計算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展動向的思索模板

計算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展動向的思索資料內(nèi)容僅供參考，如有不當(dāng)或者侵權(quán)，請聯(lián)系本人改正或者刪除。前言

20世紀(jì)后半葉,由于計算機(jī)、通信、控制、儀表、軟件等技術(shù)的飛速發(fā)展,不但產(chǎn)生了多種多樣的自控產(chǎn)品,也豐富了人們進(jìn)行自控設(shè)計的思路與方案。

在工業(yè)生產(chǎn)過程中,1969年問世的PLC和1975年問世的DCS可能是兩類影響最為深遠(yuǎn)的計算機(jī)控制系統(tǒng)。PLC的問世取代了繼電器之類的器件,實現(xiàn)了開關(guān)量的聯(lián)鎖控制、程序控制;DCS的問世取代了顯示儀、調(diào)節(jié)器之類的儀表,實現(xiàn)了模擬量的指示、記錄和PID回路調(diào)節(jié)等功能。隨著計算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,PLC、DCS互相融合,互相滲透,取長補(bǔ)短。PLC吸取了DCS在回路控制功能、CRT顯示功能、網(wǎng)絡(luò)功能等方面的長處,DCS吸取了PLC在聯(lián)鎖控制功能、程序控制功能、梯形圖及功能塊圖編程功能等方面的長處,兩者之間的差別越來越小,分界線也越來越模糊了。另外,隨著其它計算機(jī)控制系統(tǒng)的不斷出現(xiàn),控制系統(tǒng)的產(chǎn)品早已呈現(xiàn)出多元化的發(fā)展格局,而針對某一具體用戶來說,DCS+PLC的控制方案不再受青睞,控制系統(tǒng)設(shè)備一體化的呼聲越來越高。近年來,控制系統(tǒng)的發(fā)展還出現(xiàn)這樣一些趨勢:向國產(chǎn)DCS系統(tǒng)轉(zhuǎn)移,向PLC轉(zhuǎn)移,向現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS轉(zhuǎn)移,而以PC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)(PC-BasedControlSystem,PCBCS)也呈現(xiàn)良好的發(fā)展態(tài)勢。本文將針對以上的動向談?wù)勛髡叩南敕ā?/p>

一

控制系統(tǒng)類型的多元化

20世紀(jì)70年代中期,DCS剛剛問世一兩年就開始進(jìn)入中國,作為一種全新的控制模式和方便實用的CRT顯示手段,很快為中國用戶所接受,而在國外出現(xiàn)更早的PLC卻遲至80年代初才為中國技術(shù)人員所知曉。不久因單回路可編程序控制器的普及,又出現(xiàn)了PC+單回路可編程序控制器組合的計算機(jī)控制系統(tǒng),由于此方案的數(shù)據(jù)采集、控制功能均由單回路可編程序控制器完成,集中管理在PC機(jī)上實現(xiàn),系統(tǒng)組成靈活、規(guī)?？勺儭⑽ｋU分散、費用不高,因此當(dāng)時就有學(xué)者指出這是最符合中國國情的一種控制系統(tǒng)選型方案。在中國市場上影響最大的日本山武公司的KMM、SDC-40B,日本橫河公司的SLPC、YS170,美國?？怂共_公司的MICRO760、761、762,美國霍尼韋爾公司的UDC6000、6300及國產(chǎn)DTZB-2310A等均能夠這種方式構(gòu)成計算機(jī)控制系統(tǒng)。

進(jìn)入90年代,單回路可編程序控制器向多回路及可附加I/O方向發(fā)展,一臺盤裝儀表形式的可編程序控制器能夠完成雙回路、4回路、8回路甚至24個回路的PID控制,I/O點總數(shù)可達(dá)數(shù)十點乃至上百點,非常適合小型裝置使用。

一些生產(chǎn)大型DCS的廠商也開始推出中型化、小型化、微型化的DCS,例如美國霍尼韋爾公司就先后推出MICROTDC-3000、S9000、SCAN3000、UMC800等控制系統(tǒng),系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)規(guī)模從數(shù)千點可減少到數(shù)十點。北京和利時公司在推出HS系統(tǒng)之后,也曾推出過100點以下規(guī)模的mCS微型控制系統(tǒng)和稍大規(guī)模的FOCS系統(tǒng)。

