FCS與DCS溷合式集成控制系統(tǒng)講課稿

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。FCS與DCS溷合式集成控制系統(tǒng)-FCS與DCS混合式集成控制系統(tǒng)研究引言控制系統(tǒng)由五十多年前的PCS(PneumatiCControlSystem)的第一代控制系統(tǒng)，經(jīng)歷了ACS(AnalogouSControlSystem)、CCS(ComputerControlSystem)和DCS(DistributedControlSystem)，而發(fā)展成今天的第五代控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)FCS(FieldbuSControlSystem)。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、

2、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(cè)與診斷工程軟件，可對(duì)生產(chǎn)工況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而及早發(fā)現(xiàn)故障，及時(shí)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(kāi)始開(kāi)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(shí)現(xiàn)傳感器、控制器層的通信，這就是現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)。但研究工作進(jìn)展緩慢，而且無(wú)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)可遵守。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)于2000年1月正式公布了IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(méi)有實(shí)現(xiàn)完全統(tǒng)一國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的初衷。CAN(ControllerAreaNetw

3、ork)總線(xiàn)是現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的一種，它一般采用典型的串行總線(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)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(jiǎn)單、成本低、而且通信可靠。CAN總線(xiàn)因傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低，保證了通信的實(shí)時(shí)性。CAN能對(duì)錯(cuò)誤的來(lái)源進(jìn)行正確定位，將永久的硬件錯(cuò)誤從軟件錯(cuò)誤中獨(dú)立出來(lái)，其協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)，并提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，同時(shí)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(chǎng)總線(xiàn)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(chǎng)總線(xiàn)的優(yōu)勢(shì)是良好的互操作性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，布線(xiàn)費(fèi)用低；控制功能分散，靈活可靠，以及現(xiàn)場(chǎng)信息豐富。然而這些優(yōu)勢(shì)是建立在FCS系統(tǒng)初裝的前提下，倘若企業(yè)建立有

4、完善的DCS，要向FCS過(guò)渡，則必須仔細(xì)考慮現(xiàn)有投資對(duì)已有投資的回報(bào)率。充分利用已有的DCS設(shè)施，現(xiàn)有DCS的布線(xiàn)以及成熟的DCS控制管理方式來(lái)實(shí)現(xiàn)FCS是首選之途。雖然現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)對(duì)已有的數(shù)字現(xiàn)場(chǎng)協(xié)議有優(yōu)勢(shì)可言，但向其過(guò)渡的代價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)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(shí)現(xiàn)控制功能下移至現(xiàn)場(chǎng)層，使DCS的多層網(wǎng)絡(luò)被扁平化，各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)的獨(dú)立功能得以加強(qiáng)，因此，在FCS中有必要增加和完善現(xiàn)場(chǎng)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(gè)方面：(1)FCS和DCS輸入輸出總線(xiàn)的集成DCS的控制站主要由控制單元(ControlUnit，CU)和

5、輸入輸出單元(InputOutputUnit，IOU)組成，這兩個(gè)單元之間通過(guò)I/O總線(xiàn)連接。在I/O總線(xiàn)上掛接現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接口板或現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接口單元(FieldbusInterfaceUnit，F(xiàn)IU)，如圖1所示?，F(xiàn)場(chǎng)儀表或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)與HU通信，F(xiàn)IU再通過(guò)I/O總線(xiàn)與DCS的控制單元通信。這樣便實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和DCS輸入輸出總線(xiàn)的集成，即現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和DCS控制站的集成?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和DCS輸入輸出總線(xiàn)的集成具有以下3個(gè)特點(diǎn)：除了安裝現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接口板或現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接口單元外，不用對(duì)DCS再做其它變更；充分利用DCS控制站的運(yùn)算和控制功能塊，因?yàn)槌跗陂_(kāi)發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)儀表中的功能塊數(shù)量和種類(lèi)有限；利用已

6、有DCS的技術(shù)和資源，投資少，見(jiàn)效快，便于推廣現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(xiàn)上集成現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是一種最基本的初級(jí)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(chǎng)總線(xiàn)，如圖2所示。現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)服務(wù)器(FieldbuSServer，F(xiàn)S)掛接在DCS網(wǎng)絡(luò)上，F(xiàn)S是一臺(tái)完整的計(jì)算機(jī)，并安裝了現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接口卡和DCS網(wǎng)絡(luò)接口卡?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)與其接口卡通信，現(xiàn)場(chǎng)儀表中的輸入、輸出、控制和運(yùn)算等功能塊可以在現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)上獨(dú)立構(gòu)成控制回路，而不必借用DCS控制站的功能?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)服務(wù)器通過(guò)其DCS網(wǎng)絡(luò)接口卡與DCS網(wǎng)絡(luò)(DCSnet

7、)通信，也可以把FCS看作DCS網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)或DCS的一臺(tái)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(gè)特點(diǎn)：除了安裝現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)服務(wù)器外，不用對(duì)DCS再做其它變更；在現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)上可以獨(dú)立構(gòu)成控制回路，實(shí)現(xiàn)徹底的分散控制；現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)服務(wù)器中一些高級(jí)功能塊，可以與現(xiàn)場(chǎng)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；利用已有DCS的部分資源，投資少、見(jiàn)效快，便于推廣現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(guò)網(wǎng)關(guān)(Gateway)與DCS網(wǎng)絡(luò)(DCS

