淺談DCS集散控制系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)
| 統(tǒng)中，遵循一定現(xiàn)場總線協(xié)議的現(xiàn)場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現(xiàn)場儀表中。從而減輕了控制站負擔，使得控制站可以專職于執(zhí)行復雜的高層次的控制算法。對于簡單的控制應(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)場總線作用的網(wǎng)橋和集線器，操作站直接與現(xiàn)場儀表相連，構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)。 5．4．2 特點 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。FCS系統(tǒng)具有高度的分散性，它可以由現(xiàn)場設(shè)備組成自治的控制回路?，F(xiàn)場儀表或設(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，并可以隨時診斷設(shè)備的運行情況。另外，F(xiàn)CS的結(jié)構(gòu)比DCS簡化。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)場儀表相連。這些使FCS的可靠性得到提高。 現(xiàn)場總線系統(tǒng)具有開放性。系統(tǒng)對相關(guān)標準具有一致性、公開性，強調(diào)對標準的共識與遵從。通信協(xié)議一致公開，各不同廠家的設(shè)備之間可實現(xiàn)信息交換，通過現(xiàn)場總線可構(gòu)筑自動化領(lǐng)域的開放互連系統(tǒng)。系統(tǒng)的開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)廠家的性能類似的設(shè)備可實現(xiàn)相互替換。作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線還對現(xiàn)場環(huán)境有較強地適應(yīng)性。它支持雙絞線、同軸電纜、光纜、無線和電力線等，具有較強的抗干擾能力。 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；同時減少了大量電纜，可以極大地節(jié)省安裝費用。與此同時，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)比較見圖1。 5．4．3 現(xiàn)場總線的優(yōu)點 由于現(xiàn)場總線的以上特點，特別是其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化，使其從設(shè)計、安裝、投運到正常生產(chǎn)運行及檢修維護，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)省了安裝費用，而且系統(tǒng)的維護開銷也大大地降低。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)不僅精確度與可靠性高，在方便使用和維護性方面，F(xiàn)CS也比DCS有優(yōu)勢。FCS使用統(tǒng)一的組態(tài)方式，安裝、運行、維修簡便；利用智能化現(xiàn)場儀表，使維修預報（Predicted maintenance）成為可能；由于系統(tǒng)具有互操作性和互用性，用戶可以自由選擇不同品牌的設(shè)備達到******的系統(tǒng)集成，在設(shè)備出現(xiàn)故障時，可以自由選擇替換的設(shè)備，保障用戶的高度系統(tǒng)集成主動權(quán)。 此外，它還具有設(shè)計簡單，易于重構(gòu)等特點。 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。但是，在實際應(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，危險仍然相對集中；由于系統(tǒng)的不開放性，不同廠家的產(chǎn)品不能互換、互聯(lián)，限制了用戶的選擇范圍。利用現(xiàn)場總線技術(shù)，開發(fā)FCS系統(tǒng)的目標是針對現(xiàn)存的DCS的某些不足，改進控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高其性能和通用性。 FCS想要在實際中取代DCS，既要具備DCS所具有的功能，又要能克服DCS的缺點。FCS由于采用了現(xiàn)場總線技術(shù)，在開放性、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)，目前連標準本身都還沒有制定統(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)場總線標準本身尚在發(fā)展中，從而給產(chǎn)品的開發(fā)和測試帶來難度。這在一定程度上造成產(chǎn)品開發(fā)商、生產(chǎn)商少，產(chǎn)品品種單一而且價格昂貴。 （2）在某些場合中，F(xiàn)CS還無法提供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，品種也不夠齊全；用現(xiàn)場儀表還只能組成一般的控制回路如單回路、串級、比例控制等，對于復雜的、先進的控制算法還無法在儀表中實現(xiàn)，對于單回路內(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)用實例不多，難以評估實際應(yīng)用效果。 由于以上這些原因，F(xiàn)CS取代DCS將是一個逐漸的過程。在這一過程中，會出現(xiàn)一些過渡型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如在DCS中以FCS取代DCS中的某些子系統(tǒng)。用戶將現(xiàn)場總線設(shè)備連接到獨立的現(xiàn)場總線網(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。這樣不需要對原有控制系統(tǒng)作結(jié)構(gòu)上的重大變動。 （4）當前，各種形式的現(xiàn)場總線協(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；在過程自動化領(lǐng)域，主要有過渡型的HART協(xié)議、得到廣泛支持的FF現(xiàn)場總線協(xié)議以及同樣較有競爭力的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；基金會現(xiàn)場總線是過程自動化領(lǐng)域中較有前途的一種現(xiàn)場總線，得到許多自動化儀表設(shè)備廠商的支持；由于Lonworks技術(shù)的開放性，國內(nèi)出現(xiàn)了利用它開發(fā)控制系統(tǒng)的許多開發(fā)商?？