試議DCS集散控制系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)

1、淺談DCS集散操縱系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)（一）2006-4-8 14:15:00一、集散操縱系統(tǒng)DCS與現(xiàn)場總線操縱系統(tǒng)FCS的比較（一）概述FCS、DCS FCS是在DCS的基礎(chǔ)上進展起來的，F(xiàn)CS順應(yīng)了自動操縱系統(tǒng)的進展潮流，它必將替代DCS。這已是業(yè)內(nèi)人士的差不多共識。然而，任何新事物的發(fā)生，進展差不多上在對舊事物的揚棄中進行的，F(xiàn)CS與DCS的關(guān)系必定也不例外。FCS代表潮流與進展方向，而DCS則代表傳統(tǒng)與成熟，也是獨具優(yōu)勢的事物。特不是現(xiàn)時期，F(xiàn)CS尚沒有統(tǒng)一的國際標準而呈群雄逐鹿之勢，DCS則以其成熟的進展，完備的功能及廣泛的應(yīng)用而占居著一個尚不可完全替代的地位。本人認為：現(xiàn)場總線操縱系統(tǒng)F

2、CS應(yīng)該與集散式操縱系統(tǒng)DCS相互兼容。 不管是FCS或者是DCS，它們最終是為了滿足整個生產(chǎn)過程而進行的系統(tǒng)操縱（PCS）。 首先以工程成本與效益看，現(xiàn)場總線的全然優(yōu)勢是良好的互操作性；結(jié)構(gòu)簡單，從而布線費用低；操縱功能分散，靈活可靠，以及現(xiàn)場信息豐富。然而這些優(yōu)勢是建立在 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過渡，則必須認真考慮現(xiàn)有投資對已有投資的回報率。充分利用已有的DCS設(shè)施，現(xiàn)有DCS的布線以及成熟的DCS操縱治理方式來實現(xiàn)FCS是我們應(yīng)選之途。 盡管現(xiàn)場總線對已有的數(shù)字現(xiàn)場協(xié)議有優(yōu)勢可言，但向其過渡的代價與風險是必須分析清晰的。再者，從技術(shù)的繼承及操縱

3、手段上，也要求FCS與DCS應(yīng)相兼容。FCS實現(xiàn)操縱功能下移至現(xiàn)場層，使DCS的 多層網(wǎng)絡(luò)被扁平化，各個現(xiàn)場設(shè)備節(jié)點的獨立功能得以加強，因此，在FCS中有必要增加和完善現(xiàn)場子層設(shè)備間的數(shù)據(jù)通訊功能。 由于歷史的緣故，DCS通常擁有大型操縱柜用以協(xié)調(diào)各個設(shè)備，同時更強調(diào)層與層的數(shù)據(jù)傳輸?？梢姡瑑煞N操縱在策略上各具優(yōu)勢。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，當數(shù)據(jù)量超過一定值過于偏大時，假如同層的設(shè)備過于獨立，則專門容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的堵塞。要解決那個問題，擬設(shè)立一個適當?shù)谋O(jiān)控層用以協(xié)調(diào)相互通訊的設(shè)備，必定是有益的，DCS就能輕松地勝任這一工

4、作?？梢?，為使FCS的操縱方式和手段完善化，是有必要借鑒DCS的一些操縱思想的。 要把握新世紀工業(yè)過程操縱的進展趨勢，不管在學術(shù)研究或是工程應(yīng)用方面都有必要使FCS綜合與繼承DCS的成熟操縱策略；與此同時，DCS的進展也應(yīng)查找FCS操縱策略的新思想，使其具有新的生命力。DCS應(yīng)能動地將底層操縱權(quán)交付給FCS系統(tǒng)，將較高層的系統(tǒng)協(xié)調(diào)治理功能發(fā)揚光大，完成對新時代，新形勢的工業(yè)操縱系統(tǒng)的智能設(shè)備集成。（二）現(xiàn)場總線傳輸特點 現(xiàn)場總線操縱系統(tǒng)（FCS）是順應(yīng)智能現(xiàn)場儀表而進展起來的。它的初衷是用數(shù)字通訊代替420mA模擬傳輸技術(shù)，但隨著現(xiàn)場總線技術(shù)與智能儀表管控一體化（儀表調(diào)校、操縱組態(tài)、診斷、報警

5、、記錄）的進展，在操縱領(lǐng)域內(nèi)引起了一場前所未有的革命。操縱專家們紛紛預(yù)言：FCS將成為21世紀操縱系統(tǒng)的主流。 然而就在人們沸沸揚揚的對FCS進行概念炒作的時候，卻沒有注意到它的進展在某些方面的不協(xié)調(diào)，其要緊表現(xiàn)在迄今為止現(xiàn)場總線的通訊標準尚未統(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，以基金會現(xiàn)場總線（FF）正在制定的國際標準為例，它采納了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，就針對西門子推出的PROFIBUS總線而

