淺談DCS集散控制系統(tǒng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)
| 統(tǒng)中，遵循一定現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)儀表可以組成控制回路，使控制站的部分控制功能下移分散到各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)儀表中。從而減輕了控制站負(fù)擔(dān)，使得控制站可以專(zhuān)職于執(zhí)行復(fù)雜的高層次的控制算法。對(duì)于簡(jiǎn)單的控制應(yīng)用，甚至可以把控制站取消，在控制站的位置代之以起連接現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)作用的網(wǎng)橋和集線(xiàn)器，操作站直接與現(xiàn)場(chǎng)儀表相連，構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)。 5．4．2 特點(diǎn) 分布式的FCS系統(tǒng)比DCS系統(tǒng)更好地體現(xiàn)了“信息集中，控制分散"的思想。與傳統(tǒng)的DCS 相比，F(xiàn)CS有其自身的特點(diǎn)。FCS系統(tǒng)具有高度的分散性，它可以由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備組成自治的控制回路?，F(xiàn)場(chǎng)儀表或設(shè)備具有高度的智能化與功能自主性，可完成控制的基本功能，并可以隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行情況。另外，F(xiàn)CS的結(jié)構(gòu)比DCS簡(jiǎn)化。有的FCS系統(tǒng)省略了DCS中控制站這一層，操作站直接與現(xiàn)場(chǎng)儀表相連。這些使FCS的可靠性得到提高。 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)具有開(kāi)放性。系統(tǒng)對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)具有一致性、公開(kāi)性，強(qiáng)調(diào)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的共識(shí)與遵從。通信協(xié)議一致公開(kāi)，各不同廠家的設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)信息交換，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)可構(gòu)筑自動(dòng)化領(lǐng)域的開(kāi)放互連系統(tǒng)。系統(tǒng)的開(kāi)放性決定了它具有互操作性和互用性?；ゲ僮餍灾富ミB設(shè)備間、系統(tǒng)間信息傳送與溝通；而互用則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類(lèi)似的設(shè)備可實(shí)現(xiàn)相互替換。作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)還對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境有較強(qiáng)地適應(yīng)性。它支持雙絞線(xiàn)、同軸電纜、光纜、無(wú)線(xiàn)和電力線(xiàn)等，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。 由于結(jié)構(gòu)上的改變，F(xiàn)CS比DCS更節(jié)約硬件設(shè)備。使用FCS可以減少大量的隔離器、端子柜、I/O卡及I/O端口，這樣就節(jié)省了I/O裝置及裝置室的空間；同時(shí)減少了大量電纜，可以極大地節(jié)省安裝費(fèi)用。與此同時(shí)，F(xiàn)CS比DCS性能有所提高。由于免去了D/A與A/D變換，使儀表精度得到極大的提高；通過(guò)將PID功能植入到相應(yīng)的智能傳感器中去，使控制周期大為縮短。目前FCS可以從DCS的每秒調(diào)節(jié)2～5次增加到每秒調(diào)節(jié)10～20次，改善了調(diào)節(jié)性能。FCS控制系統(tǒng)與DCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較見(jiàn)圖1。 5．4．3 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn) 由于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的以上特點(diǎn)，特別是其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，使其從設(shè)計(jì)、安裝、投運(yùn)到正常生產(chǎn)運(yùn)行及檢修維護(hù)，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。