工业控制的实际应用现状和发展趋势

1、工业控制的应用现状和发展趋势随着计算机、通信、自动控制、微电子等技术的发展，大量智能控制芯片和 智能传感器的不断出现， 以及在传感器、 通信和计算机领域所取得的巨大成就使 人们对系统综合性能尤其是安全性能提出了越来越高的要求： 希望能对系统设备 的工作状况进行实时监测和控制， 并在此基础上实现设备的智能维护。 对企业自 动化设备而言， 对其工作状况进行远程监测和控制， 不仅可方便设备管理者随时 了解设备工作状态， 设备出现异常时主动报警， 便于及时维修， 还可拓宽设备服 务范围，提高工作性能，延长使用寿命。这一目标的实现对控制网络在开放性、 互连性、分散性等方面提出了更高要求。一 分散控制系统

2、 (DCS)当前工业控制计算机的应用范围仍以大系统、分散对象、连续生产过程 (如 冶金、石化、电力 )为主，采用分布式系统结构的分散控制系统仍在发展。由于 开放结构和集成技术的发展，进一步扩展了大型分散控制系统的应用。 矚慫润厲钐 瘗睞枥庑赖。1. 应用现状DCS自1975年问世以来，大约有3次比较大的变革，70年代操作站的硬件、 操作系统、监视软件都是专用的，由各 DCS厂家自己开发并没有动态流程图， 通信网络基本上是轮询方式； 80年代通信网络较多使用令牌方式； 90年代操作 站出现了通用系统， 90 年代末通信网络有的部分遵循 TCP/IP 协议，有的开始采 用以太网。20多年来，DCS

3、已广泛应用于各工业领域并趋于成熟，成为工业控 制系统的主流。 聞創沟燴鐺險爱氇谴净。虽以现场总线为基础的FCS发展很快，最终将取代传统 DCS，但其发展仍 面临一些问题， 如统一标准、 仪表智能化等。 而传统控制系统的维护和改造还需 DCS，因此FCS完全取代传统DCS尚有较长过程。现DCS的新产品的特点为： 系统开放、管控一体化及带有先进控制软件，DCS生产厂家也从事FCS的研发、 生产和推广应用。 残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。2. DCS 存在的问题(1) 1 对 1 结构。 1 台仪表， 1 对传输线，单向传输 1 个信号。这种结构造成 接线庞杂、工程周期长、安装费用高、维护困难。 酽锕极額閉

4、镇桧猪訣锥。(2) 可靠性差。模拟信号传输不仅精确度低，且易受干扰。为此采用各种措 施提高抗干扰性和传输精确度，其结果是增加了成本。 彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。(3) 失控状态。操作员在控制室既不了解现场模拟仪表的工作状况，也不能 对其进行参数调整， 更不能预测事故， 导致操作员对其处于失控状态。 因操作员 不能及时发现现场仪表故障，而发生事故已屡见不鲜。 謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。(4) 互操作性差。尽管模拟仪表已统一 420mA信号标准，可大部分技术参 数仍由制造商自定， 致使不同品牌仪表无法互换。 因此导致用户依赖制造厂， 无 法使用性能价格比最优的配套仪表，甚至出现个别制造商垄断市场的局面。

5、厦礴 恳蹒骈時盡继價骚。3. DCS 在中国因我国传统产业改造和新建工程项目对 DCS的急需，80年代从国外引进了 几百套 DCS 来装备石化、冶金、电力等行业。进入 90年代，我国一些新型高科 技公司进入DCS领域。目前在国内生产的DCS不仅具有价格低廉、备品备件方 便的优势， 而且在技术先进、 组态学习容易、 技术支持有力等方面都获得用户肯 定。国内DCS生产的最新产品具有系统开放、兼容现场总线、管控一体化和带 有先进控制软件， 在技术上可初步与国外产品相抗衡。 目前， 我国现场控制系统 一般仍采用DCS。茕桢广鳓鯡选块网羈泪。4. 发展方向DCS发展至今已相当成熟和实用，毫无疑问，它仍是

6、当前工业自动化系统 应用及选型的主流， 不会随着现场总线技术的出现而立即退出现场过程控制的舞 台。面对挑战， DCS 将沿着以下趋势继续向前发展： 鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。(1) 向综合方向发展：标准化数据通信链路和通信网络的发展，将各种单(多)回路调节器、PLC、工业PC、NC等工控设备构成大系统，以满足工厂自动化要 求，并适应开放式的大趋势。 籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。(2) 向智能化方向发展：数据库系统、推理机能等的发展，尤其是知识库系 统(KBS)和专家系统(ES)的应用，如自学习控制、远距离诊断、自寻优等，人工 智能会在DCS各级实现。与FF现场总线类似，以微处理器为基础的智能设备如 智能