6、言：其市場站有率相對較大，但由于受通訊線路長度的阻礙，在100M線路長度下最高通訊速率為12Mbps，這在有些場合下仍無法滿足實時操縱的要求。由于上述緣故，使FCS在工業(yè)操縱中的推廣應(yīng)用受到了一定的限制。當人們平復(fù)下來對這些問題進行考慮時，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，由于它支持幾乎所有流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，因此在商業(yè)系統(tǒng)中被廣泛采納。然而傳統(tǒng)以太網(wǎng)采納總線式拓樸結(jié)構(gòu)和多路存取載波偵聽碰撞檢測（CSMA/CD）通訊方式,在實時性要求較高的場合下，重要數(shù)據(jù)的傳輸過程會產(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)

7、在工業(yè)應(yīng)用中的傳輸延滯在230ms之間，這是阻礙以太網(wǎng)長期無法進入過程操縱領(lǐng)域的重要緣故之一。因此對以太網(wǎng)的研究具有工程有用價值，從而產(chǎn)生了一種新型以太網(wǎng)。（三）工業(yè)以太網(wǎng)的研究現(xiàn)狀 近年來操縱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)標準，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)了兩個值得注意的進展方向：以太網(wǎng)集線器和具有實時功能的以太網(wǎng)的協(xié)議。1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)采納星型拓樸結(jié)構(gòu)。集線器（HUB）置于網(wǎng)絡(luò)中心并通過以太網(wǎng)I/O接口掛接現(xiàn)場設(shè)備，其中實時現(xiàn)場儀表和一般現(xiàn)場儀

8、表（通過通道組）分不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)掃描所有實時現(xiàn)場儀表和通道組，然后傳送數(shù)據(jù)包到上層操縱器。通常一般操縱算法在現(xiàn)場操縱器中進行（可由上層操縱器下載），而高級操縱算法則在上層操縱器中進行，其操縱輸出經(jīng)以太網(wǎng)集線器和以太網(wǎng)I/O接口傳輸?shù)浆F(xiàn)場執(zhí)行儀表。由于實時現(xiàn)場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)，因此保證了實時數(shù)據(jù)可不能產(chǎn)生傳輸延滯和線路堵塞。集線器作為網(wǎng)絡(luò)的仲裁器，除了操縱通信雙方的傳輸時刻外，還對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包進行優(yōu)先級設(shè)置，使每條信息都包含傳輸優(yōu)先級等實時參數(shù)。此外智能化的集線器還能夠動態(tài)檢測需要通訊的現(xiàn)場設(shè)備

9、所在以太網(wǎng)I/O口，并為之提供數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，如此可大大縮短現(xiàn)場設(shè)備的響應(yīng)時刻和減少數(shù)據(jù)的重發(fā)次數(shù)。集線器與其它集線器相連可實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)共享。經(jīng)驗證這種采納以太網(wǎng)集線器技術(shù)的FCS可使實時數(shù)據(jù)的延遲時刻操縱在200納秒的范圍之內(nèi)，這已足以滿足多數(shù)場合的實時操縱要求。2在以太網(wǎng)的協(xié)議中加入實時功能一些FCS的生產(chǎn)商（如ControlNet、Profibus、Modbus和Java等）在開發(fā)自己的工業(yè)以太網(wǎng)FCS時，在工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議中加入實時功能，此項技術(shù)被稱為“地道”，它事實上僅僅是在設(shè)備中加入專門的協(xié)議芯片，那個地點不做具體介紹。3工業(yè)以太網(wǎng)的研究課題 上述研究工作的進展為以太網(wǎng)進入FC

10、S提供了可行性，但要使以太網(wǎng)能在FCS中發(fā)揮其強大的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，以滿足現(xiàn)代工業(yè)操縱中日益增長的數(shù)據(jù)傳輸和信息傳輸種類（如語音、圖象和視頻等）的需要，還有待于研究工作取得更大的突破性進展。目前的研究工作應(yīng)集中解決以下兩個方面的問題：（四）盡快推出FCS國際標準當今的FCS領(lǐng)域出現(xiàn)了世界各大廠商各自為戰(zhàn)的混亂局面。其中有阻礙的為Intel公司的Bitbus、德國的HART和Profibus、丹麥的P-NET、Honeyvell及AB的WorldFIP、Foxboro,ABB和橫河的ISP、FF的H1和H2和Echelon的Lonworks、菲利普的CAN等。這種混亂局面是由于各大廠商為了搶占市場急于