紤]到統(tǒng)一的開放式現(xiàn)場總線協(xié)議標準制定的長期性和艱巨性，傳統(tǒng)DCS的退出將是一個漸進過程。在一段時期內(nèi)，會出現(xiàn)幾種現(xiàn)場總線共存、同一生產(chǎn)現(xiàn)場有幾種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連通訊的局面。但是，發(fā)展共同遵從的統(tǒng)一的標準規(guī)范，真正形成開放式互連系統(tǒng)，是大勢所趨。 6．DCS的硬件系統(tǒng)及其發(fā)展方向 關(guān)于硬件系統(tǒng)，我們還沒有更深入的討論。不過，DCS或者是今后的FCS硬件肯定會大量采用單片嵌入式軟硬件系統(tǒng)。這是因為： 1. 無論是DCS的智能模件還是今后FCS的現(xiàn)場模塊，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都會將控制、采集任務(wù)下達給遠端絕大部分的模件或模塊，以讓其分散系統(tǒng)任務(wù)，故該類模件或模塊必須具備狀態(tài)或數(shù)據(jù)采集、或者進行PID控制。因此，它不能缺少MCU； 3. 由于通訊功能的增強，有必要加強通訊協(xié)議的認可、總線設(shè)備地址的辨識、誤碼的智能判斷及相應(yīng)錯誤的糾正等。 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、專業(yè)模塊設(shè)備內(nèi)的計算機系統(tǒng)。它并不包括我們常說的PC計算機。 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)即是我們常說的單片計算機系統(tǒng)。它往往采用一片單片機加外圍芯片構(gòu)成。主要有AD、DA、DI、DO芯片作為與外部設(shè)備交換傳統(tǒng)的模擬量信號和開關(guān)量信號。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)議在控制總線或現(xiàn)場總線上與主計算機或其他設(shè)備交換數(shù)據(jù)。 由于傳統(tǒng)的單片機功能有限，往往還加入了大量的邏輯處理單元和大容量存儲器。例如：采用PAL 、GAL、CPLD等。也有采用FPGA以完成邏輯、譯碼、存儲、通訊控制和特殊布爾計算。 必須指出，單片計算機計術(shù)仍然在不斷發(fā)展。很多單片機采用RISC精簡指令集和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單片機為主，逐步采用32BIT甚至64BIT單片機，而應(yīng)用于通訊領(lǐng)域中以8BIT單片機為多。據(jù)《電子工程專輯》報道：由于因特網(wǎng)的接入需求為8位MCU帶來新的活力。這表現(xiàn)在8位單片機供應(yīng)商紛紛采取措施推出增強因特網(wǎng)接入功能的新型8位MCU，這給本來由于常規(guī)8位單片機極高的市場需求又注入新的活力。市場預計從2000年的90億美元增加到2004年的160億美元。而16位、32位MCU加起來還不到8位MCU的一半。完全打破某些專家和公司預計的16位MCU將在短時間內(nèi)替代8位MCU。他們的依據(jù)8位MCU是沒有能力實現(xiàn)與因特網(wǎng)連接。然而，這些預言是錯誤的。基于8位MCU的低價格性和軟件嵌入式操作系統(tǒng)的支持，加上單片機上集成硬件的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。如果說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，否則無法與別人競爭。 單片機系統(tǒng)配備TCP/IP通訊協(xié)議完成以太網(wǎng)接口是目前單片機的熱點。國外甚至推出可以發(fā)E_mail、上Web瀏覽的單片機系統(tǒng)。因此，上網(wǎng)沖浪不再是PC 計算機的專利。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。這種技術(shù)的大量使用，無疑給未來的工業(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)字處理器是近來發(fā)展起來的新技術(shù)。它實際上也是單片計算機。一般的單片機內(nèi)部總線采用程序區(qū)和存儲器區(qū)共用的馮－諾依曼結(jié)構(gòu)。程序按步進行，必須完成取指、運算、執(zhí)行才能完成一個指令。而DSP采用哈佛結(jié)構(gòu)，程序區(qū)和存儲器區(qū)完全分開，取指、運算可以完全分開，即在運算階段時可以進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器和布爾處理器、復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，是未來嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展方向。 TMS320系列DSP是美國德州公司的產(chǎn)品。因其內(nèi)部可以并行運行多個程序故可以處理更復雜的問題，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，甚至AD、DA轉(zhuǎn)換器也可以直接選擇DSP某些接口來構(gòu)成。 對于需要更快的處理速度（與純硬件執(zhí)行速度相當）某些設(shè)計完全可以由FPGA組成硬件，而采用VHDL設(shè)計語言來滿足系統(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，因為它不是按每個功能需要多少個執(zhí)行周期來完成，而是每個功能由多少個“硬件”構(gòu)成，它總共延時多少ns。這個“硬件”是由軟件來描述，而完成功能確實內(nèi)部的硬件進行?？梢哉f，它如同一個半導體廠定制的ASIC電路。內(nèi)部功能由專用硬件構(gòu)成（不過是看不見硬件），而生成的硬件卻是由軟件進行描述而生成的。 未來的DSP最終會向FPGA過渡。 6．3 DCS模件向FCS模塊的演變 常規(guī)的DCS是由若干個機柜中安裝各種模件或者是板卡所構(gòu)成。它們相對集中并且通過內(nèi)部的通訊、控制總線與各個模件相連接。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，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機柜中，各自的通訊聯(lián)絡(luò)采用專用的協(xié)議，故屬于封閉式，無法直接與第三方設(shè)備交換數(shù)據(jù)，必須進行相互接口、通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換。開放性較差； b. 所有的模件接口采 |
