FCS和DCS以及PLC的发展探讨

1、前言

目前,在工业过程控利领域出现了一种新兴的控制技术,即现场总线(Fieldbus),它是在生产现场微机化测控设备之间实现双向串行多节点数字通信系统,也既为开放式,数字化,多点通信的底层控制网络。现场总线技术顺应了“智能化,数宁化,信息化,网络化,分散化”的当今自控技术发展的主流,是当今自动控制技术发展的热点,代表了工业控制领域今后的一种发展方向,使传统的控制系统无论在结构上还是在性能上出现巨大的飞跃,形成厂新型的网络集成式全分布控制系统现场总线控制系统FCS(FieldbusControlSystem),对传统的集散控制系统Dcs(DistributionControlSystem)造成了冲击。现场总线正逐步在过程自动化,制造自动化,智能楼宇,交通等各行业得到推广应用。

2、现场总线

2.1Fieldbus产生背景

现场总线技术起源于用户现场控制信息传递、维护管理等方面的要求,是20世纪80年代发展起来的。

60年代-70年代,处于企业生产过程底层的传统测控自动化系统,采用两线制电压电流模拟信号进行测量控制,70年代中期,形成集散控制系统DCS,采用三层结构模式,存在线路多,维护管理麻烦,且各开发商的DCS遵循各自的标准,不能互联,以及难于实现设备之间和系统与外界之间的信息交换等,严重制约了系统本身的发展。随着计算机网络及通信技术的迅速发展,现场有越来越多的信息需要往上传,通信技术越来越往下延伸到现场,信息沟通联络的范围不断扩大。为实现企业的信息集成,实施综合自动化,使模拟仪表向智能化仪表发展、工业控制分立设备向共享设备发展、计算机网络从TOP、MAP向现场级网络发展,最终用户需要一种适应工业现场环境运行、可靠性高、实时性强、造价低廉、结构简单、维护方便的控制系统,以形成工厂的底层网络,完成现场自动化设备之间的多点数字通信、以及自动化系统与外界的信息交换。现场总线就是／在这种实际需求的驱动下产生的。它是以自动控制、自动化仪表、计算机、通信、微电子为主要内容的一门综合技术,是当今技术发展的结果。

现场总线把专用微处理器植入传统的测量控制仪表,使它们各自都具有丁独立承担某些控制、数字计算和数字通信能力。提高丁信号的测量、控制、传输精度和速度,同时丰富信息的内容。现场总线可采用多种传输介质,如用普通电缆、双绞线、光纤、红外线、甚至电力传输线等,把多个测量控制仪表、计算机等作为节点连接成的网络系统,在现场总线的环境下,借助现场总线网段以及与之有通信连接的其它网段,实现数据传输与信息共享,实现异地远程控制。现场总线设备与传统自控设备相比,拓宽了信息内容,提供传统仪表所不能提供的如阀门开关动作次数、故障诊断等信息,便于操作管理人员更好、更深入地了解生产现场和自控设备的运行状态。

2.2Fieldbus技术特点

(1)开放性、互操作性和互换性

遵循公开统一的技术标准,可实现设备互操作性和互换性。也就是说,用户可以把遵守相同标准的不同厂家、不向品牌、功能相同的产品集成在同一个系统内,构成FCS,并可在同功能的产品之间进行相互替换,使用户具有了自控设备选择、集成的主动权。

(2)数字化通信

现场设备具有数字通信功能。利用数字信号代替模拟信号,其传输抗干扰性强,测量精度高,大大提高了系统性能。

(3)智能化与功能自治性

智能化的现场设备可以实现多种先进的功能,如简单控制功能、检测、变换、诊断和运算等,可现场就地及时处理信息,不使信息过多地往返于网络上传递,提高传输速度和减小控制响应时间。

(4)高度分散性

现场设备智能化,实现彻底的分散控制,位控制系统功能不依赖控制室的计算机或控制仪表,而在现场完成,简化了系统结构,提高了可靠性。

(5)适应性

指对现场环境的适应性,含电磁环境,气候环境,机械环境。大部分现场总线结构是线状的,且采用两线制实现供电和通信,易解决网络供电、本安防爆等问题,具有较强抗干扰能力。

3、DCS

3.1DCS的产生

70年代工业的发展使生产过程日益复杂,规模更加扩大,在生产中采用原来的集中控制系统,可靠性差,出现事故时会中断生产,为提高可靠性,满足生产过程控制要求,70年代初,美国日本利欧洲等国开始研制集散型控制系统(DCS)。DCS是计算机、通信、CRT和控制技术的结合。

3.2DCS的技术特点

系统的—些主要特点为:

(1)控制功能强。可实现复杂的控制规律,如串级、前馈、解耦、自适应、最优和非线性控制等,也可实现顺序控制。

(2)系统可靠性高。

(3)采用CRT操作站有良好的人机交互接口。

(4)软硬件采用模块化积木式结构。

(5)系统容易开发。

(6)用组态软件,编程简单,操作方便。

(7)具有良好的性价比。

DCS是以微处理器为核心,实现地理上和功能上相对分散的控制系统,通过数据通道把各个分散点的信息集中起来,进行集中的监视和操作,它具有事故分析、性能计算、历史数据存储、分析、各种报表生成、打印等功能,目前已经在国内外得到非常广泛的应用。在DCS系统中,测量变送,执行器一般由模拟仪表来完成,他们与控制室的监控计算机共同构成控制系统,是模拟和数字混合系统,可实现高级复杂规律的控制。

