這樣就發(fā)生了沖撞，必須采用重發(fā)機(jī)制以達(dá)到相對(duì)高的成功率。這種機(jī)制導(dǎo)致非確定性 (non-deterministic),而控制系統(tǒng)需要確定性。以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展增強(qiáng)了其通信的確定性，首先，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，采用星形連接及交換式Hub,交換式 Hub提供數(shù)據(jù)緩沖及具有確定接收數(shù)據(jù)的網(wǎng)段智能，使數(shù)據(jù)沖撞及重發(fā)機(jī)會(huì)最小化;其次,快速以太網(wǎng) (100 Mbit/ s,1 Gbit/ s)的發(fā)展及網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)使以太網(wǎng)更適應(yīng)于實(shí)時(shí)應(yīng)用;另外,改進(jìn)的通信協(xié)議克服了 TCP/ IP協(xié)議中的緩沖器滿再發(fā)送及沖撞控制中的允許“丟”包等缺點(diǎn)。
3. 3 電磁兼容性與硬件設(shè)備可靠性：控制系統(tǒng)要適應(yīng)惡劣的運(yùn)行環(huán)境,必須滿足一系列電磁兼容性國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),IEC61 0 0 0— 4標(biāo)準(zhǔn)或我國(guó)等同采用的 GB/ T 1 762 6標(biāo)準(zhǔn)定義了應(yīng)達(dá)到的電氣技術(shù)指標(biāo)，這些標(biāo)準(zhǔn)包括 ：1浪涌 ：IEC61 0 0 0— 4— 5(GB/ T1 762 6. 5);2振蕩波抗擾度：IEC61 0 0 0— 4—1 2 (GB/ T 1 762 6. 1 2 );3靜電放電抗擾度 ：IEC61 0 0 0— 4— 2 (GB/ T 1 762 6. 2 );4電快速瞬變脈沖群抗擾度 ：IEC61 0 0 0— 4— 4(GB/ T 1 762 6. 4);5射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度 ：IEC61 0 0 0— 4— 6(GB/ T1 762 6. 6);6射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度 ：IEC61 0 0 0— 4—3(GB/ T1 762 6. 3)。
以上指標(biāo)中定義了在不同控制電壓等級(jí)下及運(yùn)行環(huán)境下應(yīng)達(dá)到的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，滿足這些標(biāo)準(zhǔn)將為控制系統(tǒng)的可靠性提供有力的保證。
4結(jié)語(yǔ)
我們處在一個(gè)主流系統(tǒng)與非主流系統(tǒng)各行其道、共享市場(chǎng)的時(shí)代,中國(guó)進(jìn)入 WTO后,大量的外國(guó)公司產(chǎn)品及技術(shù)將瓜分中國(guó)的測(cè)控市場(chǎng)，包括電力系統(tǒng)自動(dòng)化領(lǐng)域，競(jìng)爭(zhēng)最激烈的應(yīng)該是廠站自動(dòng)化領(lǐng)域，特別是水電廠、火電廠控制系統(tǒng)。一方面大大小小的 PL C幾乎占領(lǐng)著整個(gè)水電廠監(jiān)控領(lǐng)域，另一方面國(guó)外 DCS牢牢占據(jù)著大中型火電廠控制系統(tǒng)。我們迫切需要有自己的控制系統(tǒng)，以及適合國(guó)情的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件資源及軟件工具。這不僅需要科研人員的不懈努力,還需要市場(chǎng)的培育及支持。有理由相信,有中國(guó)特色的先進(jìn)控制系統(tǒng)將在競(jìng)爭(zhēng)激烈的自動(dòng)控制領(lǐng)域占有一席之地。
