淺談汽輪機DCS集散控制系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)
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關鍵詞：FCS (現(xiàn)場總線控制系統(tǒng))、DCS (集散控制系統(tǒng))、PCS(過程控制系統(tǒng))、 PLC(可編程邏輯控制器)
1．集散控制系統(tǒng)DCS與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS的比較
1．1 概述FCS、DCS
FCS是在DCS的基礎上發(fā)展起來的，F(xiàn)CS順應了自動控制系統(tǒng)的發(fā)展潮流，它必將替代DCS。這已是業(yè)內(nèi)人士的基本共識。然而，任何新事物的發(fā)生，發(fā)展都是在對舊事物的揚棄中進行的，F(xiàn)CS與DCS的關系必然也不例外。FCS代表潮流與發(fā)展方向，而DCS則代表傳統(tǒng)與成熟，也是獨具優(yōu)勢的事物。特別是現(xiàn)階段，F(xiàn)CS尚沒有統(tǒng)一的國際標準而呈群雄逐鹿之勢，DCS則以其成熟的發(fā)展，完備的功能及廣泛的應用而占居著一個尚不可完全替代的地位。本人認為：現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS應該與集散式控制系統(tǒng)DCS相互兼容。
無論是FCS或者是DCS，它們最終是為了滿足整個生產(chǎn)過程而進行的系統(tǒng)控制（PCS）。
首先以工程成本與效益看，現(xiàn)場總線的根本優(yōu)勢是良好的互操作性；結(jié)構(gòu)簡單，從而布線費用低；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，倘諾企業(yè)建立有完善的DCS，現(xiàn)在要向FCS過渡，則必須仔細考慮現(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是我們應選之途。
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險是必須分析清楚的。再者，從技術(shù)的繼承及控制手段上，也要求FCS與DCS應相兼容。FCS實現(xiàn)控制功能下移至現(xiàn)場層，使DCS的 多層網(wǎng)絡被扁平化，各個現(xiàn)場設備節(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)場子層設備間的數(shù)據(jù)通訊功能。
由于歷史的原因，DCS通常擁有大型控制柜用以協(xié)調(diào)各個設備，同時更強調(diào)層與層的數(shù)據(jù)傳輸。可見，兩種控制在策略上各具優(yōu)勢。DCS適用于較慢的數(shù)據(jù)傳輸速率；FCS則更適用于較快的數(shù)據(jù)傳輸速率，以及更靈活的處理數(shù)據(jù)。然而，當數(shù)據(jù)量超過一定值過于偏大時，如果同層的設備過于獨立，則很容易導致數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的堵塞。要解決這個問題，擬設立一個適當?shù)谋O(jiān)控層用以協(xié)調(diào)相互通訊的設備，必然是有益的，DCS就能輕松地勝任這一工作?？梢?，為使FCS的控制方式和手段完善化，是有必要借鑒DCS的一些控制思想的。
要把握新世紀工業(yè)過程控制的發(fā)展趨勢，無論在學術(shù)研究或是工程應用方面都有必要使FCS綜合與繼承DCS的成熟控制策略；與此同時，DCS的發(fā)展也應追尋FCS控制策略的新思想，使其具有新的生命力。DCS應能動地將底層控制權(quán)交付給FCS系統(tǒng)，將較高層的系統(tǒng)協(xié)調(diào)管理功能發(fā)揚光大，完成對新時代，新形勢的工業(yè)控制系統(tǒng)的智能設備集成。
1．2現(xiàn)場總線傳輸特點
現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）是順應智能現(xiàn)場儀表而發(fā)展起來的。它的初衷是用數(shù)字通訊代替4－20mA模擬傳輸技術(shù)，但隨著現(xiàn)場總線技術(shù)與智能儀表管控一體化（儀表調(diào)校、控制組態(tài)、診斷、報警、記錄）的發(fā)展，在控制領域內(nèi)引起了一場前所未有的革命。控制專家們紛紛預言：FCS將成為21世紀控制系統(tǒng)的主流。
