FCS與DCS混合式集成控制系統(tǒng)研究-工業(yè)控制
FCS與DCS混合式集成控制系統(tǒng)研究 2011-06-08 18:59:25來源:互聯(lián)網(wǎng)
引 言
控制系統(tǒng)由五十多年前的PCS( PneumatiCControl System)的第一代控制系統(tǒng)，經(jīng)歷了ACS(AnalogouSControl System)、CCS(ComputerControl System)和DCS(Distributed Control System)，而發(fā)展成今天的第五代控制系統(tǒng)———現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(FieldbuSControl System)。
集散控制系統(tǒng)DCS由操作站、控制站(監(jiān)視站)、應(yīng)用模件與歷史模件、通訊網(wǎng)絡(luò)和工程師站等組成。DCS除采用高可靠性的軟硬件以及通信網(wǎng)絡(luò)、控制站等冗余措施外，還使用故障檢測與診斷工程軟件，可對生產(chǎn)工況進行監(jiān)測，從而及早發(fā)現(xiàn)故障，及時采取措施，提高了生產(chǎn)的安全性。
上世紀(jì)80年代后期，在DCS的基礎(chǔ)上開始開發(fā)一種適用于工業(yè)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并實現(xiàn)傳感器、控制器層的通信，這就是現(xiàn)場總線。但研究工作進展緩慢，而且無國際標(biāo)準(zhǔn)可遵守。國際電工委員會( IEC)于2000年1月正式公布了IEC61158現(xiàn)場總線全部技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。但此標(biāo)準(zhǔn)中容納了8種互不兼容的通信協(xié)議。由于是妥協(xié)于各方面的既有利益，并沒有實現(xiàn)完全統(tǒng)一國際標(biāo)準(zhǔn)的初衷。
CAN(ControllerArea Network)總線是現(xiàn)場總線的一種，它一般采用典型的串行總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行通訊，這種方式的位速率低于環(huán)形結(jié)構(gòu)，但是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、而且通信可靠。CAN總線因傳輸時間短，受干擾的概率低，保證了通信的實時性。CAN能對錯誤的來源進行正確定位，將永久的硬件錯誤從軟件錯誤中獨立出來，其協(xié)議采用CRC檢驗，并提供相應(yīng)的錯誤處理功能，同時保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。
混合式控制系統(tǒng)的提出
現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS應(yīng)該與集散控制系統(tǒng)DCS相互兼容。首先從工程成本與效益看，現(xiàn)場總線的優(yōu)勢是良好的互操作性，結(jié)構(gòu)簡單，布線費用低；控制功能分散，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，倘若企業(yè)建立有完善的DCS，要向FCS過渡，則必須仔細(xì)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控制管理方式來實現(xiàn)FCS是首選之途。雖然現(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(fēng)險比較大。再者，從技術(shù)的繼承及控制手段上，也要求FCS與DCS應(yīng)相互兼容。FCS實現(xiàn)控制功能下移至現(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。
FCS和DCS的集成主要包括三個方面：
(1)FCS和DCS輸入輸出總線的集成
DCS的控制站主要由控制單元(Control Unit，CU)和輸入輸出單元( Input Output Unit，IOU)組成，這兩個單元之間通過I/O總線連接。在I/O總線上掛接現(xiàn)場總線接口板或現(xiàn)場總線接口單元(Field bus Interface Unit，F(xiàn)IU)，如圖1所示?，F(xiàn)場儀表或現(xiàn)場設(shè)備通過現(xiàn)場總線與HU 通信，F(xiàn)IU 再通過I/O總線與DCS的控制單元通信。這樣便實現(xiàn)了現(xiàn)場總線和DCS輸入輸出總線的集成，即現(xiàn)場總線和DCS控制站的集成。
現(xiàn)場總線和DCS輸入輸出總線的集成具有以下3個特點：
