工業(yè)控制的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

1、現(xiàn)代工業(yè)控制總線的發(fā)展趨勢前言隨著計算機、通信、自動控制、微電子等技術(shù)的發(fā)展，大量智能控制芯片和 智能傳感器的不斷出現(xiàn)，以及在傳感器、通信和計算機領(lǐng)域所取得的巨大成就使 人們對系統(tǒng)綜合性能尤其是安全性能提出了越來越高的要求：希望能對系統(tǒng)設(shè)備的工作狀況進行實時監(jiān)測和控制，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)設(shè)備的智能維護。 對企業(yè)自 動化設(shè)備而言，對其工作狀況進行遠程監(jiān)測和控制， 不僅可方便設(shè)備管理者隨時 了解設(shè)備工作狀態(tài)，設(shè)備出現(xiàn)異常時主動報警，便于及時維修，還可拓寬設(shè)備服 務(wù)范圍，提高工作性能，延長使用壽命。這一目標的實現(xiàn)對控制網(wǎng)絡(luò)在開放性、 互連性、分散性等方面提出了更高要求。一分散控制系統(tǒng)(DCS)當前工業(yè)

2、控制計算機的應(yīng)用范圍仍以大系統(tǒng)、分散對象、連續(xù)生產(chǎn)過程(如冶金、石化、電力)為主，采用分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分散控制系統(tǒng)仍在發(fā)展。由于 開放結(jié)構(gòu)和集成技術(shù)的發(fā)展，進一步擴展了大型分散控制系統(tǒng)的應(yīng)用。1 .應(yīng)用現(xiàn)狀DCSg 1975年問世以來，大約有3次比較大的變革，70年代操作站的硬件、 操作系統(tǒng)、監(jiān)視軟件都是專用的，由各DCST家自己開發(fā)并沒有動態(tài)流程圖， 通 信網(wǎng)絡(luò)基本上是輪詢方式；80年代通信網(wǎng)絡(luò)較多使用令牌方式；90年代操作站 出現(xiàn)了通用系統(tǒng)，90年代末通信網(wǎng)絡(luò)有的部分遵循TCP/IP協(xié)議，有的開始采用 以太網(wǎng)。20多年來，DCS已廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域并趨于成熟，成為工業(yè)控制系統(tǒng)的主流。雖以

3、現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的FCS發(fā)展很快，最終將取代傳統(tǒng) DCS但其發(fā)展仍面 臨一些問題，如統(tǒng)一標準、儀表智能化等。而傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的維護和改造還需 DCS因此FCS完全取彳t傳統(tǒng)DCS有較長過程?，F(xiàn)DCS勺新產(chǎn)品的特點為：系 統(tǒng)開放、管控一體化及帶有先進控制軟件， DCSt產(chǎn)廠家也從事FCS的研發(fā)、生 產(chǎn)和推廣應(yīng)用。2 . DCSff在的問題(1)1對1結(jié)構(gòu)。1臺儀表，1對傳輸線，單向傳輸1個信號。這種結(jié)構(gòu)造成 接線龐雜、工程周期長、安裝費用高、維護困難。(2)可靠性差。模擬信號傳輸不僅精確度低，且易受干擾。為此采用各種措 施提高抗干擾性和傳輸精確度，其結(jié)果是增加了成本。(3)失控狀態(tài)。操作員在控制室既

4、不了解現(xiàn)場模擬儀表的工作狀況，也不能 對其進行參數(shù)調(diào)整，更不能預(yù)測事故，導致操作員對其處于失控狀態(tài)。因操作員 不能及時發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場儀表故障，而發(fā)生事故已屢見不鮮。(4)互操作性差。盡管模擬儀表已統(tǒng)一 420mA®號標準，可大部分技術(shù)參 數(shù)仍由制造商自定，致使不同品牌儀表無法互換。因此導致用戶依賴制造廠，無 法使用性能價格比最優(yōu)的配套儀表，甚至出現(xiàn)個別制造商壟斷市場的局面。3 . DCSft中國因我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造和新建工程項目對 DCS勺急需，80年代從國外引進了 幾百套DCSfE裝備石化、冶金、電力等行業(yè)。進入 90年代，我國一些新型高科 技公司進入DCS領(lǐng)域。目前在國內(nèi)生產(chǎn)的DCS&#