甚至連記錄儀、數(shù)字顯示儀類的產(chǎn)品也擴(kuò)展了功能,廠家在為其配備通信接口后,也能夠?qū)⑺鼈冏鳛閿?shù)據(jù)采集器和后備儀表與PC構(gòu)成簡易型計算機(jī)控制系統(tǒng)(因某些記錄儀、數(shù)字顯示儀也帶控制功能)。當(dāng)系統(tǒng)工作正常時,可由PC機(jī)進(jìn)行集中管理,一旦PC機(jī)出現(xiàn)故障,記錄儀或數(shù)字顯示儀可作為備用儀表顯示工藝參數(shù)。某些公司生產(chǎn)的記錄儀不但自身可與PC機(jī)組成控制系統(tǒng),還能夠與該公司生產(chǎn)的可編程序控制器等設(shè)備共同組成控制系統(tǒng),此時記錄儀以其點數(shù)多(如6、12、24、32、64點)的優(yōu)點彌補(bǔ)可編程序控制器I/O點數(shù)較少、單個I/O點采集成本高的缺陷,如瀘州天然氣化工廠240kt/y尿素工程監(jiān)控系統(tǒng)就是由日本山武公司SDC30/31/40B可編程序控制器、美國霍尼韋爾公司DPR系列多點記錄儀及PC機(jī)組成。

一些生產(chǎn)計算機(jī)的廠家不甘落后,近年來也推出一些I/O接口產(chǎn)品與其生產(chǎn)的計算機(jī)配套,其中比較有影響的是研華公司的ADAM模塊、研發(fā)公司的DAC模塊,這也是一類低成本的計算機(jī)控制系統(tǒng)。

另外,還有近年來飛速發(fā)展的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS,以及以PC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)PCBCS。

擺在控制系統(tǒng)選型者和用戶面前的方案令人眼花繚亂,甚至不知所措,這種多元化的市場格局雖然會使用戶選型增加很多工作量,但較之一兩個方案有充分的挑選余地。

二

控制設(shè)備的一體化

按中國的體制,工程設(shè)計、施工安裝、現(xiàn)場維護(hù)一般都是分成自控儀表、電氣兩個專業(yè),模擬量控制選DCS、開關(guān)量控制選PLC幾乎是80年代及90年代初期工業(yè)過程控制的通用模式。這種方案采用兩套控制設(shè)備,構(gòu)成兩個控制中心,帶來投資、操作、生產(chǎn)管理上的大量問題,即使稍后采用接口讓DCS、PLC互相通信,上述問題并未得到根本解決。因此不少用戶迫切希望工藝過程的所有控制要求應(yīng)該由一個控制系統(tǒng)來完成,至于工藝過程是屬于連續(xù)過程、間斷過程還是批量過程,是以模擬量為主還是以開關(guān)量為主,那只是控制系統(tǒng)選型應(yīng)該考慮的問題,其關(guān)鍵是控制設(shè)備應(yīng)一體化。

冶金行業(yè)較早提出EIC(電氣、儀表、計算機(jī))一體化,建材行業(yè)也如此,電力行業(yè)更希望用一套控制設(shè)備完成以下多類控制功能:DAS(數(shù)據(jù)采集系統(tǒng))、CCS(協(xié)調(diào)控制系統(tǒng))、SCS(順序控制系統(tǒng))、FSSS(爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng))、ECS(電氣控制系統(tǒng))、DEH(汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng))、MEH(給水泵數(shù)字電液控制系統(tǒng))、ETS(汽機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)),這些都說明很多行業(yè)都在提倡控制設(shè)備一體化。

控制系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家早就看到了這一點,她們也不斷地改進(jìn)自己的產(chǎn)品,如霍尼韋爾公司的TDC-3000DCS,原來對大量的開關(guān)量控制采用IPC620-35PLC,它經(jīng)過PLC接口接入系統(tǒng),這屬于DCS+PLC方式。后來該公司將IPC620-35與PLC接口LMM(邏輯管理器組件)組合成LM(邏輯管理器),作為大量開關(guān)量的控制設(shè)備,而大量的模擬量控制則先后采用PM(過程管理器)、APM(高級過程管理器)、HPM(高性能過程管理器)來完成,這些設(shè)備經(jīng)過UCN(通用控制網(wǎng)絡(luò))接入LCN(局部控制網(wǎng)絡(luò)),進(jìn)入管理網(wǎng)絡(luò)。這樣的變化對用戶來說感覺就不一樣了,會認(rèn)為它是一個一體化的、具有強(qiáng)大開關(guān)量控制功能的DCS,因此LM的銷售量遠(yuǎn)高于IPC620-35。