4、PLC

可编程控制器(PLC)是60年代发展起来的一种自动控制装置,是一种嵌入式的工控机,他以顺序控制为主,回路调节为辅,能完成逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算功能,既能进行开关量控制,又能进行模拟量控制,还具有通信功能。随着自动控制技术,计算机技术和微电子技术的迅猛发展,PLC的发展十分迅速,一方面继续开发简易,价格低廉,超小型产品,另一方面转向大型、多功能、系列化、标准化、智能化产品的研制。在单台设备的自动化、多台设备自动化和整个工厂的生产过程自动化,PLC在其中充当着重要作用。

5、发展应用

当计算机网络技术,特别是互联网技术得到广泛应用后,人们对企业生产过程的控制提出了更高的要求,企业与外界信息沟通的范围不断扩大,这就需要把大量的现场信息送到外面,又需要远程对现场进行诊断、维护和服务,实现从现场控制到监控、管理、决策等各层次的信息交换和集成。现场总线顺应了这种要求的发展。

现场总线的优点为:

(1)系统功能扩充、结构改型方便。

(2)降低系统部分成木。节省控制柜,大幅度减少导线、电线桥架、接插件等,系统结构简洁。

(3)系统可靠性高。由于全数字化信号精度比传统的模拟信号高,高度分散控制使风险得到彻底分散。

(4)系统可维护性好。智能化的现场设备具有自诊断功能,使设备的预防性诊断和维护得以实现。

(5)用户具有高度的系统集成主动权。在传统控制系统集成中遇到的不兼容协议、接口等问题得到了解决,用户可以自由选择不同厂商所提供的产品来集成系统。

(6)提供更丰富的现场信息,能够更深入地掌握现场生产过程情况、设备仪表信息。

作为开放互连系统的现场总线,首先必须有统一的技术标准,但由于诸多原因,已经在不同领域形成了颇具影响的几大总线系列,如基金会现场总线(FF)、LonWorks、PROFIBUS、CAN、HART等。当然,多种现场总线之间的良性竞争,有利于FCS技术的提高和发展,也有利于产品价格的降低和用户系统投资成本的减小,但是,发展共同遵从的统一的国际标准,是现场总线的发展方向,也是广大用户的要求。

现场总线是工业过程控制技术的发展主流,可以说FCS的发展应用是自动化领域的一场革命,也既要“革”传统仪表的命,同时向传统DCS发出了挑战。对于DCS的发展过程,因为受计算机系统早期存在的一些缺陷影响,造成各生产开发商的产品自成一体,较难实现互换和互操作,系统也难了与外界进行信息交换,这样对用户来说,使企业的信息集成存在一定的困难；另外,DC3的控制分散也并不是彻底的分散,控制功能是通过各个集中的过程控制站如PLC来完成,许多方面的性能与FCS相比有较大差距。但是,DCS在当前情况下仍具有较强的生命力,其理由为:(1)近年来DCS技术的成熟以及广泛应用,DCS在可靠性、开放性、标准化方面大大前进了一步。(2)DCS的价格大幅度下降。(3)DCS能够满足目前的生产控制要求,用户习惯容易接受。(4)FCS正在发展过程之中,某些方面还不是十分完美。比如说现场总线的线状结构,一旦总线某支路的电缆断了,这条文路的运行就瘫痪了。又如系统组态铰复杂,不易将系统设置到最佳状态等。(5)目前现场总线仪表与常规仪表相比价格仍然较贵,硬要去追求潮流,将企业现有的运行良好的传统仪器仪表更新成智能仪器仪表,以及将DCS改换成FCS不是很现实的。基于亡述原因,DCS现在仍是大多数用户选择的主流控制系统。FCS作为一个完整的控制系统,也需要具有类似于DCS那样的监控管理系统,FCS的发展不是对DCS的绝对否定,既有在它们基础上对优点的继承,又具有自己特色的变革部分。虽然传统DCS属非开放式专用网络,但根据目前的实际情况,将出现通过特殊的网关将DC3挂接在现场总线网段上,或作为企业网络中的—个特殊的子网,形成现场总线与DCS并存的局面。传统的DCS在—个过渡阶段内,仍会在一个很长的时期内在工业控制领域发挥重要作用,而且,DCS如果能融合FCS的优势技术,将会是“柳暗花明又一春”。

在FCS中,智能仪器仪表代替传统仪表,控制功能下放分散到现场,PLC的作用将被取代吗？答案是否定的。PLC是一种面向工业现场的控制装置,它的特点为:(1)高可靠性和抗扰能力,可适应恶劣的工业现场环境。(2)I／O模块化,智能化,方便组合和扩充。(3)操编程方便。(4)完善的监视和诊断功能。我们应该看到PLC的直观、简单、价格低、易维护、高可靠性等特点,并且现在的PLC不再是原来只能实现开关量控制和PID调节等功能的PLC,随着模糊控制、神经元网络、遗传算法等学科的日益成熟,PLC可以而且已经不断融合这些及其他先进的技术,佼控制、通信等功能不断增强,现在,模糊控制功能已植入到了PLC内,产品已经投放到了市场,控制功能更加强大。再者,在FCS中,PLC作为FCS中的一个节点,可完成现场的一些复杂控制功能,使它不会受到FCS发展的影响而被淘汰,所以不管是在FC3中还是在DC3中,PLC还会在系统中作为一个重要的角色存在,而且发展前景将更加广阔。

6、结语

现场总线代表了一种有突破意义的新的控制思想,它开辟了控制领域的一个新时代。FCS是工控领域发展的主流,DC3在很长时期内仍具有旺盛的生命力,而PLC通过不断的发展,将在工控系统中继续发挥它的强大的控制功能。作为最终用户,希望的是选用顺应当前技术发展潮流,系统投入、运行成本低,可靠性高,管理维护容易,结构简单,易扩充和具有高度系统集成主动权的控制系统。

来源:传动网

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