然而就在人們沸沸揚揚的對FCS進行概念炒作的時候，卻沒有注意到它的發(fā)展在某些方面的不協(xié)調(diào)，其主要表現(xiàn)在迄今為止現(xiàn)場總線的通訊標準尚未統(tǒng)一，這使得各廠商的儀表設備難以在不同的FCS中兼容。此外，F(xiàn)CS的傳輸速率也不盡人意，以基金會現(xiàn)場總線（FF）正在制定的國際標準為例，它采用了ISO的參考模型中的3層（物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層）和極具特色的用戶層，其低速總線H1的傳輸速度為31.25kbps，高速總線H2的傳輸速度為1Mbps或2.5Mbps，就針對西門子推出的PROFIBUS總線而言：其市場站有率相對較大，但由于受通訊線路長度的影響，在100M線路長度下最高通訊速率為12Mbps，這在有些場合下仍無法滿足實時控制的要求。由于上述原因，使FCS在工業(yè)控制中的推廣應用受到了一定的限制。當人們冷靜下來對這些問題進行思考時，不禁想起了在商業(yè)網(wǎng)絡中廣泛應用的以太網(wǎng)。
以太網(wǎng)具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢，由于它支持幾乎所有流行的網(wǎng)絡協(xié)議，所以在商業(yè)系統(tǒng)中被廣泛采用。但是傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用總線式拓樸結(jié)構(gòu)和多路存取載波偵聽碰撞檢測（CSMA/CD）通訊方式,在實時性要求較高的場合下，重要數(shù)據(jù)的傳輸過程會產(chǎn)生傳輸延滯，這被稱為以太網(wǎng)的“不確定性”。研究表明：商業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)應用中的傳輸延滯在2～30ms之間，這是影響以太網(wǎng)長期無法進入過程控制領域的重要原因之一。因此對以太網(wǎng)的研究具有工程實用價值，從而產(chǎn)生了一種新型以太網(wǎng)。
1．3工業(yè)以太網(wǎng)的研究現(xiàn)狀
近年來控制與通訊工程師們致力于新型工業(yè)以太網(wǎng)的研究工作，其中有代表性的是FF制定的快速以太網(wǎng)標準，其傳輸速度為100Mbps。綜觀工業(yè)以太網(wǎng)的研究現(xiàn)狀，出現(xiàn)了兩個值得注意的發(fā)展方向：以太網(wǎng)集線器和具有實時功能的以太網(wǎng)的協(xié)議。
a、以太網(wǎng)集線器
FF將以太網(wǎng)技術(shù)加入到H2協(xié)議中，并以它作為H2的底層協(xié)議，其網(wǎng)絡采用星型拓樸結(jié)構(gòu)。
集線器（HUB）置于網(wǎng)絡中心并通過以太網(wǎng)I/O接口掛接現(xiàn)場設備，其中實時現(xiàn)場儀表和普通現(xiàn)場儀表（通過通道組）分別掛接在不同的以太網(wǎng)I/O接口上。以太網(wǎng)I/O接口高速(約100 kHz)掃描所有實時現(xiàn)場儀表和通道組，然后傳送數(shù)據(jù)包到上層控制器。
通常普通控制算法在現(xiàn)場控制器中進行（可由上層控制器下載），而高級控制算法則在上層控制器中進行，其控制輸出經(jīng)以太網(wǎng)集線器和以太網(wǎng)I/O接口傳輸?shù)浆F(xiàn)場執(zhí)行儀表。由于實時現(xiàn)場儀表掛接在專用的以太網(wǎng)入口地址，并用完全分離的線路傳輸數(shù)據(jù)，所以保證了實時數(shù)據(jù)不會產(chǎn)生傳輸延滯和線路阻塞。
集線器作為網(wǎng)絡的仲裁器，除了控制通信雙方的傳輸時間外，還對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包進行優(yōu)先級設置，使每條信息都包含傳輸優(yōu)先級等實時參數(shù)。此外智能化的集線器還可以動態(tài)檢測需要通訊的現(xiàn)場設備所在以太網(wǎng)I/O口，并為之提供數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，這樣可大大縮短現(xiàn)場設備的響應時間和減少數(shù)據(jù)的重發(fā)次數(shù)。集線器與其它集線器相連可實現(xiàn)不同網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)共享。
經(jīng)驗證這種采用以太網(wǎng)集線器技術(shù)的FCS可使實時數(shù)據(jù)的延遲時間控制在200納秒的范圍之內(nèi)，這已足以滿足多數(shù)場合的實時控制要求。
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