再如西門子公司,PLC是其強(qiáng)項,S5、S7系列PLC產(chǎn)品早已風(fēng)靡全球。該公司在1996年推出的PCS7,號稱是過程控制系統(tǒng),但其硬件部分仍是原有PLC系統(tǒng)的部件,如自動化控制系統(tǒng)(即現(xiàn)場控制站)的中央處理器采用的是S7-414以上的CPU,其分布式I/O仍沿用S7PLC中使用的ET200遠(yuǎn)程I/O,只是控制軟件選用了帶更多模擬量控制功能的WinCC,因此其模擬量處理功能、控制功能及網(wǎng)絡(luò)功能大大增強(qiáng),也更容易滿足工藝過程控制系統(tǒng)一體化的需求。

制造廠家在擴(kuò)展功能方面的努力,為用戶實現(xiàn)工藝過程控制系統(tǒng)一體化創(chuàng)造了條件。中小型生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)一體化較早得到順利實施,大型生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)一體化的進(jìn)展也很快。以煉鐵高爐為例,近年來國內(nèi)大型高爐所采用自動化系統(tǒng)的實例有關(guān)資料中共列舉了19套,在1994年以前投運的有8套,其中DCS+PLC占大多數(shù),一體化的控制系統(tǒng)僅占25%;1994年及以后投運的有11套,一體化的控制系統(tǒng)則占73%。

三

向國產(chǎn)DCS轉(zhuǎn)移

國產(chǎn)DCS雖然誕生于20世紀(jì)80年代,但取得實質(zhì)性進(jìn)展則是在90年代中期,當(dāng)前令中國儀器儀表行業(yè)引以為豪的浙江浙大中控公司、北京和利時公司、上海新華控制工程公司均從這一時期起步,當(dāng)前都達(dá)到2~3億元的年產(chǎn)值和每年數(shù)十至上百套系統(tǒng)的業(yè)績。在與國外DCS廠家的競爭中,當(dāng)前還不好說國產(chǎn)DCS全面占有優(yōu)勢,但至少在一部分行業(yè)、在中小型企業(yè)能打成平手甚至略占優(yōu)勢。國產(chǎn)DCS從中小型企業(yè)開始,從輔助工序開始,現(xiàn)已逐步進(jìn)入大型、特大型企業(yè),進(jìn)入主體工序。以電力系統(tǒng)為例,國產(chǎn)DCS生產(chǎn)廠從中小機(jī)組開始,在50、100、125、200MW機(jī)組上積累了豐富的經(jīng)驗,當(dāng)前已在300MW機(jī)組上采用了25套(每一套的I/O總點數(shù)約5000,是一個非常大的系統(tǒng))DCS。新華公司總承包了安徽平圩電廠2×600MW機(jī)組、天津大唐盤山發(fā)電公司2×600MW機(jī)組的部分控制系統(tǒng)。核電站是公認(rèn)的控制要求最為嚴(yán)格的行業(yè),而和利時公司已先后有7套DCS應(yīng)用于核電站。7月,和利時公司為秦山核電站二期工程2×600MW壓水堆電站提供的成套設(shè)備儀表及控制系統(tǒng)(物理量點數(shù)超過10000)已經(jīng)過由信息產(chǎn)業(yè)部科技司組織的技術(shù)鑒定。

由于三大國產(chǎn)DCS公司不凡的業(yè)績,作者認(rèn)為這些公司的產(chǎn)品已從成長期進(jìn)入成熟期。幾年來,我院在幾個工程項目中選用了浙大中控公司、和利時公司的多套系統(tǒng),這些系統(tǒng)在投運后均工作正常,尚未發(fā)現(xiàn)因硬件、軟件原因造成系統(tǒng)不能正常使用的問題,用戶對系統(tǒng)也比較滿意。

