试议DCS集散控制系统产品开发

1、浅谈DCS集散操纵系统产品开发（一）2006-4-8 14:15:00一、集散操纵系统DCS与现场总线操纵系统FCS的比较（一）概述FCS、DCS FCS是在DCS的基础上进展起来的，FCS顺应了自动操纵系统的进展潮流，它必将替代DCS。这已是业内人士的差不多共识。然而，任何新事物的发生，进展差不多上在对旧事物的扬弃中进行的，FCS与DCS的关系必定也不例外。FCS代表潮流与进展方向，而DCS则代表传统与成熟，也是独具优势的事物。特不是现时期，FCS尚没有统一的国际标准而呈群雄逐鹿之势，DCS则以其成熟的进展，完备的功能及广泛的应用而占居着一个尚不可完全替代的地位。本人认为：现场总线操纵系统F

2、CS应该与集散式操纵系统DCS相互兼容。 不管是FCS或者是DCS，它们最终是为了满足整个生产过程而进行的系统操纵（PCS）。 首先以工程成本与效益看，现场总线的全然优势是良好的互操作性；结构简单，从而布线费用低；操纵功能分散，灵活可靠，以及现场信息丰富。然而这些优势是建立在 FCS系统初装的前提下，倘诺企业建立有完善的DCS，现在要向FCS过渡，则必须认真考虑现有投资对已有投资的回报率。充分利用已有的DCS设施，现有DCS的布线以及成熟的DCS操纵治理方式来实现FCS是我们应选之途。 尽管现场总线对已有的数字现场协议有优势可言，但向其过渡的代价与风险是必须分析清晰的。再者，从技术的继承及操纵

3、手段上，也要求FCS与DCS应相兼容。FCS实现操纵功能下移至现场层，使DCS的 多层网络被扁平化，各个现场设备节点的独立功能得以加强，因此，在FCS中有必要增加和完善现场子层设备间的数据通讯功能。 由于历史的缘故，DCS通常拥有大型操纵柜用以协调各个设备，同时更强调层与层的数据传输。可见，两种操纵在策略上各具优势。DCS适用于较慢的数据传输速率；FCS则更适用于较快的数据传输速率，以及更灵活的处理数据。然而，当数据量超过一定值过于偏大时，假如同层的设备过于独立，则专门容易导致数据网络的堵塞。要解决那个问题，拟设立一个适当的监控层用以协调相互通讯的设备，必定是有益的，DCS就能轻松地胜任这一工

4、作。可见，为使FCS的操纵方式和手段完善化，是有必要借鉴DCS的一些操纵思想的。 要把握新世纪工业过程操纵的进展趋势，不管在学术研究或是工程应用方面都有必要使FCS综合与继承DCS的成熟操纵策略；与此同时，DCS的进展也应查找FCS操纵策略的新思想，使其具有新的生命力。DCS应能动地将底层操纵权交付给FCS系统，将较高层的系统协调治理功能发扬光大，完成对新时代，新形势的工业操纵系统的智能设备集成。（二）现场总线传输特点 现场总线操纵系统（FCS）是顺应智能现场仪表而进展起来的。它的初衷是用数字通讯代替420mA模拟传输技术，但随着现场总线技术与智能仪表管控一体化（仪表调校、操纵组态、诊断、报警

5、、记录）的进展，在操纵领域内引起了一场前所未有的革命。操纵专家们纷纷预言：FCS将成为21世纪操纵系统的主流。 然而就在人们沸沸扬扬的对FCS进行概念炒作的时候，却没有注意到它的进展在某些方面的不协调，其要紧表现在迄今为止现场总线的通讯标准尚未统一，这使得各厂商的仪表设备难以在不同的FCS中兼容。此外，FCS的传输速率也不尽人意，以基金会现场总线（FF）正在制定的国际标准为例，它采纳了ISO的参考模型中的3层（物理层、数据链路层和应用层）和极具特色的用户层，其低速总线H1的传输速度为31.25kbps，高速总线H2的传输速度为1Mbps或2.5Mbps，就针对西门子推出的PROFIBUS总线而

