漫談工業(yè)過程控制系統(tǒng)_晨楓

1、.漫談工業(yè)過程控制系統(tǒng)常見的工業(yè)控制系統(tǒng)有分布式控制系統(tǒng)Distributed Control System，簡稱DCS、可編程序邏輯控制器Programmable Logic Controller，簡稱PLC、容錯控制器Fail Safe Controller，簡稱FSC、多功能控制器Multifunctional Controller，簡稱MFC等。FSC就是特別可靠的PLC，使用起來也特別麻煩；MFC是專用于強(qiáng)電系統(tǒng)輸變電、大功率電機(jī)、變頻電機(jī)等的PLC；所以粗粗歸類，也就是PLC和DCS兩大類。在談PLC和DCS之前，應(yīng)該指出，還有一類系統(tǒng)通常不作為工業(yè)過程控制問題考慮，那就是像導(dǎo)彈控

2、制、汽車發(fā)動機(jī)控制、洗衣機(jī)控制、電熱咖啡壺控制等，這些控制問題一般使用專用的控制系統(tǒng)，和被控制對象嚴(yán)密結(jié)合，通常稱為嵌入式系統(tǒng)embeded control system，不在這篇小文的X圍內(nèi)?？刂茊栴}分兩大類：連續(xù)控制和斷續(xù)控制也叫開關(guān)控制。汽車的方向盤就是連續(xù)控制的一個例子，司機(jī)連續(xù)地恰到好處地轉(zhuǎn)動方向盤以控制方向；電飯煲的溫度控制就是斷續(xù)控制的一個例子，只有開和關(guān)兩個位置，按下開關(guān)后，溫度上升到一定的時候，自動斷電；溫度下來了，又自動加電保溫。稍微復(fù)雜一點的斷續(xù)控制可以是多位控制，除了全開、全關(guān)兩個位置外，中間還可以有一個甚至多個漸進(jìn)的半開位置。一般來說，DCS適合連續(xù)過程控制，像化工、

3、發(fā)電、冶金、造紙的工藝過程，PLC適合斷續(xù)過程控制，像各種機(jī)電設(shè)備。這是由不同的歷史背景導(dǎo)致的。在還沒有計算機(jī)的遠(yuǎn)古時代，連續(xù)控制的PID是用氣動或者電動調(diào)節(jié)器行話叫單元儀表實現(xiàn)的，連鎖保護(hù)那么是用繼電器實現(xiàn)的。前者控制閥門或者變頻電機(jī)連續(xù)變化，到達(dá)準(zhǔn)確控制。后者那么是自動化的開關(guān)控制，用于在某一事件觸發(fā)下，自動執(zhí)行一系列動作。復(fù)雜一點的繼電器控制還有延時，可以執(zhí)行一系列步驟，每一步可以包含一定的延時，傳統(tǒng)上用凸輪實現(xiàn)。復(fù)雜繼電器控制還可以包含滯環(huán)也叫死區(qū)等比擬“反動的功能。在很長的時間里，單元儀表和繼電器之間是井水不犯河水，老死不相往來，直到數(shù)字式計算機(jī)的出現(xiàn)。·諾依曼同學(xué)創(chuàng)造二進(jìn)

4、制計算機(jī)的概念，成功地打破了連續(xù)變量和離散變量的界限，這是計算機(jī)控制可以實現(xiàn)連續(xù)的PID控制和離散的繼電器控制的根底。PID在本質(zhì)上是一個數(shù)學(xué)計算，計算機(jī)的計算能力強(qiáng)大，做PID當(dāng)然不在話下。事實上，即使不太先進(jìn)的計算機(jī)也可以以一當(dāng)百，一臺計算機(jī)巡回掃描，把百十個PID回路吃下來不成問題。計算機(jī)還可以實現(xiàn)更先進(jìn)的數(shù)學(xué)控制方法，如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、模型預(yù)估控制等，用軟件“連接串級、前饋、分程、比例、超馳控制回路也比單元儀表時代拖電線容易得太多，很快就在工業(yè)界得到極大的歡送。計算機(jī)控制用顯示屏代替動輒幾十米長的儀表板，也使超大型的控制系統(tǒng)得以實用化。早年的計算機(jī)控制系統(tǒng)大多采用大型計算機(jī)，如I