遺憾的是國內(nèi)PLC行業(yè)非常蕭條,一直未有能與國外PLC相抗衡的產(chǎn)品問世。北京和利時公司在其產(chǎn)品FOCS系統(tǒng)中除有FODCS外,還有一款FOPLC,意欲在PLC產(chǎn)品領(lǐng)域與國外產(chǎn)品競爭。和利時公司的FOCS系統(tǒng)采用的是一種新的產(chǎn)品開發(fā)思路,用德國VIPA公司的I/O模塊OEM及FOCSSOFTHMI人機(jī)界面軟件構(gòu)成中小規(guī)模的PLC類產(chǎn)品。

四

向PLC控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)移

早期的DCS、PLC各自為政,兩者相安無事,而進(jìn)入互相融合時期,其競爭非常激烈。PLC以其產(chǎn)品應(yīng)用廣泛、產(chǎn)量大、價格稍低的優(yōu)勢逐漸擠占了DCS原有的市場。如在90年代初期,美國德州儀器公司的PLC產(chǎn)品PM550、TI650不但在冶金工廠需要開關(guān)量控制的工序中大量得到使用,而且也進(jìn)入了化工行業(yè),如新疆化肥廠、湖南資氮集團(tuán);日本歐姆龍公司的PLC在長山化肥廠、南化氮肥廠、三明化工廠、浩良河化肥廠也有成功應(yīng)用。

據(jù)介紹,在國內(nèi)水泥行業(yè)控制系統(tǒng)20余年的應(yīng)用中,DCS、PLC大致上各占半壁江山,其中80年代中后期及90年代初期以傳統(tǒng)的DCS應(yīng)用較多,而在此之后,是以PLC型DCS(即PLC+微機(jī)組成的DCS系統(tǒng))的應(yīng)用較多,世界著名的水泥公司設(shè)計或建設(shè)的大型水泥廠的控制系統(tǒng)也是以PLC型DCS為多。近年來,水泥工廠以及一些水廠、污水處理廠的招標(biāo)書上往往注明DCS,但實際來投標(biāo)的多是PLC廠商或系統(tǒng)集成商,中標(biāo)的系統(tǒng)也往往是PLC型DCS。

1993年,全球PLC+DCS的銷售額是65.4億美元,其中PLC占59.6%。,全球PLC+DCS的銷售額是117億美元,比1993年增長了78.9%;其中PLC占65.0%,市場份額上升了5.4%,比1993年P(guān)LC的銷售額增長了94.9%;DCS市場份額從40.4%減少到35.0%,銷售額僅增長了55.3%。

還有一個現(xiàn)象也說明PLC的影響越來越大,為PLC制定的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61131,不但在PLC產(chǎn)品中全面得到推廣,而且眾多DCS產(chǎn)品也競相采用,比如組態(tài)方式采用IEC61131-3中規(guī)定的5種語言:梯形圖、順序功能圖、功能塊圖、指令表和結(jié)構(gòu)化文本語言。

五

向現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)移

現(xiàn)場總線具有以下特點:開放性、可互操作性與可互換性、全數(shù)字化、雙向通信、智能化現(xiàn)場儀表,而以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的開放式、全數(shù)字化的控制系統(tǒng)稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。

在國家經(jīng)貿(mào)委行業(yè)規(guī)劃司的”儀器儀表行業(yè)‘十五’規(guī)劃”中,工業(yè)自動化儀表技術(shù)結(jié)構(gòu)調(diào)整目標(biāo)的第一項為”開發(fā)基于現(xiàn)場總線技術(shù)的智能化現(xiàn)場儀表新產(chǎn)品,并逐漸成為主流產(chǎn)品”,在關(guān)鍵技術(shù)中列出了”現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)技術(shù)”,在重點支持建設(shè)科研和開發(fā)中心內(nèi)容中第一項為”建立現(xiàn)場總線儀表及控制系統(tǒng)研究開發(fā)中心”,在重點科技攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)化項目的建議中第一項也是”新型現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)智能儀表”和”現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)”,由此可見國家對現(xiàn)場總線及現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的重視。