7、 I/O、 PID 控制器、传感器、变送器、执行器、人机接口、 PLC 相继出现。 預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。(3) DCS工业PC化：由IPC组成DCS已成为一大趋势，PC作为DCS的操 作站或节点机已很普遍，PC-PLC、PC-STD、PC-NC等就是PC-DCS先驱，IPC 成为 DCS 的硬件平台。 渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。(4) DCS 专业化： DCS 为更适合各相应领域的应用，就要进一步了解相应专 业的工艺和应用要求，以逐步形成如核电 DCS，变电站DCS、玻璃DCS、水泥 DCS 等。 铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。现场总线控制系统 (FCS)现场总线控制系统是继 DCS 之后的又一种新型工

8、业控制系统，它的出现带 来了工业控制领域的一场深刻革命。 现场总线代表一种突破意义的控制思想， 改 变了原有控制体系结构，使模拟与数字混合的 DCS 更新换代为全数字现场总线 控制系统，真正做到危险分散、控制分散、集中监控和全数字化。 擁締凤袜备訊顎轮 烂蔷。1. 应用现状现场总线发展迅速，现处于群雄并起、百家争鸣的阶段。目前已开发出 40 多种现场总线，如 Interbus、Bitbus、DeviceNet、Modbus、ARCent、P-Net、FIP、 ISP等，其中最有影响力的有 5种，分别为FF、Profibus、HART、CAN、LonWorks, 如表所示。 贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷

9、。FCS全数字化通信使过程控制具有更高可靠性，从传感器、变送器到调节器， 均为数字信号， 这就使得复杂、 精确的信号处理得以实现。 因采用数字总线式通 信线路代替DCS 1对1的I/O连线，对于大规模I/O系统，减少了由连线带来的 不可靠，同时也降低了布线成本。此外 FCS还具有互操作性、分散性、EIC(电 气传动、仪表、计算机)一体化等优点。在由现场总线构成的 FCS中，仪表实际 上已成为具有综合功能的智能仪表。EIC 一体化结构恰恰是钢铁工业自动化用得 较多而又急需的控制系统结构。 坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。2. 现场总线存在的不足现场总线是一种正在发展中的技术，在许多方面还需改善。 IEC

10、61158规定 了 FF、 Profibus、 WorldFIP 等 8 种现场总线标准，还有一些事实上的标准，如 LonWorks 和 CAN 总线等。现有 8 种现场总线为国际标准，它们采用的通信协 议完全不同，因此要实现这些总线的兼容和互操作十分困难。许多标准的并存， 将导致现场总线技术不易广泛应用。 蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。现场总线还存在着瓶颈问题，表现在： (1)总线切断后，系统有可能产生不 可预知的后果； (2)在本安防爆应用中，现有防爆规定限制总线长度和总线上所 挂设备数量，同时也限制了现场总线节省线缆优点的发挥； (3)系统组态参数过 于复杂，不易掌握，而其设定的好坏对系统性能影

11、响很大。 買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。3. 现场总线在中国以智能化现场仪表为基础的现场总线系统与传统系统相比， 其优点不仅在控 制方面， 更多的是在自诊断、 自校正等自动管理方面。 但国内使用的系统规模一 般不大，没有把管理自动化和远程诊断功能纳入系统，因此无法发挥 FCS 降低 运行维护费用的优势， 所以与传统产业相比，现场总线的优点没有完全体现出来， 现在国内还有很多企业对现场总线技术和产品是否成熟可靠持怀疑态度。 现场总 线在中国需进一步促进其快速发展，最主要的则是推动企业对现场总线的应用。 綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。我国是发展中国家， 还不拥有自主版权的现场总线。 我们应谨慎对待出现在 现场总线

12、问题上的争论， 它已阻碍了工业自动化领域网络技术的发展和产品的更 新换代，我们应抓住网络发展的新机遇， 努力发展我国自己的现场总线网络产业。 驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。4. 发展方向现场总线是一种正在发展的技术，在过程控制领域对其要求是：(1)改善实时性，不允许有不确定性； (2)克服本安防爆对总线中节点数和电缆长度的限制， 加强现场总线本安概念理论研究； (3)实现可互操作性和信息处理现场化。今后， 对上述 3 方面还要进行积极研究、 不断探索。实时性和可互操作性是以太网在工 业现场应用所要解决的重要问题。 猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。由于Ethernet技术的快速发展，其介入控制已成为事实。Ethe