它不僅節(jié)省了硬件數(shù)量與投資，節(jié)省了安裝費(fèi)用，而且系統(tǒng)的維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)也大大地降低。現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)不僅精確度與可靠性高，在方便使用和維護(hù)性方面，F(xiàn)CS也比DCS有優(yōu)勢(shì)。FCS使用統(tǒng)一的組態(tài)方式，安裝、運(yùn)行、維修簡(jiǎn)便；利用智能化現(xiàn)場(chǎng)儀表，使維修預(yù)報(bào)（Predicted maintenance）成為可能；由于系統(tǒng)具有互操作性和互用性，用戶(hù)可以自由選擇不同品牌的設(shè)備達(dá)到******的系統(tǒng)集成，在設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，可以自由選擇替換的設(shè)備，保障用戶(hù)的高度系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)。 此外，它還具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于重構(gòu)等特點(diǎn)。 5．4．4 發(fā)展趨向 傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)（DCS系統(tǒng)）具有集中監(jiān)控、分散控制、操作方便的特點(diǎn)。但是，在實(shí)際應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)DCS的結(jié)構(gòu)存在一些不足之處，如控制不能做到徹底分散，危險(xiǎn)仍然相對(duì)集中；由于系統(tǒng)的不開(kāi)放性，不同廠家的產(chǎn)品不能互換、互聯(lián)，限制了用戶(hù)的選擇范圍。利用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，開(kāi)發(fā)FCS系統(tǒng)的目標(biāo)是針對(duì)現(xiàn)存的DCS的某些不足，改進(jìn)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高其性能和通用性。 FCS想要在實(shí)際中取代DCS，既要具備DCS所具有的功能，又要能克服DCS的缺點(diǎn)。FCS由于采用了現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，在開(kāi)放性、控制分散等方面優(yōu)于傳統(tǒng)DCS。但是由于它是一種新技術(shù)，目前連標(biāo)準(zhǔn)本身都還沒(méi)有制定統(tǒng)一，因此FCS與成熟的DCS相比，還存在下列的一些欠缺。 （1）由于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)本身尚在發(fā)展中，從而給產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和測(cè)試帶來(lái)難度。這在一定程度上造成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)商、生產(chǎn)商少，產(chǎn)品品種單一而且價(jià)格昂貴。 （2）在某些場(chǎng)合中，F(xiàn)CS還無(wú)法提供DCS已有的控制功能。由于軟硬件水平的限制，其功能塊的功能還不是很強(qiáng)，品種也不夠齊全；用現(xiàn)場(chǎng)儀表還只能組成一般的控制回路如單回路、串級(jí)、比例控制等，對(duì)于復(fù)雜的、先進(jìn)的控制算法還無(wú)法在儀表中實(shí)現(xiàn)，對(duì)于單回路內(nèi)有多輸入、多輸出的情況缺乏好的解決方案。 （3）目前FCS成功的應(yīng)用實(shí)例不多，難以評(píng)估實(shí)際應(yīng)用效果。 由于以上這些原因，F(xiàn)CS取代DCS將是一個(gè)逐漸的過(guò)程。在這一過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)一些過(guò)渡型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如在DCS中以FCS取代DCS中的某些子系統(tǒng)。用戶(hù)將現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)設(shè)備連接到獨(dú)立的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，服務(wù)器配有DCS中連接操作站的上層網(wǎng)絡(luò)接口，與操作站直接通信。在DCS的軟件系統(tǒng)中可增添相應(yīng)的通信與管理軟件。這樣不需要對(duì)原有控制系統(tǒng)作結(jié)構(gòu)上的重大變動(dòng)。 （4）當(dāng)前，各種形式的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議并存于控制領(lǐng)域。