國內(nèi)已有眾多廠家推出現(xiàn)場總線儀表及現(xiàn)場總線控制系統(tǒng),如冶金自動化院早在90年代中期就推出Smar公司的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng),國內(nèi)DCS生產(chǎn)廠近年來也大力推出帶現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng),如北京和利時公司的可連接Profibus現(xiàn)場總線的FOCS系統(tǒng),浙大中控公司的WebFieldECS-100現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)等。

當(dāng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的概念剛剛推出時,控制功能分散、現(xiàn)場儀表信息量增加、節(jié)省電纜、減少安裝工作量等優(yōu)點使用戶非常容易接受,經(jīng)過幾年來的輿論宣傳,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)能夠說已經(jīng)深入人心,人們追求新潮的心理再加上實實在在的好處,使控制系統(tǒng)從常規(guī)的DCS、PLC向現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)移是順理成章的事了。以筆者所在的云南地區(qū)為例,采用現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)已有10多個,應(yīng)用的現(xiàn)場總線類型有Profibus、FF、Interbus。就現(xiàn)場總線和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的推廣來說,中國的步伐是比較快的。據(jù)6月在青島召開的中國FF用戶組織會議上FF專家介紹:FF已在世界上56個國家1800個系統(tǒng)中使用了4萬多臺設(shè)備,其中中國約有100個系統(tǒng)、4000多臺設(shè)備(包括演示系統(tǒng)和設(shè)備),這個應(yīng)用規(guī)模在世界上排第4位。

六

PCBCS的發(fā)展前景

近年來,有不少學(xué)者將PLC、DCS、PCBCS(或者再加上FCS)并稱為當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)過程三大(或四大)控制系統(tǒng)。甚至有人在兩年以前的文章中就談到”多數(shù)人認(rèn)為在今后內(nèi)PC控制將逐步取代傳統(tǒng)的PLC或DCS”。

市場要求自動化系統(tǒng)制造商提供開放的平臺,可是只有PC機(jī)才能提供一個真正的、完全開放的平臺,系統(tǒng)所有的功能集成于PC這個統(tǒng)一開放的平臺上,能夠減少安裝空間、節(jié)省電纜,將復(fù)雜的通信連接簡單化,還可經(jīng)過Internet或Intranet得到重要的生產(chǎn)信息,實現(xiàn)生產(chǎn)過程優(yōu)化。

什么是PCBCS呢?它是指將經(jīng)過加固的PC機(jī)硬件與控制軟件相結(jié)合,實施一般由專用PLC執(zhí)行的控制功能,或者說將PLC的控制功能”封裝在”軟件內(nèi),運行在PC的環(huán)境中。

PCBCS具有非常好的開放性,下層對I/O系統(tǒng)是開放的,能夠支持多種I/O硬件,包括很多PLC的遠(yuǎn)程I/O及I/O分站,上層對多種管理及通信軟件是開放的。

PC控制的優(yōu)點能夠概括為:價格較低;對各種控制及業(yè)務(wù)應(yīng)用、信息的存取均很簡便;軟件向新的硬件平臺的可移植性優(yōu)良;控制、人機(jī)界面及編程功能易于集成;易于將過程控制、邏輯控制、批量控制以及運動控制等合為一體;不依賴于各種專有的控制系統(tǒng)。

德國學(xué)者埃貝哈德·格羅茨博士認(rèn)為,基于PC的自動化控制解決方案的7種趨勢是:在自動化控制技術(shù)中越來越多地使用PC;PC專用軟件越來越多,人們能夠在PC機(jī)上編程和操作,如同在可編程序控制器上一樣;能夠在PC機(jī)上完成實時控制任務(wù)的系統(tǒng)軟件的應(yīng)用越來越廣泛;傳統(tǒng)的PC編程經(jīng)過使用新的編程技術(shù),極大地推進(jìn)了生產(chǎn)的進(jìn)步,使得基于PC的自動化控制技術(shù)得到飛躍發(fā)展;基于PC的自動化標(biāo)準(zhǔn)越來越多;Internet技術(shù)在自動化控制技術(shù)中越來越重要;分布式系統(tǒng)將改變自動化控制方式。

各大PLC制造廠商,如西門子、RockwellAutomation、GEFanuc、三菱電機(jī),均推出自己品牌的PC控制和軟邏