11、推出自己的產(chǎn)品，而FCS的國際標準又遲遲不能出臺所造成的。標準的不統(tǒng)一使各廠家推出的FCS成為一個個“自動化孤島”，不同系統(tǒng)和現(xiàn)場設(shè)備的兼容性都專門差。FCS的用戶強烈呼吁盡快出臺FCS的國際標準，以期望實現(xiàn)FCS的“世界大同”。1994年6月WorldFIP和ISP聯(lián)合成立了FF，它包括了世界上幾乎所有的聞名操縱儀表廠商在內(nèi)的100多個成員單位，致力于IEC的FCS國際標準化工作。但由于部分成員為了自身利益，力圖阻止FCS的國際標準出臺，形成了FF的FCS國際標準難以“一統(tǒng)天下”的令人擔憂的局面。解決這一問題的途徑是：一是要求FF在其國際標準中推出完善的用戶層和嚴格的互操作性的產(chǎn)品認證；二是

12、提高用戶抵制非國際標準的FCS的自覺性。工業(yè)以太網(wǎng)向FCS現(xiàn)場級的延伸。必須指出，工業(yè)以太網(wǎng)FCS中，其現(xiàn)場級總線的傳輸速度并不理想，這是因為工業(yè)以太網(wǎng)還只是在上層操縱網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用，而許多廠商出于安全考慮，在許多技術(shù)問題沒有解決之前，現(xiàn)場級尚未使用工業(yè)以太網(wǎng)，因此FCS總體的傳輸速度沒有什么質(zhì)的飛躍。為了實現(xiàn)以太網(wǎng)向現(xiàn)場級的延伸，除了改進以太網(wǎng)的通訊協(xié)議之外，還需要解決網(wǎng)絡(luò)的本安、現(xiàn)場設(shè)備的冗余和通過以太網(wǎng)向現(xiàn)場儀表供電等技術(shù)問題。本人認為，在保留FCS特色的基礎(chǔ)上解決上述問題才能使工業(yè)以太網(wǎng)具有生命力。工業(yè)以太網(wǎng)的介入為FCS的進展注入了新的活力，隨著FCS國際標準的推出以及有關(guān)技術(shù)問題的突破

13、性進展，一個代表21世紀潮流的工業(yè)以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線操縱系統(tǒng)時代就會到來。二、PLC與DCS、 FCS比較 PLC是由早期繼電器邏輯操縱系統(tǒng)與微機計算機技術(shù)相結(jié)合而進展起來的，它是以微處理器為主的一種工業(yè)操縱儀表，它融計算機技術(shù)、操縱技術(shù)和通信技術(shù)于一體，集順序操縱、過程操縱和數(shù)據(jù)處理于一身，可靠性高、功能強大、操縱靈活、操作維護簡單。近幾年來，可編程序操縱器及組成系統(tǒng)在我國冶金、電廠、輕工石化、礦業(yè)、水處理等行業(yè)更是到了廣泛的應(yīng)用，并取得了一定的經(jīng)濟效益。由于工業(yè)生產(chǎn)過程是一個分散系統(tǒng)。用戶往往關(guān)懷的不只是一個操縱系統(tǒng)（例如DEH），因為它只是整個生產(chǎn)過程的一部分。他需要了解、操縱整個操縱系統(tǒng)

14、。例如，電廠生產(chǎn)原料是煤、水，而制成品是電。因此生產(chǎn)過程操縱（PCS）的方式最好是分散進行，而監(jiān)視、操作和最佳化治理應(yīng)以集中為好。隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，操縱治理的要求不斷提高，過程參數(shù)日益增多，操縱回路越加復(fù)雜，在70年代中期產(chǎn)生了集散操縱系統(tǒng)DCS，他一經(jīng)出現(xiàn)就受到工業(yè)操縱界的青睞。DCS是集計算機技術(shù)、操縱技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和圖形顯示技術(shù)于一體的系統(tǒng)。與常規(guī)的集中式操縱系統(tǒng)相比有如下特點：1實現(xiàn)了分散操縱。它使得系統(tǒng)操縱危險性分散、可靠性高、投資減小、維護方便。2實現(xiàn)集中監(jiān)視、操作和治理。使得治理與現(xiàn)場分離，治理更能綜合化和系統(tǒng)化，3采納網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，這是DCS的關(guān)鍵技術(shù)，它使得操縱與