5、165;僅具有價格低廉、備品備件方便 的優(yōu)勢，而且在技術(shù)先進、組態(tài)學習容易、技術(shù)支持有力等方面都獲得用戶肯定。 國內(nèi)DCSft產(chǎn)的最新產(chǎn)品具有系統(tǒng)開放、兼容現(xiàn)場總線、管控一體化和帶有先進 控制軟件，在技術(shù)上可初步與國外產(chǎn)品相抗衡。目前，我國現(xiàn)場控制系統(tǒng)一般仍 采用DCS4 .發(fā)展方向DCSS展至今已相當成熟和實用，毫無疑問，它仍是當前工業(yè)自動化系統(tǒng)應(yīng) 用及選型的主流，不會隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn)而立即退出現(xiàn)場過程控制的舞 臺。面對挑戰(zhàn)，DCS等沿著以下趨勢繼續(xù)向前發(fā)展：(1)向綜合方向發(fā)展：標準化數(shù)據(jù)通信鏈路和通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，將各種單(多) 回路調(diào)節(jié)器、PLC工業(yè)PC NC等工控設(shè)備構(gòu)成大系統(tǒng)，

6、以滿足工廠自動化要求， 并適應(yīng)開放式的大趨勢。(2)向智能化方向發(fā)展：數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、推理機能等的發(fā)展，尤其是知識庫系 統(tǒng)(KBS)和專家系統(tǒng)(ES)的應(yīng)用，如自學習控制、遠距離診斷、自尋優(yōu)等，人工 智能會在DCS&級實現(xiàn)。與FF現(xiàn)場總線類似，以微處理器為基礎(chǔ)的智能設(shè)備如 智能I/O、PID控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行器、人機接口、PLC相繼出現(xiàn)。(3)DCS工業(yè)PC化：由IPC組成DCSE成為一大趨勢，PC作為DCS勺操作站或節(jié)點機已彳艮普遍，PC-PLC PC-STD PC-N*就是PC-DCSfe驅(qū)，IPC成為DCS的硬件平臺。(4)DCS專業(yè)化：DCSXJ更適合各相應(yīng)領(lǐng)域的應(yīng)用，就

7、要進一步了解相應(yīng)專業(yè) 的工藝和應(yīng)用要求，以逐步形成如核電 DCS變電站DCS玻璃DCS水泥DCS 等。二現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是繼DCS后的又一種新型工業(yè)控制系統(tǒng)，它的出現(xiàn)帶來 了工業(yè)控制領(lǐng)域的一場深刻革命。現(xiàn)場總線代表一種突破意義的控制思想，改變 了原有控制體系結(jié)構(gòu)，使模擬與數(shù)字混合的DCS®新?lián)Q代為全數(shù)字現(xiàn)場總線控制 系統(tǒng)，真正做到危險分散、控制分散、集中監(jiān)控和全數(shù)字化。1 .應(yīng)用現(xiàn)狀現(xiàn)場總線發(fā)展迅速，現(xiàn)處于群雄并起、百家爭鳴的階段。目前已開發(fā)出 40 多種現(xiàn)場總線，如 Interbus、Bitbus > DeviceNet、Modbus ARCent

8、P-Net、 FIP、ISP等，其中最有影響力的有 5種，分另1J為FFProfibus 、HARTCANLonWorks, 如表所示。FCS數(shù)字化通信使過程控制具有更高可靠性， 從傳感器、變送器到調(diào)節(jié)器， 均為數(shù)字信號，這就使得復雜、精確的信號處理得以實現(xiàn)。因采用數(shù)字總線式通 信線路代替DCS1對1的I/O連線，對于大規(guī)模I/O系統(tǒng)，減少了由連線帶來的 不可靠，同時也降低了布線成本。此外 FCS還具有互操作性、分散性、EIC(電氣 傳動、儀表、計算機)一體化等優(yōu)點。在由現(xiàn)場總線構(gòu)成的 FCS中，儀表實際上 已成為具有綜合功能的智能儀表。EIC 一體化結(jié)構(gòu)恰恰是鋼鐵工業(yè)自動化用得較 多而又急需

