一个控制系统由I/O设备(传感器和执行器)、控制硬件、控制软件、人机接口及与信息系统的连接等组成。设备级现场总线使I/O模件和控制箱得以分开,以太网使得现场采集的数据集成到企业应用中。
早期的集中式控制系统
80年代初期,当微机控制系统用于电站自动化领域时,多使用以单板机组成的微机控制装置,与上位机系统连接多采用串行通信方式,所有模件集中布置在一个或几个机柜中。由这些装置构成的系统多为集中式控制系统或分层控制系统。这种系统为我国电站自动化控制系统发挥了重要作用,其开拓性的实践是今天控制系统丰富多彩的基础。但是,这类系统技术上已经落后,不符合控制系统分布、开放的发展趋势。
DCS在我国电力行业特别是火电厂机组控制系统中得到了广泛的应用。传统的DCS主要有4层结构:第1层是I/O层;第2层是控制器层;第3层是人机接口层;第4层是企业信息系统层。这种结构与图1相近,但除在第3层、第4层之间采用以太网外,其他都是专用网络,控制设备及软件也是专用的,开放程度不够,给系统维护及升级带来不便。DCS在设备配置上还要求网络、控制器、电源甚至模件等都为冗余结构,支持无扰切换和带电插拔,由于设计上的高要求,导致DCS成本太高。
PLC可编程逻辑控制器
严格说来,单独的PLC因缺少人机接口及信息系统等部分,不是一个控制系统。PLC由于其高可靠性及使用的方便性,占领着很大的市场份额。从控制系统结构来看,传统的PLC相当于通用化的微机监控装置,由电源模件、CPU模件、I/O模件、槽板及扩展插箱组成,使用厂家提供的梯形图逻辑语言进行编程。但随着市场的需要及DCS的挑战,PLC家族在以下几方面得到了发展:1分布式I/O连接能力方面,由于许多高档PLC支持远程I/O及现场总线网络(如DeviceNet,Profibus等),使PLC向下连接更分布;2厂级控制系统连接方面,许多PLC支持高速网络,如Ethernet,ControlNet,Profibus等;3软件的开放性方面,由于许多PLC支持OPC标准(objectlinkingandembeddingforprocesscontrol),使软、硬件平台之间的数据通信找到了一个实现的标准。这种部分开放加上部分专用所构成的系统可能还会延续一段时间。但是,正是由于PLC是一种通用的控制器,应用到&&&%&&%&&&%&&%&1作为现地控制装置有其局限性,需做许多硬件和软件上的改进工作,配置额外的设备和电路。与DCS相比,PLC有成本上的优势,但可靠性、电气性能却不如DCS。
FCS现场总线控制系统
FCS(fieldbuscontrolsystem)顾名思义基于现场总线,根据IEC标准及现场总线基金会的定义:
现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式双向传输、多分支结构的通讯网络。现场总线系统应具有以下技术特点:1系统的开放性;2互可操作性与可用性;3现场设备的智能化与功能自治性;4系统结构的高度分散性;5对现场环境的适应性。
由于有以上技术要求,现场总线控制系统将是开放系统的主要支撑力量。由于受集团利益的限制,现场总线网络本身目前还未形成一个单一的标准。常见的标准有Profibus,CAN,Lonworks,WorldFip及FF(fieldbusfoundation)等,人们期待着将于2000年初颁布的最后统一的标准IEC61158,FF与目前的IEC61158—3.4.5.6草案兼容。现场总线控制系统不仅需要控制系统设备制造商的支持,更主要的是要得到分散在现场的传感器及执行设备的支持,以取代DCS的数字/模拟混合技术,成为全数字式系统。这样的系统才会比DCS有很大的技术及成本优势。
目前的情形是,我国广大的中小型生产企业还没有DCS,大型企业使用DCS,使用现场总线控制系统近几年内难以实现。在这种情形下,什么是当前适合中国国情的控制系统呢?笔者认为作为过渡阶段可行的方案应是DCS—FCS结合的控制系统模式。这种模式采用智能I/O模件作为仪表上网的桥梁,同时节省成本;使用现场总线网络适应分布式、开放式的发展趋势;使用开放式的控制器硬件及开放式的组态软件代替DCS中专用的控制器,保留DCS的冗余技术及组态技术等优点,使用标准的开放性网络以太网作为厂级网络,而不是DCS的专用网络。随着技术的进步、成本的进一步降低,全开放式的现场总线控制系统必将是未来的趋势。