15、治理都具實時性，并解決系統(tǒng)的擴充與升級問題。目前，由于PLC把專用的數(shù)據(jù)高速公路（HIG HWAY）改成通用的網(wǎng)絡(luò)，并逐步將PLC之間的通信規(guī)約靠攏使得PLC 有條件和其它各種計算機系統(tǒng)和設(shè)備實現(xiàn)集成，以組成大型的操縱系統(tǒng)，這使得PLC 系統(tǒng)具備了DCS的形態(tài)，如此，基于PLC的DCS系統(tǒng)目前在國內(nèi)外都得到了廣泛的應(yīng)用。應(yīng)該講，PLC就其現(xiàn)狀和進展趨勢，更接近PCS系統(tǒng)所要求的FCS操縱系統(tǒng)。 只是，由于受傳統(tǒng)設(shè)計理驗的阻礙，完全由PLC系統(tǒng)來構(gòu)成傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)還較難于讓國內(nèi)保守的設(shè)計院大量采納，盡管國外差不多有大量的基于PLC構(gòu)成的DCS系統(tǒng)正在正常的運行。三、我們采納什么樣的系統(tǒng)？ 我們

16、假如有志于在工業(yè)自動化操縱系統(tǒng)中施展才能就必須進展DCS或FCS系統(tǒng)。因為它是以后工控領(lǐng)域的主流進展方向。至于采納不人的DCS、FCS系統(tǒng)依舊自己開發(fā)DCS、FCS系統(tǒng)就要看看究竟我們具備什么樣的能力，在下面的看法中我將要詳細分析我們的要緊特點和究竟在技術(shù)上需求什么！ 假如講今后選擇操縱系統(tǒng)，我認為應(yīng)該選擇代表成熟的集散式操縱系統(tǒng)DCS并具備先進的現(xiàn)場總線操縱系統(tǒng)FCS，它們之間應(yīng)該相互兼容。（一）采納現(xiàn)有的DCS系統(tǒng) 這確實是我在摘要中所提及的“維持現(xiàn)狀坐觀工控產(chǎn)業(yè)的日新月異的進展”。這種方式相對來講無需投入較大的人力、物力開發(fā)產(chǎn)品，只須完全選用不人的產(chǎn)品，被動學習新的知識，而自動操縱開發(fā)處

17、則充當工程調(diào)試隊。這種方式就目前情況而言能夠維持生存，但縱觀實例是不可能有大的進展。（二）采納不人的硬件和軟件系統(tǒng)（OEM）自己構(gòu)成DCS系統(tǒng) 這種方式我們也曾經(jīng)嘗試過，只是，我們僅僅是降低了部分生產(chǎn)成本。降低產(chǎn)品總成本的主動權(quán)不屬于我們，而業(yè)績則屬于軟硬件開發(fā)商。（三）與不人合作，共同開發(fā)新型DCS系統(tǒng)這種方式我們也曾經(jīng)嘗試過，產(chǎn)品自主權(quán)不完全屬于我們。技術(shù)水平我們先不用評講。但市場接納程度還不理想。一但合作方短時刻沒有足夠的回報率他是不可能再投入人力、物力以完善系統(tǒng)、提高技術(shù)水平。因為他不可能在一棵樹上吊死，他還必須生存！這也是人之常情。 假如利用不人的成熟產(chǎn)品之品牌組成全方位合作模式，應(yīng)

18、該講在世界范圍是有成功的例子。關(guān)鍵是應(yīng)該認真分析、了解什么緣故市場接納不夠？如何樣才能滿足市場生存要求？（四）完全自己開發(fā)DCS系統(tǒng) 這種方法由來已久！假如DCS開發(fā)成功，那不言而喻是一件好事！不管在電站自動化或者是其他行業(yè)中，工程應(yīng)用的種種努力差不多上在為自己而作。其產(chǎn)品成本完全掌握在自己手里。獲得更大的利潤不再是一句空話。只是，我們應(yīng)該在動手之前，充分了解自己究竟有沒有能力開發(fā)產(chǎn)品，又有沒有能力將其推向市場。這往往是我們考慮得較多的問題，從而導(dǎo)致我們無法下定決心的關(guān)鍵所在。那就先讓我們分析一下究竟需要什么技術(shù)和人才吧！ 前面講了DCS系統(tǒng)是集計算機技術(shù)、操縱技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和圖形顯示技術(shù)于一體的系統(tǒng)。那就需要計算機、圖形顯示技術(shù)（軟硬件件開發(fā)、系統(tǒng)維護），操縱技術(shù)（系統(tǒng)工程師、硬件接口），網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)（網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)及協(xié)議標準制定）。1計算機、圖形顯示技術(shù)（軟硬件件開發(fā)、系統(tǒng)維護）DCS系統(tǒng)的軟件技術(shù)包括如下方面：用于操縱組態(tài)的