6、言：其市场站有率相对较大，但由于受通讯线路长度的阻碍，在100M线路长度下最高通讯速率为12Mbps，这在有些场合下仍无法满足实时操纵的要求。由于上述缘故，使FCS在工业操纵中的推广应用受到了一定的限制。当人们平复下来对这些问题进行考虑时，不禁想起了在商业网络中广泛应用的以太网。 以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势，由于它支持几乎所有流行的网络协议，因此在商业系统中被广泛采纳。然而传统以太网采纳总线式拓朴结构和多路存取载波侦听碰撞检测（CSMA/CD）通讯方式,在实时性要求较高的场合下，重要数据的传输过程会产生传输延滞，这被称为以太网的“不确定性”。研究表明：商业以太网

7、在工业应用中的传输延滞在230ms之间，这是阻碍以太网长期无法进入过程操纵领域的重要缘故之一。因此对以太网的研究具有工程有用价值，从而产生了一种新型以太网。（三）工业以太网的研究现状 近年来操纵与通讯工程师们致力于新型工业以太网的研究工作，其中有代表性的是FF制定的快速以太网标准，其传输速度为100Mbps。综观工业以太网的研究现状，出现了两个值得注意的进展方向：以太网集线器和具有实时功能的以太网的协议。1以太网集线器 FF将以太网技术加入到H2协议中，并以它作为H2的底层协议，其网络采纳星型拓朴结构。集线器（HUB）置于网络中心并通过以太网I/O接口挂接现场设备，其中实时现场仪表和一般现场仪

8、表（通过通道组）分不挂接在不同的以太网I/O接口上。以太网I/O接口高速(约100 kHz)扫描所有实时现场仪表和通道组，然后传送数据包到上层操纵器。通常一般操纵算法在现场操纵器中进行（可由上层操纵器下载），而高级操纵算法则在上层操纵器中进行，其操纵输出经以太网集线器和以太网I/O接口传输到现场执行仪表。由于实时现场仪表挂接在专用的以太网入口地址，并用完全分离的线路传输数据，因此保证了实时数据可不能产生传输延滞和线路堵塞。集线器作为网络的仲裁器，除了操纵通信双方的传输时刻外，还对传输的数据包进行优先级设置，使每条信息都包含传输优先级等实时参数。此外智能化的集线器还能够动态检测需要通讯的现场设备

9、所在以太网I/O口，并为之提供数据缓冲区，如此可大大缩短现场设备的响应时刻和减少数据的重发次数。集线器与其它集线器相连可实现不同网络之间的数据共享。经验证这种采纳以太网集线器技术的FCS可使实时数据的延迟时刻操纵在200纳秒的范围之内，这已足以满足多数场合的实时操纵要求。2在以太网的协议中加入实时功能一些FCS的生产商（如ControlNet、Profibus、Modbus和Java等）在开发自己的工业以太网FCS时，在工业以太网协议中加入实时功能，此项技术被称为“地道”，它事实上仅仅是在设备中加入专门的协议芯片，那个地点不做具体介绍。3工业以太网的研究课题 上述研究工作的进展为以太网进入FC

10、S提供了可行性，但要使以太网能在FCS中发挥其强大的网络优势，以满足现代工业操纵中日益增长的数据传输和信息传输种类（如语音、图象和视频等）的需要，还有待于研究工作取得更大的突破性进展。目前的研究工作应集中解决以下两个方面的问题：（四）尽快推出FCS国际标准当今的FCS领域出现了世界各大厂商各自为战的混乱局面。其中有阻碍的为Intel公司的Bitbus、德国的HART和Profibus、丹麦的P-NET、Honeyvell及AB的WorldFIP、Foxboro,ABB和横河的ISP、FF的H1和H2和Echelon的Lonworks、菲利普的CAN等。这种混乱局面是由于各大厂商为了抢占市场急于