在樓宇自控領(lǐng)域，Lonworks和CAN網(wǎng)絡(luò)具有一定的優(yōu)勢(shì)；在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域，主要有過(guò)渡型的HART協(xié)議、得到廣泛支持的FF現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議以及同樣較有競(jìng)爭(zhēng)力的PROFIBUS協(xié)議。HART協(xié)議將是目前幾年內(nèi)智能化儀表的主要通信協(xié)議；基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域中較有前途的一種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，得到許多自動(dòng)化儀表設(shè)備廠商的支持；由于Lonworks技術(shù)的開(kāi)放性，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了利用它開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)的許多開(kāi)發(fā)商。考慮到統(tǒng)一的開(kāi)放式現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)制定的長(zhǎng)期性和艱巨性，傳統(tǒng)DCS的退出將是一個(gè)漸進(jìn)過(guò)程。在一段時(shí)期內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)幾種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)共存、同一生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有幾種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連通訊的局面。但是，發(fā)展共同遵從的統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，真正形成開(kāi)放式互連系統(tǒng)，是大勢(shì)所趨。 6．DCS的硬件系統(tǒng)及其發(fā)展方向 關(guān)于硬件系統(tǒng)，我們還沒(méi)有更深入的討論。不過(guò)，DCS或者是今后的FCS硬件肯定會(huì)大量采用單片嵌入式軟硬件系統(tǒng)。這是因?yàn)椋? 1. 無(wú)論是DCS的智能模件還是今后FCS的現(xiàn)場(chǎng)模塊，必須具備自我診 斷、數(shù)據(jù)交換等功能； 2. 由于DCS和今后的FCS都會(huì)將控制、采集任務(wù)下達(dá)給遠(yuǎn)端絕大部分的模件或模塊，以讓其分散系統(tǒng)任務(wù)，故該類(lèi)模件或模塊必須具備狀態(tài)或數(shù)據(jù)采集、或者進(jìn)行PID控制。因此，它不能缺少M(fèi)CU； 3. 由于通訊功能的增強(qiáng)，有必要加強(qiáng)通訊協(xié)議的認(rèn)可、總線(xiàn)設(shè)備地址的辨識(shí)、誤碼的智能判斷及相應(yīng)錯(cuò)誤的糾正等。 所謂單片嵌入式軟硬件系統(tǒng)是指具備可安裝與PCB（印制板）還儀器、儀表、專(zhuān)業(yè)模塊設(shè)備內(nèi)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它并不包括我們常說(shuō)的PC計(jì)算機(jī)。 6．1采用單片微處理器的嵌入式軟硬件系統(tǒng) 這種系統(tǒng)即是我們常說(shuō)的單片計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它往往采用一片單片機(jī)加外圍芯片構(gòu)成。主要有AD、DA、DI、DO芯片作為與外部設(shè)備交換傳統(tǒng)的模擬量信號(hào)和開(kāi)關(guān)量信號(hào)。并增加與外部的通訊接口電路、完成所謂的RS485物理接口并配合通訊協(xié)議在控制總線(xiàn)或現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)上與主計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備交換數(shù)據(jù)。 由于傳統(tǒng)的單片機(jī)功能有限，往往還加入了大量的邏輯處理單元和大容量存儲(chǔ)器。例如：采用PAL 、GAL、CPLD等。也有采用FPGA以完成邏輯、譯碼、存儲(chǔ)、通訊控制和特殊布爾計(jì)算。 必須指出，單片計(jì)算機(jī)計(jì)術(shù)仍然在不斷發(fā)展。很多單片機(jī)采用RISC精簡(jiǎn)指令集和CPLD、FPGA或者是DSP技術(shù)，可以片內(nèi)帶FLASH MEMORY，并有JTAG接口，可以在線(xiàn)完成程序擦除、下載、調(diào)試等工作。工業(yè)控制領(lǐng)域以16BIT單片機(jī)為主，逐步采用32BIT甚至64BIT單片機(jī)，而應(yīng)用于通訊領(lǐng)域中以8BIT單片機(jī)為多。