9、的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。2 .現(xiàn)場總線存在的不足現(xiàn)場總線是一種正在發(fā)展中的技術(shù)，在許多方面還需改善。IEC 61158規(guī)定了 FF、Profibus、WorldFIP等8種現(xiàn)場總線標準，還有一些事實上的標準，如 LonWorks和CAN總線等?，F(xiàn)有8種現(xiàn)場總線為國際標準，它們采用的通信協(xié)議 完全不同，因此要實現(xiàn)這些總線的兼容和互操作十分困難。許多標準的并存，將 導致現(xiàn)場總線技術(shù)不易廣泛應(yīng)用。現(xiàn)場總線還存在著瓶頸問題，表現(xiàn)在：（1）總線切斷后，系統(tǒng)有可能產(chǎn)生不 可預(yù)知的后果；（2）在本安防爆應(yīng)用中，現(xiàn)有防爆規(guī)定限制總線長度和總線上所 掛設(shè)備數(shù)量，同時也限制了現(xiàn)場總線節(jié)省線纜優(yōu)點的發(fā)揮；（3）系統(tǒng)組態(tài)參數(shù)

10、過于復雜，不易掌握，而其設(shè)定的好壞對系統(tǒng)性能影響很大。3 .現(xiàn)場總線在中國以智能化現(xiàn)場儀表為基礎(chǔ)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，其優(yōu)點不僅在控 制方面，更多的是在自診斷、自校正等自動管理方面。但國內(nèi)使用的系統(tǒng)規(guī)模一 般不大，沒有把管理自動化和遠程診斷功能納入系統(tǒng)，因此無法發(fā)揮FCS降低運行維護費用的優(yōu)勢，所以與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)相比，現(xiàn)場總線的優(yōu)點沒有完全體現(xiàn)出來， 現(xiàn)在國內(nèi)還有很多企業(yè)對現(xiàn)場總線技術(shù)和產(chǎn)品是否成熟可靠持懷疑態(tài)度?，F(xiàn)場總線在中國需進一步促進其快速發(fā)展，最主要的則是推動企業(yè)對現(xiàn)場總線的應(yīng)用。我國是發(fā)展中國家，還不擁有自主版權(quán)的現(xiàn)場總線。我們應(yīng)謹慎對待出現(xiàn)在 現(xiàn)場總線問題上的爭論，它已阻礙了工

11、業(yè)自動化領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和產(chǎn)品的更 新?lián)Q代，我們應(yīng)抓住網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的新機遇，努力發(fā)展我國自己的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)。 4.發(fā)展方向現(xiàn)場總線是一種正在發(fā)展的技術(shù)，在過程控制領(lǐng)域?qū)ζ湟笫牵海?）改善實時性，不允許有不確定性；（2）克服本安防爆對總線中節(jié)點數(shù)和電纜長度的限制， 加強現(xiàn)場總線本安概念理論研究；（3）實現(xiàn)可互操作性和信息處理現(xiàn)場化。 今后, 對上述3方面還要進行積極研究、不斷探索。實時性和可互操作性是以太網(wǎng)在工 業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用所要解決的重要問題。由于Ethernet技術(shù)的快速發(fā)展，其介入控制已成為事實。Ethernet的主要特點是：數(shù)字式互連網(wǎng)絡(luò)、可操作性、開放性和高網(wǎng)絡(luò)功能。網(wǎng)絡(luò)功能包括實時

12、性、可靠性等。而開放性最為重要。Ethernet是世界上應(yīng)用最為廣泛的計算機 通信技術(shù)之一，受到廣泛技術(shù)開發(fā)支持，而且已使用多年，具有大量軟、硬件資 源和開發(fā)設(shè)計經(jīng)驗。在以太網(wǎng)上層應(yīng)用的 TCP/IP協(xié)議也已開發(fā)較成熟；絕大多 數(shù)PC機均提供以太網(wǎng)接口，操作系統(tǒng)也已配備TCP/IP協(xié)議；以太網(wǎng)適配器及其 相關(guān)產(chǎn)品價格低廉，一塊以太網(wǎng)網(wǎng)卡的價格只是Profibus、FF等現(xiàn)場總線網(wǎng)卡的一小部分；而且許多現(xiàn)場總線標準已向上支持以太網(wǎng)，其中主流現(xiàn)場總線FF于2000年3月宣布用以太網(wǎng)增強H2的方案。因此，一般認為整合Ethernet和TCP/IP技術(shù)的現(xiàn)場總線是今后發(fā)展的主流 體系和應(yīng)用熱點。三以太