5、BM的AIX系統(tǒng)，最不濟(jì)也是DEC的PDP11，或者后來的VAX。但是集中的大型計算機(jī)是計算機(jī)控制系統(tǒng)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，一旦這臺大型計算機(jī)出故障，整個系統(tǒng)就當(dāng)?shù)袅恕榱颂岣哂嬎銠C(jī)控制系統(tǒng)的可靠性，人們做了很多努力。冗余計算機(jī)是最早的解決方案，但微機(jī)的出現(xiàn)，在根本上解決了計算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性問題。微機(jī)的本錢低，體積小，于是分散到很多根本控制單元但又通過網(wǎng)絡(luò)連接的所謂集散控制系統(tǒng)就應(yīng)運(yùn)而生了，這就是今天的DCS。DCS的根本單元具有根本的IO和控制功能，即使和網(wǎng)絡(luò)斷開，也能保證根本的控制功能。但和網(wǎng)絡(luò)相連，就可以實現(xiàn)更強(qiáng)大的控制和管理功能。這就使所謂“集散的緣由。二十多年前，Honeywell首

6、先吃DCS的螃蟹，以至于至今TDC意為Total Distributed Control，也是Honeywell的DCS系統(tǒng)的商品名還在某些圈子里作為DCS的代名詞。Honeywell在75年用Motorolla 6800作為CPU，自己開發(fā)了實時操作系統(tǒng)RTOS，采用雙重冗余的輪詢polling總線構(gòu)造，推出了第一代DCS：TDC2000。80年代初，TDC2000升級到TDC3000，CPU改用Motorolla 68000，直到幾年前推出的以EitherNet為根底的Experion之前，根本構(gòu)造一直不變，只是CPU升級到68040了。 Honeywell的Experion系統(tǒng)構(gòu)造示意圖

7、，最下層是物理控制曾，往上是人機(jī)界面，再往上是高級控制層，最上層和辦公網(wǎng)絡(luò)相連Emerson的Delta V，大體上意思差不多，當(dāng)然細(xì)節(jié)有很大的不同Honeywell之后，很多公司相繼開發(fā)DCS，但大浪淘沙之后，留存下來的不多?，F(xiàn)在主要的有Honeywell的Experion，Emerson的Delta V，ABB的Symphony，日本橫河的Centum等幾家。在構(gòu)造上，DCS可以用兩大類通信協(xié)議：輪詢和中斷。輪詢由中心控制單元輪流查詢所有子系統(tǒng)，不管有沒有數(shù)據(jù)更新，到時候就來問一遍，所以不管什么時候，系統(tǒng)的通信流量都很高，但是恒定。中斷方式正好相反，子系統(tǒng)自己先檢查一下，如果數(shù)據(jù)沒有變化，

8、就不上網(wǎng)要求更新，直到數(shù)據(jù)有變化，再上網(wǎng)“打一個招呼。這個方式的平時通信流量較低，所以網(wǎng)路帶寬要求較低。但是生產(chǎn)過程發(fā)生異常時，大量警報數(shù)據(jù)蜂擁而來，如果帶寬不夠，就會發(fā)生通信阻塞的問題。所以，中斷和輪詢到最后對帶寬的要求是一樣的，因為誰也不能承當(dāng)生產(chǎn)過程異常時通信阻塞的后果。在安裝上，傳統(tǒng)上DCS一般把現(xiàn)場的變送器傳感器的信號線分別直接拉到中心控制室地下的DCS機(jī)房，通過barrier不能翻譯成堡壘吧.用來屏蔽信號的引進(jìn)DCS的端子板。輸出到調(diào)節(jié)閥的信號線也是一樣處理。這些信號線的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是4-20毫安。對于不大重要的次要信號，或者僅用于監(jiān)視而不做控制的信號，有時也用多點切換裝置multip

9、lexer，簡稱MUX，在現(xiàn)場連很多信號線到MUX，但從MUX就拉一根線進(jìn)DCS，節(jié)約施工和維護(hù)本錢。最新的DCS也可以用現(xiàn)場總線連接，把變送器和調(diào)節(jié)閥像USB總線裝置一樣掛上去，plug and play，大大簡化儀表的安裝工作。由于信號完全是數(shù)字的，也容易引入自檢功能。在使用上，DCS一般使用組態(tài)configuration來編程，指定回路的構(gòu)造和參數(shù)。有的系統(tǒng)的組態(tài)參數(shù)很全，根本上所有功能都有了，只需要用戶選擇就可以。有些系統(tǒng)的組態(tài)參數(shù)比擬根本，需要用戶自編功能然后調(diào)用。兩種不同的做法各有好處，前者相當(dāng)于用MATLAB做計算，比擬方便可靠，但系統(tǒng)資源浪費較大，很多組態(tài)參數(shù)經(jīng)常用不到，浪費了