據(jù)《電子工程專(zhuān)輯》報(bào)道：由于因特網(wǎng)的接入需求為8位MCU帶來(lái)新的活力。這表現(xiàn)在8位單片機(jī)供應(yīng)商紛紛采取措施推出增強(qiáng)因特網(wǎng)接入功能的新型8位MCU，這給本來(lái)由于常規(guī)8位單片機(jī)極高的市場(chǎng)需求又注入新的活力。市場(chǎng)預(yù)計(jì)從2000年的90億美元增加到2004年的160億美元。而16位、32位MCU加起來(lái)還不到8位MCU的一半。完全打破某些專(zhuān)家和公司預(yù)計(jì)的16位MCU將在短時(shí)間內(nèi)替代8位MCU。他們的依據(jù)8位MCU是沒(méi)有能力實(shí)現(xiàn)與因特網(wǎng)連接。然而，這些預(yù)言是錯(cuò)誤的。基于8位MCU的低價(jià)格性和軟件嵌入式操作系統(tǒng)的支持，加上單片機(jī)上集成硬件的TCP/IP控制協(xié)處理器。這比采用16位甚至32位MCU要可靠、經(jīng)濟(jì)。如果說(shuō)世界各大廠商在采用8位MCU完成通訊功能、而你卻想用16位MCU，這除非是你的產(chǎn)品成本比別人低得多，否則無(wú)法與別人競(jìng)爭(zhēng)。 單片機(jī)系統(tǒng)配備TCP/IP通訊協(xié)議完成以太網(wǎng)接口是目前單片機(jī)的熱點(diǎn)。國(guó)外甚至推出可以發(fā)E_mail、上Web瀏覽的單片機(jī)系統(tǒng)。因此，上網(wǎng)沖浪不再是PC 計(jì)算機(jī)的專(zhuān)利。只有充分享受網(wǎng)上資源的一切設(shè)備才是人們所追求的目標(biāo)。這種技術(shù)的大量使用，無(wú)疑給未來(lái)的工業(yè)以太網(wǎng)探明道路。 6．2采用DSP數(shù)字處理器的嵌入式軟硬件系統(tǒng) DSP數(shù)字處理器是近來(lái)發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。它實(shí)際上也是單片計(jì)算機(jī)。一般的單片機(jī)內(nèi)部總線(xiàn)采用程序區(qū)和存儲(chǔ)器區(qū)共用的馮－諾依曼結(jié)構(gòu)。程序按步進(jìn)行，必須完成取指、運(yùn)算、執(zhí)行才能完成一個(gè)指令。而DSP采用哈佛結(jié)構(gòu)，程序區(qū)和存儲(chǔ)器區(qū)完全分開(kāi)，取指、運(yùn)算可以完全分開(kāi)，即在運(yùn)算階段時(shí)可以進(jìn)行取下一條指令操作。故可以高速、并行工作。由于集成大量的存儲(chǔ)器和布爾處理器、復(fù)雜邏輯陣列及特殊算法功能塊，可以高速處理大量數(shù)據(jù)甚至輕而易舉地完成模糊控制或自適應(yīng)控制等，是未來(lái)嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展方向。 TMS320系列DSP是美國(guó)德州公司的產(chǎn)品。因其內(nèi)部可以并行運(yùn)行多個(gè)程序故可以處理更復(fù)雜的問(wèn)題，相應(yīng)程序執(zhí)行速度得以大大提高。由于硬件回路功能較強(qiáng)，甚至AD、DA轉(zhuǎn)換器也可以直接選擇DSP某些接口來(lái)構(gòu)成。 對(duì)于需要更快的處理速度（與純硬件執(zhí)行速度相當(dāng)）某些設(shè)計(jì)完全可以由FPGA組成硬件，而采用VHDL設(shè)計(jì)語(yǔ)言來(lái)滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。則其執(zhí)行方式完全并行工作，執(zhí)行指令也完全與常規(guī)的us/步不同，因?yàn)樗皇前疵總€(gè)功能需要多少個(gè)執(zhí)行周期來(lái)完成，而是每個(gè)功能由多少個(gè)“硬件”構(gòu)成，它總共延時(shí)多少ns。這個(gè)“硬件”是由軟件來(lái)描述，而完成功能確實(shí)內(nèi)部的硬件進(jìn)行。可以說(shuō)，它如同一個(gè)半導(dǎo)體廠定制的ASIC電路。內(nèi)部功能由專(zhuān)用硬件構(gòu)成（不過(guò)是看不見(jiàn)硬件），而生成的硬件卻是由軟件進(jìn)行描述而生成的。 未來(lái)的DSP最終會(huì)向FPGA過(guò)渡。 6．3 DCS模件向FCS模塊的演變 常規(guī)的DCS是由若干個(gè)機(jī)柜中安裝各種模件或者是板卡所構(gòu)成。它們相對(duì)集中并且通過(guò)內(nèi)部的通訊、控制總線(xiàn)與各個(gè)模件相連接。由于DCS已經(jīng)發(fā)展很久，但其總體結(jié)構(gòu)變化不大。不過(guò)，這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)明顯顯示出不足： a．由于各板卡集中于幾個(gè)機(jī)柜中，各自的通訊聯(lián)絡(luò)采用專(zhuān)用的協(xié)議，故屬于封閉式，無(wú)法直接與第三方設(shè)備交換數(shù)據(jù)，必須進(jìn)行相互接口、通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換。開(kāi)放性較差； b. 所有的模件接口采 |