13、網(wǎng)(Ethernet)開放的以太網(wǎng)是20多年來發(fā)展最為成功的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并導致了一場信息技 術(shù)的革命。1. 應(yīng)用現(xiàn)狀工業(yè)自動化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)展越來越分散化， 同時系統(tǒng)越來越復雜，內(nèi) 部連接越來越高速化、緊密化，更多的是系統(tǒng)細分成為獨立控制孤島， 對驅(qū)動器 和用戶接口需求越來越多。而無論如何傳統(tǒng)PLC技術(shù)無法滿足該要求，現(xiàn)場總線 技術(shù)也不能提供相關(guān)性能。只有通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來解決，而在所有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，以 太網(wǎng)技術(shù)是最理想的選擇。目前以太網(wǎng)還只適合于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信息層應(yīng)用。以太網(wǎng)是 Byte級 網(wǎng)絡(luò)，只能部分代替現(xiàn)場總線作用，而將以太網(wǎng)用于現(xiàn)場I/O級，這是目前工控 領(lǐng)域研究的熱點之一。2.

14、Ethernet 的優(yōu)勢與以往控制網(wǎng)絡(luò)相比，以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制具有以下的優(yōu)勢：(1)更高的通信帶寬。以太網(wǎng)是一種成熟、快速的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸速率為10100Mb/s。新一代以太網(wǎng)傳輸速率更快，可達 1Gb/s,能滿足不斷增長的 數(shù)據(jù)通信需要，成為企業(yè)范圍的主干網(wǎng)絡(luò)。(2)實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備層和企業(yè)管理層的無縫連接。以太網(wǎng)早已成為企業(yè)管理網(wǎng) 絡(luò)的首選，將其應(yīng)用于現(xiàn)場設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)，將實現(xiàn)企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)的融 合，促進整個企業(yè)信息化的集成。(3)控制系統(tǒng)成本降低。主要體現(xiàn)在兩方面：支持以太網(wǎng)通信的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備較 低；熟悉以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)操作的用戶較多，整個系統(tǒng)培訓、維護都較容易。(4)更高穩(wěn)定性。光纖網(wǎng)絡(luò)

15、已成為Internet的主干網(wǎng)絡(luò)，光纖所具有的良好 抗噪聲干擾性能使得以太網(wǎng)更適合在實時監(jiān)控的高噪聲設(shè)備現(xiàn)場環(huán)境。3. Ethernet在中國的應(yīng)用目前國內(nèi)對工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的理論研究主要局限于現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)， 部分學 者對建立工業(yè)以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)進行了探討，但仍停留在概念上，未能進入實質(zhì)性 研究階段，實際應(yīng)用還不多。就目前我國網(wǎng)絡(luò)控制實際情況和發(fā)展要求，工業(yè)控制系統(tǒng)將普遍以現(xiàn)場總線 和DCSf目結(jié)合作為控制系統(tǒng)的底層和中層，用于工業(yè)現(xiàn)場；而將以太網(wǎng)用于控 4.發(fā)展方向基于以太網(wǎng)的控制網(wǎng)絡(luò)所具有的上述優(yōu)點是目前現(xiàn)場總線技術(shù)所無法比擬 的。另外，隨著寬帶以太網(wǎng)與交換式以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)作為控制

16、網(wǎng)絡(luò)在 控制實時性方面的問題正在逐步得以解決。 雖然以太網(wǎng)采用的是帶碰撞檢測的載 波偵聽多路訪問協(xié)議（CSMA/CD） 一般認為該協(xié)議不能滿足控制系統(tǒng)實時性要求， 但100Mb/s以太網(wǎng)已開始廣泛應(yīng)用，千兆以太網(wǎng)產(chǎn)品也已出現(xiàn)；而且以太網(wǎng)交換 技術(shù)的出現(xiàn)，通過全雙工交換技術(shù)，可完全避免CSMA/C中的碰撞；還可方便實 現(xiàn)優(yōu)先級機制，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)帶寬的最大利用率和最好實現(xiàn)性能。所以，未來工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向必然是通過工業(yè)Ethernet網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互連，最后連接到Internet。四基于嵌入式Internet 的工業(yè)控制1 .新型傳感器的出現(xiàn)帶給工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的變革隨著人類探知領(lǐng)域的不斷拓展和需獲得電子信