10、；后者相當(dāng)于用C語言寫程序，比擬靈活經(jīng)濟(jì)，但用戶的編程工作量大，編程質(zhì)量全看用戶的水平了。DCS最大的優(yōu)點是模塊化，不光可以在系統(tǒng)內(nèi)部自由增減模塊，還可以通過EitherNet和OPC掛上外部模塊，或者用于與上級的辦公網(wǎng)絡(luò)連接，或者用于掛上高級功能模塊。這個模塊化的功能不可小看，最典型的高級模塊有海量數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)data historian、先進(jìn)控制系統(tǒng)如DMC、Pavilion、RMPCT等、控制系統(tǒng)性能監(jiān)測和自動整定等，當(dāng)然還包括更常見的網(wǎng)絡(luò)管理模塊如防火墻、文件效勞器等。由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開展和DCS對網(wǎng)絡(luò)的連接能力，DCS已經(jīng)從早年的控制系統(tǒng)開展到工廠管理的重要手段，生產(chǎn)管理產(chǎn)能和品種、根

11、據(jù)市場和原料情況的實時最優(yōu)化、儀器儀表甚至機(jī)械設(shè)備的自檢和故障預(yù)測、控制系統(tǒng)警報管理、操作記錄和日志log book等都成為DCS的職責(zé)，DCS也作為生產(chǎn)過程的黑匣子，用于事故分析和過程優(yōu)化。早年一兩個人就可以管理的系統(tǒng)，現(xiàn)在要一個多專業(yè)的部門才能管理。計算機(jī)控制系統(tǒng)也可以實現(xiàn)繼電器控制，用IFTHEN實現(xiàn)開關(guān)控制比用硬件容易多了，硬件的延時繼電器更是麻煩。由于早年計算機(jī)還是稀罕物件，可靠性又不大高，所以繼電器控制得以繼續(xù)開展。但通過硬接線來改變繼電器控制實在麻煩。汽車工業(yè)每年要換型，為此不勝其煩，在68年提出對可編程序控制器的要求，第一個吃螃蟹的是Bedford，這就是現(xiàn)在的Modicon。

12、其他主要的PLC廠家還有Allen Bradley現(xiàn)屬Rockwell、GE Fanuc、Siemens等。在接線上，PLC和DCS一樣，也可以按傳統(tǒng)的分別拉線的方法，或者用現(xiàn)場總線。不過DCS的現(xiàn)場總線通常按Foundation Fieldbus的標(biāo)準(zhǔn)，PLC的現(xiàn)場總線通常按Profibus的標(biāo)準(zhǔn)，兩者并不兼容。PLC通常用直觀的ladder logic編程，也有用專用語言編程的。相比之下，DCS要實現(xiàn)邏輯功能，也是通過組態(tài)，但十分不直觀，使用別扭，容易出錯。早年的PLC主要是用于嵌入式系統(tǒng)，但PLC的吸引力很快為工業(yè)界所注意，通用的網(wǎng)絡(luò)化的PLC應(yīng)運(yùn)而生?，F(xiàn)代的PLC早已超出開關(guān)控制的X圍

13、，具有一定的PID和像OPC那樣的通信能力，甚至可以進(jìn)展一些科學(xué)計算。另一方面，DCS也在不斷增強(qiáng)開關(guān)控制的能力。由于計算機(jī)技術(shù)的趨同和連續(xù)開關(guān)控制能力界限的模糊，DCS和PLC的界限開場模糊了。從原理或者系統(tǒng)構(gòu)造上來說，PLC和DCS沒有原那么性的差異，但兩者截然不同的背景使兩者有很不同的特點。由于用于連續(xù)控制的緣故，DCS的回路功能很強(qiáng)。DCS的很大一局部“力氣用于回路的初始化上，這是連續(xù)控制的一個獨特問題。試想一個串級回路，副回路需要處于串級狀態(tài)，主回路才能“指揮副回路。但很多時候由于種種原因，副回路需要處于自動狀態(tài)，也就是說，操作工直接設(shè)定副回路的設(shè)定值，主回路被“架空了。這也不是問題