13、rnet的主要特 点是：数字式互连网络、 可操作性、开放性和高网络功能。 网络功能包括实时性、 可靠性等。而开放性最为重要。Ethernet是世界上应用最为广泛的计算机通信技 术之一，受到广泛技术开发支持，而且已使用多年，具有大量软、硬件资源和开 发设计经验。在以太网上层应用的 TCP/IP 协议也已开发较成熟；绝大多数 PC 机均提供以太网接口，操作系统也已配备 TCP/IP 协议；以太网适配器及其相关 产品价格低廉， 一块以太网网卡的价格只是 Profibus、FF 等现场总线网卡的一小 部分；而且许多现场总线标准已向上支持以太网， 其中主流现场总线 FF 于 2000 年 3 月宣布用以

14、太网增强 H2 的方案。 锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。因此，一般认为整合Ethernet和TCP/IP技术的现场总线是今后发展的主流 体系和应用热点。三 以太网 (Ethernet)开放的以太网是 20 多年来发展最为成功的网络技术，并导致了一场信息技 术的革命。可以预见，正如当年 PC机进入工业自动化领域一样，采用以太网技 术是现场总线的发展趋势。 構氽頑黉碩饨荠龈话骛。1. 应用现状工业自动化控制系统网络结构发展越来越分散化， 同时系统越来越复杂， 内 部连接越来越高速化、 紧密化， 更多的是系统细分成为独立控制孤岛， 对驱动器 和用户接口需求越来越多。而无论如何传统 PLC 技术无法满足该要求

15、，现场总 线技术也不能提供相关性能。只有通过网络技术来解决，而在所有网络技术中， 以太网技术是最理想的选择。 輒峄陽檉簖疖網儂號泶。目前以太网还只适合于工业控制网络系统的信息层应用。以太网是 Byte 级 网络，只能部分代替现场总线作用，而将以太网用于现场 I/O 级，这是目前工控 领域研究的热点之一。 尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。2. Ethernet 的优势与以往控制网络相比，以太网应用于工业控制具有以下的优势：(1) 更高的通信带宽。以太网是一种成熟、快速的网络协议，数据传输速率为10100Mb/s。新一代以太网传输速率更快，可达 1Gb/s，能满足不断增长的 数据通信需要，成为企业范围的主干

16、网络。 识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。(2) 实现现场设备层和企业管理层的无缝连接。以太网早已成为企业管理网 络的首选， 将其应用于现场设备控制网络， 将实现企业信息网络和控制网络的融 合，促进整个企业信息化的集成。 凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。(3) 控制系统成本降低。主要体现在两方面：支持以太网通信的网络设备较 低；熟悉以太网网络操作的用户较多，整个系统培训、维护都较容易。 恥諤銪灭萦 欢煬鞏鹜錦。(4) 更高稳定性。光纤网络已成为In ternet的主干网络，光纤所具有的良好抗 噪声干扰性能使得以太网更适合在实时监控的高噪声设备现场环境。 鯊腎鑰诎褳鉀沩 懼統庫。3. Ethernet在中国的应用目前

17、国内对工业控制网络领域的理论研究主要局限于现场总线网络， 部分学 者对建立工业以太网控制网络进行了探讨， 但仍停留在概念上， 未能进入实质性 研究阶段，实际应用还不多。 硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。就目前我国网络控制实际情况和发展要求， 工业控制系统将普遍以现场总线 和 DCS 相结合作为控制系统的底层和中层，用于工业现场；而将以太网用于控 制系统的上层，以实现高速率的通信和网络互连。 阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。4. 发展方向基于以太网的控制网络所具有的上述优点是目前现场总线技术所无法比拟 的。另外，随着宽带以太网与交换式以太网技术的发展， 以太网作为控制网络在 控制实时性方面的问题正在逐步得以解决。

18、虽然以太网采用的是带碰撞检测的载 波侦听多路访问协议 (CSMA/CD) ，一般认为该协议不能满足控制系统实时性要 求，但 100Mb/s 以太网已开始广泛应用， 千兆以太网产品也已出现； 而且以太网 交换技术的出现， 通过全双工交换技术， 可完全避免 CSMA/CD 中的碰撞； 还可 方便实现优先级机制，实现网络带宽的最大利用率和最好实现性能。 氬嚕躑竄贸恳彈 瀘颔澩。所以，未来工业控制系统的发展方向必然是通过工业Ethernet 网络实现互连，最后连接到 Internet。 釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。四 基于嵌入式 Internet 的工业控制1. 新型传感器的出现带给工业控制网络的变革随着人