17、息種類的日益增加，傳感器技術(shù)已成為現(xiàn)代信息技術(shù)的三大核心之一，并被視為現(xiàn)代高科技發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。 傳感器技術(shù)的進步不僅表現(xiàn)在靈活、可配置功能結(jié)構(gòu)上，在信號傳輸和遠程通信 能力方面也有驚人突破，新一代傳感器可借助Internet相互傳遞信息。傳感器技術(shù)的發(fā)展極大帶動了測試、控制等相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，尤其在工業(yè)控制方面， 各種不同功能的傳感器作為嵌入式設(shè)備分布在測控設(shè)備現(xiàn)場，獲取用于控制的現(xiàn)場設(shè)備信息。新一代IP傳感器，基于嵌入式Internet技術(shù)構(gòu)造，在智能傳感器基礎(chǔ)上實 現(xiàn)了嵌入式 Web服務(wù)器技術(shù)，支持HTTP/TCP/UDP/IP等通信協(xié)議，并采用以太網(wǎng) 標準接口，實現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備和Int

18、ernet的直接通信。IP傳感器的功能模塊圖如 圖1。它解決了設(shè)備直接上網(wǎng)的問題，使得對于現(xiàn)場設(shè)備的控制不再受到空間和 地域限制，通過分配正確IP地址，授權(quán)用戶就可在任一 Internet終端實現(xiàn)對被 控設(shè)備的訪問和控制。這種局面的出現(xiàn)，必將影響現(xiàn)有控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并使之向 新控制網(wǎng)絡(luò)體系發(fā)展一一基于嵌入式Internet的控制網(wǎng)絡(luò)。2 .基于嵌入式網(wǎng)關(guān)的以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的混合控制采用以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線混合控制網(wǎng)絡(luò)，可解決不同協(xié)議標準現(xiàn)場總線的集成 問題，構(gòu)建出真正全開放、全分散控制網(wǎng)絡(luò)，如圖 2所示。該控制網(wǎng)絡(luò)的特點是，系統(tǒng)通信建立在以太網(wǎng)、TCP/IP和現(xiàn)場總線的混合通信協(xié)議之上，通過網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)

19、高速計算機網(wǎng)絡(luò)以太網(wǎng)和相對低速現(xiàn)場總線的互 連，以實現(xiàn)計算機系統(tǒng)和現(xiàn)場儀表、設(shè)備的互連和互操作。當計算機向現(xiàn)場儀表、 設(shè)備發(fā)送信息時，它首先基于以太網(wǎng)和 TCP/IP協(xié)議將信息發(fā)送給相應(yīng)網(wǎng)關(guān)，然 后由網(wǎng)關(guān)根據(jù)現(xiàn)場總線協(xié)議發(fā)送給相應(yīng)現(xiàn)場儀表、設(shè)備；反過來，當現(xiàn)場儀表、 設(shè)備的信息發(fā)送給計算機時，需由網(wǎng)關(guān)作為代理，通過以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議發(fā)送給相應(yīng)計算機。同時，因以太網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)能方便實現(xiàn)互連， 系統(tǒng)還支持通過互 聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進行遠程訪問。3 .基于嵌入式Internet控制網(wǎng)絡(luò)基于嵌入式網(wǎng)關(guān)的混合控制網(wǎng)絡(luò)在一定程度上解決了現(xiàn)場總線在控制系統(tǒng) 的分散性和開放性問題，較適合于改造現(xiàn)有現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)；在不摒棄已有現(xiàn)場總 線網(wǎng)絡(luò)的情況下，又實現(xiàn)了與Internet的集成。然而，在具體應(yīng)用實施時，尚 存在以下問題：(1)系統(tǒng)開放性仍具有較大局限性。由于整個系統(tǒng)仍采用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，不 可避免存在現(xiàn)場總線協(xié)議標準不統(tǒng)一的局限性。(2)互聯(lián)模型難以實現(xiàn)。以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)間通過網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)異質(zhì)互連， 由于存在眾多現(xiàn)場總線標準，網(wǎng)關(guān)的具體實現(xiàn)極其復雜和困難。以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議的廣泛應(yīng)用促使了 Internet飛速發(fā)展，幾乎所有網(wǎng)絡(luò) 底層技術(shù)都可用于傳輸TCP/IP的通信，應(yīng)用TCP/IP技術(shù)的以太網(wǎng)可滿足控制系 統(tǒng)各層次的要求。并且，隨著制造工藝的進步，