14、，問題出在副回路恢復(fù)到串級狀態(tài)的瞬間，主、副回路之間如何協(xié)調(diào)。副回路脫開時，主回路的輸出沒有地方去了，只有懸在那里不動。但一段時間后，副回路的設(shè)定值已經(jīng)變了，主回路的輸出沒有，如果硬性連接，就會造成不必要的擾動，這里面怎么協(xié)調(diào)就是一個初始化的問題。由于主、副回路的控制算法都是多種多樣，協(xié)調(diào)機(jī)制的排列組合很多，這就大大增加了控制算法的復(fù)雜性。被懸空的主回路還有積分飽和的問題，由于副回路不再聽指揮，主回路實際上處于失控狀態(tài)，設(shè)定值和測量值總也碰不到一起，積分控制作用就只有不斷爬升，一直到100%或者0%。這在主、副回路恢復(fù)串級狀態(tài)時也要造成麻煩。這只是冰山一角，還有各種手動超越控制功能、警報處理功

15、能、本地串級遠(yuǎn)程串級、脫網(wǎng)備份模式shed mode等。然而，以開關(guān)控制為主的PLC就沒有這些問題，開關(guān)控制沒有初始化的問題，手動超越控制也要簡單得多。現(xiàn)代PLC可以做PID，但功能上遠(yuǎn)不如DCS，互連組態(tài)能力也相對有限，更加適于“孤兒PID，而不是作為大型復(fù)雜控制系統(tǒng)一局部的PID。打一個不恰當(dāng)?shù)谋确?，DCS和PLC好比CPU里CISC和RISC的差異，不能說誰好誰不好，只是不同而已?；蛘哒f像高檔PC機(jī)和PlayStation3之間的差異，前者通用性強(qiáng)，后者用其所長的話那么是非常厲害。由于這些差異，DCS通常遠(yuǎn)比PLC要復(fù)雜。系統(tǒng)復(fù)雜性首先在本錢上表達(dá)出來。DCS雖然是模塊化的，可大可小，但

16、根本架子在那里，還是很昂貴的，只有大型裝置才用得起，也才有必要用。PLC相比照擬廉價，中小工廠或許PLC就足夠了。出于本錢的原因，大型工廠也常常是DCS和PLC混用，不但用PLC的開關(guān)控制能力，也用PLC負(fù)責(zé)一些次要的工段和裝置。系統(tǒng)的復(fù)雜性也在采樣速度上表達(dá)出來，DCS的采樣速度一般較慢，1秒是常規(guī)的，14秒就是很快的了。這對連續(xù)控制來說不是太大的問題，調(diào)節(jié)閥的反響速度沒有那么快，大型過程的溫度、壓力、液位、流量等參數(shù)的變化也沒有那么快，1秒足夠了。然而，對于設(shè)備保護(hù)或者平安連鎖來說，1秒就太長了，需要降到毫秒級，這就是PLC的用武之地了。DCS適合于隨時增減和修改回路。調(diào)整參數(shù)不需要把回路

17、停下來，增減回路也只需要停下局部的回路，其他回路繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。DCS擁有很強(qiáng)大的先進(jìn)控制算法的支持，包括自帶的系統(tǒng)內(nèi)的支持和第三廠家的支持。很多以先進(jìn)控制為生的公司的產(chǎn)品根本上支持所有主要的DCS，但罕有支持PLC的。PLC也可以增減回路或者修改參數(shù)，但要繁瑣得多，有時需要停下整個系統(tǒng)、重新上載整個組態(tài)文件才行。這不是PLC的設(shè)計缺陷，而是設(shè)計思想所致。DCS本來就是為隨時修改系統(tǒng)設(shè)計的，在設(shè)計和構(gòu)造上也為此付出代價。PLC那么是平安系統(tǒng)，弄好了就不能太隨便就更改的，這樣也增加了系統(tǒng)的可靠性和響應(yīng)速度。像FSC這樣變態(tài)的，不把整個系統(tǒng)停下來，再闖三關(guān)過六碼頭，根本不可能改變?nèi)魏螀?shù)或者組態(tài)。DCS

18、和PLC的另一個差異是人機(jī)接口。DCS都有很完善的人機(jī)接口，包括顯示屏和鍵盤，可以顯示圖形和字符，并輸入操作指令。過去是專用的，現(xiàn)在就用通用的PC了。新一代的DCS甚至可以包括頭盔顯示器、像iPod那樣的袖珍人機(jī)接口等。DCS人機(jī)接口既是組態(tài)或系統(tǒng)維護(hù)的窗口，也是操作工的使用窗口。PLC那么有點像“發(fā)射后不管的導(dǎo)彈，組態(tài)好了就不用管它，要管也沒法管，因為平安連鎖都是在瞬間完成，再強(qiáng)的操作工也不可能中途干預(yù)，所以通常只有組態(tài)和維護(hù)的接口，沒有操作窗口。組態(tài)和維護(hù)窗口用于操作和監(jiān)控那是不可能的，使用太別扭了，沒有專門訓(xùn)練連進(jìn)都進(jìn)不去。在實用中，PLC一般是掛在DCS或者SCADA下面要談到上，借用