①除了安裝現(xiàn)場總線接口板或現(xiàn)場總線接口單元外，不用對DCS再做其它變更；
②充分利用DCS控制站的運算和控制功能塊，因為初期開發(fā)的現(xiàn)場總線儀表中的功能塊數(shù)量和種類有限；
③利用已有DCS的技術(shù)和資源，投資少，見效快，便于推廣現(xiàn)場總線的應(yīng)用。
(2)FCS和DCS網(wǎng)絡(luò)的集成
在DCS控制站的I/O總線上集成現(xiàn)場總線是一種最基本的初級集成技術(shù)，還可以在DCS的更高一層集成，即在DCS網(wǎng)絡(luò)(DCSnet)上集成現(xiàn)場總線，如圖2所示?，F(xiàn)場總線服務(wù)器(FieldbuSServer，F(xiàn)S)掛接在DCS網(wǎng)絡(luò)上，F(xiàn)S是一臺完整的計算機，并安裝了現(xiàn)場總線接口卡和DCS網(wǎng)絡(luò)接口卡。
現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表通過現(xiàn)場總線與其接口卡通信，現(xiàn)場儀表中的輸入、輸出、控制和運算等功能塊可以在現(xiàn)場總線上獨立構(gòu)成控制回路，而不必借用DCS控制站的功能?，F(xiàn)場總線服務(wù)器通過其DCS網(wǎng)絡(luò)接口卡與DCS網(wǎng)絡(luò)(DCSnet)通信，也可以把FCS看作DCS網(wǎng)絡(luò)上的一個節(jié)點或DCS的一臺設(shè)備。這樣FCS和DCS之間可以互相共享資源。FCS直接借用DCS的操作員站或工程師站。
FCS和DCS網(wǎng)絡(luò)的集成具有以下4個特點：①除了安裝現(xiàn)場總線服務(wù)器外，不用對DCS再做其它變更；② 在現(xiàn)場總線上可以獨立構(gòu)成控制回路，實現(xiàn)徹底的分散控制；③現(xiàn)場總線服務(wù)器中一些高級功能塊，可以與現(xiàn)場儀表中的基本功能塊統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成復(fù)雜控制回路；④利用已有DCS的部分資源，投資少、見效快，便于推廣現(xiàn)場總線的應(yīng)用。
(3)FCS和DCS的系統(tǒng)集成
FCS和DCS的系統(tǒng)集成可以有兩種方式：一種是FCS網(wǎng)絡(luò)(FCSnet)通過網(wǎng)關(guān)(Gateway)與DCS網(wǎng)絡(luò)(DCSnet)集成，
引 言
控制系統(tǒng)由五十多年前的PCS( PneumatiCControl System)的第一代控制系統(tǒng)，經(jīng)歷了ACS(AnalogouSControl System)、CCS(ComputerControl System)和DCS(Distributed Control System)，而發(fā)展成今天的第五代控制系統(tǒng)———現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(FieldbuSControl System)。
集散控制系統(tǒng)DCS由操作站、控制站(監(jiān)視站)、應(yīng)用模件與歷史模件、通訊網(wǎng)絡(luò)和工程師站等組成。DCS除采用高可靠性的軟硬件以及通信網(wǎng)絡(luò)、控制站等冗余措施外，還使用故障檢測與診斷工程軟件，可對生產(chǎn)工況進行監(jiān)測，從而及早發(fā)現(xiàn)故障，及時采取措施，提高了生產(chǎn)的安全性。
上世紀(jì)80年代后期，在DCS的基礎(chǔ)上開始開發(fā)一種適用于工業(yè)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并實現(xiàn)傳感器、控制器層的通信，這就是現(xiàn)場總線。但研究工作進展緩慢，而且無國際標(biāo)準(zhǔn)可遵守。國際電工委員會( IEC)于2000年1月正式公布了IEC61158現(xiàn)場總線全部技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。但此標(biāo)準(zhǔn)中容納了8種互不兼容的通信協(xié)議。由于是妥協(xié)于各方面的既有利益，并沒有實現(xiàn)完全統(tǒng)一國際標(biāo)準(zhǔn)的初衷。
CAN(ControllerArea Network)總線是現(xiàn)場總線的一種，它一般采用典型的串行總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行通訊，這種方式的位速率低于環(huán)形結(jié)構(gòu)，但是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、而且通信可靠。CAN總線因傳輸時間短，受干擾的概率低，保證了通信的實時性。CAN能對錯誤的來源進行正確定位，將永久的硬件錯誤從軟件錯誤中獨立出來，其協(xié)議采用CRC檢驗，并提供相應(yīng)的錯誤處理功能，同時保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。