8、net)集成，在各自網(wǎng)絡(luò)上直接交換信息，如圖3所示；另一種是FCS和DCS分別掛接在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)(Intranet)上，通過(guò)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)間接交換信息。FCS和DCS的集成具有以下4個(gè)特點(diǎn)：獨(dú)立安裝FCS，對(duì)DCS幾乎不做任何變更，只需在DCSnet上接一臺(tái)網(wǎng)關(guān)；FCS是一個(gè)完整的系統(tǒng)，不必借用比DCS的資源；既有利于FCS的發(fā)展和推廣，又有利于充分利用現(xiàn)有DCS的資源；系統(tǒng)投資大，適用于新建裝置。基于混合控制的多軸超聲檢測(cè)系統(tǒng)多軸超聲檢測(cè)系統(tǒng)要完成的主要功能如下：多軸聯(lián)動(dòng)超聲自動(dòng)掃查檢測(cè)；棒材的螺旋面成像、橫截面成像和縱截面成像；鍛件和碳纖維的平面掃描；準(zhǔn)三維掃描成像；A/B/C成像和分析；缺陷定量及

9、其缺陷圖像分析；缺陷定位及標(biāo)記等。該超聲檢測(cè)系統(tǒng)的各個(gè)I/O組件及各主件內(nèi)部的各模塊之間的數(shù)據(jù)聯(lián)系采用了傳統(tǒng)的并行網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)引入了CANbus，通過(guò)該總線(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)伺服控制器直接控制，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)同其他超聲設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換。如果采用多主模式還可以向上融入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。多軸超聲檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4。為了完成多軸聯(lián)動(dòng)超聲自動(dòng)掃查檢測(cè)，采用CAN總線(xiàn)對(duì)多臺(tái)伺服電機(jī)進(jìn)行控制。系統(tǒng)中選用安裝在控制站中的CAN總線(xiàn)適配卡與CAN總線(xiàn)相連，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和DCS輸入輸出總線(xiàn)集成，現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)是帶有CAN控制端口的6只伺服控制器，通過(guò)伺服控制器來(lái)完成對(duì)外圍的伺服電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)各種點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)。采用

10、德國(guó)百格拉公司的TCL6系列控制器，該型控制器除了具有伺服控制器的全部基本功能外，它還內(nèi)置可編程邏輯控制器(PLC)，可以編程控制，通過(guò)在TCL6基礎(chǔ)上添加CAN通訊接口，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的通訊和控制策略：首先初始化CAN總線(xiàn)適配卡和CAN通訊接口；實(shí)現(xiàn)總線(xiàn)適配卡與控制器之間的通訊。其次，通過(guò)總線(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)到控制器中，PC機(jī)先把需要下傳的數(shù)據(jù)按一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)寫(xiě)入PCCAN卡中，PCCAN卡把該數(shù)據(jù)傳送到總線(xiàn)上，當(dāng)與總線(xiàn)數(shù)據(jù)中的包含的目的地址相同的控制器探測(cè)到總線(xiàn)上的該數(shù)據(jù)，開(kāi)始接受該數(shù)據(jù)并檢查數(shù)據(jù)在傳送中是否被破壞，如完整將執(zhí)行該指令，同時(shí)向PCCAN傳送肯定的回答信息。當(dāng)通訊建立后，

11、電機(jī)按指令完成動(dòng)作，通過(guò)PLC可以把固定的運(yùn)動(dòng)方式固化在控制器中。為了減輕總線(xiàn)的通訊壓力，通過(guò)PLC編程來(lái)完成主要的運(yùn)動(dòng)控制工作。例如，在已知運(yùn)動(dòng)軌跡的情況下，采用電子齒輪比模式時(shí)，把已知運(yùn)動(dòng)軌跡分段并把每段的電子齒輪比一起編入特定的PLC程序段中，完成以主軸電機(jī)為主的隨動(dòng)控制。實(shí)際運(yùn)用中，只需從總線(xiàn)發(fā)出一個(gè)開(kāi)始的廣播信號(hào)，下屬電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制就由PLC單獨(dú)完成，PLC通過(guò)計(jì)算光電編碼器反饋的信號(hào)，適時(shí)調(diào)用預(yù)制的電子齒輪比來(lái)完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。這種處理方式就比上位機(jī)通過(guò)總線(xiàn)實(shí)時(shí)訪(fǎng)問(wèn)光電編碼器的信號(hào)來(lái)改變每臺(tái)電機(jī)的電子齒輪要簡(jiǎn)單，總線(xiàn)只需按照監(jiān)視界面讀取電機(jī)位置狀態(tài)即可。采用這樣的設(shè)計(jì)可減少總線(xiàn)50%的通訊任務(wù)，也減輕了上位機(jī)的工作強(qiáng)度，以便上位機(jī)有更多的資源解決其它運(yùn)算任務(wù)。該系統(tǒng)能夠較好完成多功能檢測(cè)系統(tǒng)的要求，由于選擇了總線(xiàn)控制，使系統(tǒng)較以前的控制方式可靠性得到大大提高，同時(shí)還連線(xiàn)簡(jiǎn)化。同時(shí)因?yàn)閮?nèi)置PLC的伺服控制器的運(yùn)用，這使得上位機(jī)的一部分工作移到下位機(jī)處理，上位機(jī)就有了更多的資源來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的圖像處理等工作。結(jié)論根據(jù)測(cè)控系統(tǒng)中FCS與D