19、它們的人機(jī)接口顯示操作監(jiān)控信息。但PLC也有PLC獨特的優(yōu)點。由于PLC根本上還是開關(guān)控制，控制邏輯的測試比擬容易，甚至有測試模式和工作模式，用完全一樣的組態(tài)在測試模式下測試，可以假想性地觸發(fā)各種條件，觀察系統(tǒng)的反響，然后做相應(yīng)的調(diào)試。完全滿意后，改到工作模式就行了。在測試的時候，同一控制邏輯的老版本可以平行運(yùn)行，保證生產(chǎn)過程的繼續(xù)。這在DCS上就是不可能的了。DCS的控制輸出是連續(xù)的，除了接上一套過程仿真系統(tǒng)，不可能作這樣的測試，因為不可能知道被控變量是怎么反響的。而且DCS也沒有什么工作模式和測試模式之分，組好態(tài)了就是工作模式。所以即使有仿真系統(tǒng)，要么仿真系統(tǒng)和真實系統(tǒng)各有一套DCS，要么

20、就要建立一套平行的組態(tài)，很是麻煩。PLC會取代DCS嗎.DCS會取代PLC嗎.隨著計算機(jī)技術(shù)的開展，看來兩者不是取代，而是融合。Emerson的Delta V是DCS，但在一開場就考慮到了PLC的功能，所以PLC功能十分強(qiáng)大。在現(xiàn)場總線問題上，Delta V也是兩者通吃，F(xiàn)F和Profibus都兼容，估計可能還是要通過某種適配器或者轉(zhuǎn)接裝置。Honeywell也是一樣，新的Experion系統(tǒng)中的根本單元C100200300系列索性由Rockwell下屬的Allen Bradley設(shè)計，當(dāng)然也是從一開場就考慮了PLC的功能。未來可能不再有DCS和PLC之分了，只是在同一個網(wǎng)絡(luò)上掛上的不同模塊而

21、以。除了DCS和PLC外，還有一種重要的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)稱為SCADA，全稱為Supervisory Control And Data Acquisition，意為監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集。這是專用于遠(yuǎn)程監(jiān)控的系統(tǒng)，比方天然氣管道、無人值守的油井等。在構(gòu)造上，SCADA有較完善的人機(jī)接口和低速遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送網(wǎng)路，甚至是無線鏈路，在網(wǎng)路的那一頭那么是現(xiàn)場的PLC或者RTURemote Terminal Unit，和現(xiàn)場PLC對應(yīng)的連續(xù)控制裝置。SCADA的重點在于數(shù)據(jù)采集，而不在于控制。中心控制室的操作工可以看到遠(yuǎn)方的低速采樣實時數(shù)據(jù)，也可以偶爾改動控制參數(shù)，但根本上是依靠PLC或者RTU執(zhí)行就地控制，有點“將

22、在外君命有所不受的意思。SCADA比DCS廉價，用于小規(guī)模的工業(yè)控制也是可以的，像天然氣管線上低溫別離乙烷和其他高碳組分的天然氣處理廠，但用于大規(guī)模的工業(yè)過程，還是小馬拉大車了，就好似用低檔PC和家庭版Windows XP做工業(yè)規(guī)模的效勞器一樣力不從心?，F(xiàn)場總線Field Bus無疑是DCS和PLC問世后工業(yè)控制系統(tǒng)中最重要的動向之一?，F(xiàn)場總線在概念上和PC世界的USB相仿，現(xiàn)場的變送器和調(diào)節(jié)閥可以像“一串蟹一樣掛上去，可以plug and play。數(shù)字化的信號傳輸使自檢變得很方便，這對施工和維護(hù)是非常重要的。通過現(xiàn)場總線，現(xiàn)場裝置可以就地組成PID回路，只向DCS或者PLC報告“高層次的參數(shù)。然而，現(xiàn)場總線也有一些問題。一是可靠性問題。如果很多現(xiàn)場裝置都掛在一根現(xiàn)場總線上，萬一掛了，那就毀了一大片，這在很多工業(yè)領(lǐng)域里是不可承受的。為了緩解這個問題，必須限制在同一現(xiàn)場總線上掛靠的裝置數(shù)量，這就限制了現(xiàn)場總線的優(yōu)越性。但是現(xiàn)場還是有那么多變送器，為了降低“一損俱損的風(fēng)險，只能往同一地方拉幾根現(xiàn)場