19、类探知领域的不断拓展和需获得电子信息种类的日益增加， 传感器技 术已成为现代信息技术的三大核心之一，并被视为现代高科技发展的关键技术。 传感器技术的进步不仅表现在灵活、 可配置功能结构上， 在信号传输和远程通信 能力方面也有惊人突破，新一代传感器可借助 Internet 相互传递信息。传感器技 术的发展极大带动了测试、控制等相关领域技术的发展，尤其在工业控制方面， 各种不同功能的传感器作为嵌入式设备分布在测控设备现场， 获取用于控制的现 场设备信息。 怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。新一代 IP 传感器，基于嵌入式 Internet 技术构造，在智能传感器基础上实现 了嵌入式Web服务器技术，支持HTT

20、P/TCP/UDP/IP等通信协议，并采用以太网 标准接口，实现了现场设备和In ternet的直接通信。IP传感器的功能模块图如图1。它解决了设备直接上网的问题，使得对于现场设备的控制不再受到空间和地域限制，通过分配正确IP地址，授权用户就可在任一 In ternet终端实现对被控设 备的访问和控制。 这种局面的出现， 必将影响现有控制网络结构， 并使之向新控 制网络体系发展基于嵌入式In ternet的控制网络。谚辞調担鈧谄动禪泻類。2. 基于嵌入式网关的以太网和现场总线的混合控制采用以太网和现场总线混合控制网络， 可解决不同协议标准现场总线的集成 问题，构建出真正全开放、全分散控制网络，

21、如图 2 所示。 嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。该控制网络的特点是，系统通信建立在以太网、 TCP/IP 和现场总线的混合 通信协议之上，通过网关实现高速计算机网络以太网和相对低速现场总线的互 连，以实现计算机系统和现场仪表、 设备的互连和互操作。 当计算机向现场仪表、 设备发送信息时，它首先基于以太网和 TCP/IP 协议将信息发送给相应网关，然 后由网关根据现场总线协议发送给相应现场仪表、设备；反过来，当现场仪表、 设备的信息发送给计算机时，需由网关作为代理，通过以太网和 TCP/IP 协议发 送给相应计算机。 同时，因以太网和互联网能方便实现互连， 系统还支持通过互 联网络进行远程访问。 熒绐譏

22、钲鏌觶鷹緇機库。3. 基于嵌入式 Internet 控制网络基于嵌入式网关的混合控制网络在一定程度上解决了现场总线在控制系统 的分散性和开放性问题， 较适合于改造现有现场总线网络； 在不摒弃已有现场总 线网络的情况下，又实现了与 Internet 的集成。然而，在具体应用实施时，尚存 在以下问题： 鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。(1)系统开放性仍具有较大局限性。由于整个系统仍采用现场总线网络，不 可避免存在现场总线协议标准不统一的局限性。 纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。(2)互联模型难以实现。以太网和现场总线网络间通过网关实现异质互连， 由于存在众多现场总线标准， 网关的具体实现极其复杂和困难。 颖刍莖蛺饽亿

23、顿裊赔泷。以太网和 TCP/IP 协议的广泛应用促使了 Internet 飞速发展，几乎所有网络 底层技术都可用于传输 TCP/IP 的通信，应用 TCP/IP 技术的以太网可满足控制系 统各层次的要求。 并且，随着制造工艺的进步， 智能控制芯片和智能传感器的成 本越来越低，功能却越来越强大，这不仅解决了嵌入式微控制器与Internet 连接的技术问题， 同时使得连接费用降低到工业控制可接受的程度。 这种技术的发展 促使了基于嵌入式 Internet 的控制网络的出现。在这种网络体系结构中，基于 TCP/IP 的以太网贯穿于控制系统各个层次，将孤立的现场设备和设备工程师以 及企业管理人员均作为一个网络节点通过以太网有机连接在一起， 形成一个有机 整体，实现现场设备到管理层的直接通信， 使设备的控制与维护由过去封闭、 各 行其是的管理模式逐步向开放、 共享、合作的新型管理模式转变， 并最终实现企 业控制、管理信息的无缝集成。 濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。嵌入式 Internet 技术在工业控制中的一个重要应用是实现对远程现场设备的 状态监控。借助与 Internet 的低成本接入技术，构建具有更高性价比的监控自动 化系统，较方便地在各类嵌入式应用中，实现远距离操作、监控、控制和维护。 銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。五 结束语21世纪是信息化、网络