混合式控制系統(tǒng)的提出
現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS應(yīng)該與集散控制系統(tǒng)DCS相互兼容。首先從工程成本與效益看，現(xiàn)場總線的優(yōu)勢是良好的互操作性，結(jié)構(gòu)簡單，布線費用低；控制功能分散，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，倘若企業(yè)建立有完善的DCS，要向FCS過渡，則必須仔細(xì)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控制管理方式來實現(xiàn)FCS是首選之途。雖然現(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(fēng)險比較大。再者，從技術(shù)的繼承及控制手段上，也要求FCS與DCS應(yīng)相互兼容。FCS實現(xiàn)控制功能下移至現(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。
FCS和DCS的集成主要包括三個方面：
(1)FCS和DCS輸入輸出總線的集成
DCS的控制站主要由控制單元(Control Unit，CU)和輸入輸出單元( Input Output Unit，IOU)組成，這兩個單元之間通過I/O總線連接。在I/O總線上掛接現(xiàn)場總線接口板或現(xiàn)場總線接口單元(Field bus Interface Unit，F(xiàn)IU)，如圖1所示?，F(xiàn)場儀表或現(xiàn)場設(shè)備通過現(xiàn)場總線與HU 通信，F(xiàn)IU 再通過I/O總線與DCS的控制單元通信。這樣便實現(xiàn)了現(xiàn)場總線和DCS輸入輸出總線的集成，即現(xiàn)場總線和DCS控制站的集成。
現(xiàn)場總線和DCS輸入輸出總線的集成具有以下3個特點：
①除了安裝現(xiàn)場總線接口板或現(xiàn)場總線接口單元外，不用對DCS再做其它變更；
②充分利用DCS控制站的運算和控制功能塊，因為初期開發(fā)的現(xiàn)場總線儀表中的功能塊數(shù)量和種類有限；
③利用已有DCS的技術(shù)和資源，投資少，見效快，便于推廣現(xiàn)場總線的應(yīng)用。
(2)FCS和DCS網(wǎng)絡(luò)的集成
在DCS控制站的I/O總線上集成現(xiàn)場總線是一種最基本的初級集成技術(shù)，還可以在DCS的更高一層集成，即在DCS網(wǎng)絡(luò)(DCSnet)上集成現(xiàn)場總線，如圖2所示?，F(xiàn)場總線服務(wù)器(FieldbuSServer，F(xiàn)S)掛接在DCS網(wǎng)絡(luò)上，F(xiàn)S是一臺完整的計算機，并安裝了現(xiàn)場總線接口卡和DCS網(wǎng)絡(luò)接口卡。
現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表通過現(xiàn)場總線與其接口卡通信，現(xiàn)場儀表中的輸入、輸出、控制和運算等功能塊可以在現(xiàn)場總線上獨立構(gòu)成控制回路，而不必借用DCS控制站的功能?，F(xiàn)場總線服務(wù)器通過其DCS網(wǎng)絡(luò)接口卡與DCS網(wǎng)絡(luò)(DCSnet)通信，也可以把FCS看作DCS網(wǎng)絡(luò)上的一個節(jié)點或DCS的一臺設(shè)備。這樣FCS和DCS之間可以互相共享資源。FCS直接借用DCS的操作員站或工程師站。
FCS和DCS網(wǎng)絡(luò)的集成具有以下4個特點：①除了安裝現(xiàn)場總線服務(wù)器外，不用對DCS再做其它變更；② 在現(xiàn)場總線上可以獨立構(gòu)成控制回路，實現(xiàn)徹底的分散控制；③現(xiàn)場總線服務(wù)器中一些高級功能塊，可以與現(xiàn)場儀表中的基本功能塊統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成復(fù)雜控制回路；④利用已有DCS的部分資源，投資少、見效快，便于推廣現(xiàn)場總線的應(yīng)用。
(3)FCS和DCS的系統(tǒng)集成
FCS和DCS的系統(tǒng)集成可以有兩種方式：一種是FCS網(wǎng)絡(luò)(FCSnet)通過網(wǎng)關(guān)(Gateway)與DCS網(wǎng)絡(luò)(DCSnet)集成，
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