11、推出自己的产品，而FCS的国际标准又迟迟不能出台所造成的。标准的不统一使各厂家推出的FCS成为一个个“自动化孤岛”，不同系统和现场设备的兼容性都专门差。FCS的用户强烈呼吁尽快出台FCS的国际标准，以期望实现FCS的“世界大同”。1994年6月WorldFIP和ISP联合成立了FF，它包括了世界上几乎所有的闻名操纵仪表厂商在内的100多个成员单位，致力于IEC的FCS国际标准化工作。但由于部分成员为了自身利益，力图阻止FCS的国际标准出台，形成了FF的FCS国际标准难以“一统天下”的令人担忧的局面。解决这一问题的途径是：一是要求FF在其国际标准中推出完善的用户层和严格的互操作性的产品认证；二是

12、提高用户抵制非国际标准的FCS的自觉性。工业以太网向FCS现场级的延伸。必须指出，工业以太网FCS中，其现场级总线的传输速度并不理想，这是因为工业以太网还只是在上层操纵网络中应用，而许多厂商出于安全考虑，在许多技术问题没有解决之前，现场级尚未使用工业以太网，因此FCS总体的传输速度没有什么质的飞跃。为了实现以太网向现场级的延伸，除了改进以太网的通讯协议之外，还需要解决网络的本安、现场设备的冗余和通过以太网向现场仪表供电等技术问题。本人认为，在保留FCS特色的基础上解决上述问题才能使工业以太网具有生命力。工业以太网的介入为FCS的进展注入了新的活力，随着FCS国际标准的推出以及有关技术问题的突破

13、性进展，一个代表21世纪潮流的工业以太网的现场总线操纵系统时代就会到来。二、PLC与DCS、 FCS比较 PLC是由早期继电器逻辑操纵系统与微机计算机技术相结合而进展起来的，它是以微处理器为主的一种工业操纵仪表，它融计算机技术、操纵技术和通信技术于一体，集顺序操纵、过程操纵和数据处理于一身，可靠性高、功能强大、操纵灵活、操作维护简单。近几年来，可编程序操纵器及组成系统在我国冶金、电厂、轻工石化、矿业、水处理等行业更是到了广泛的应用，并取得了一定的经济效益。由于工业生产过程是一个分散系统。用户往往关怀的不只是一个操纵系统（例如DEH），因为它只是整个生产过程的一部分。他需要了解、操纵整个操纵系统

14、。例如，电厂生产原料是煤、水，而制成品是电。因此生产过程操纵（PCS）的方式最好是分散进行，而监视、操作和最佳化治理应以集中为好。随着工业生产规模不断扩大，操纵治理的要求不断提高，过程参数日益增多，操纵回路越加复杂，在70年代中期产生了集散操纵系统DCS，他一经出现就受到工业操纵界的青睐。DCS是集计算机技术、操纵技术、网络通信技术和图形显示技术于一体的系统。与常规的集中式操纵系统相比有如下特点：1实现了分散操纵。它使得系统操纵危险性分散、可靠性高、投资减小、维护方便。2实现集中监视、操作和治理。使得治理与现场分离，治理更能综合化和系统化，3采纳网络通信技术，这是DCS的关键技术，它使得操纵与

15、治理都具实时性，并解决系统的扩充与升级问题。目前，由于PLC把专用的数据高速公路（HIG HWAY）改成通用的网络，并逐步将PLC之间的通信规约靠拢使得PLC 有条件和其它各种计算机系统和设备实现集成，以组成大型的操纵系统，这使得PLC 系统具备了DCS的形态，如此，基于PLC的DCS系统目前在国内外都得到了广泛的应用。应该讲，PLC就其现状和进展趋势，更接近PCS系统所要求的FCS操纵系统。 只是，由于受传统设计理验的阻碍，完全由PLC系统来构成传统的DCS系统还较难于让国内保守的设计院大量采纳，尽管国外差不多有大量的基于PLC构成的DCS系统正在正常的运行。三、我们采纳什么样的系统？ 我们

16、假如有志于在工业自动化操纵系统中施展才能就必须进展DCS或FCS系统。因为它是以后工控领域的主流进展方向。至于采纳不人的DCS、FCS系统依旧自己开发DCS、FCS系统就要看看究竟我们具备什么样的能力，在下面的看法中我将要详细分析我们的要紧特点和究竟在技术上需求什么！ 假如讲今后选择操纵系统，我认为应该选择代表成熟的集散式操纵系统DCS并具备先进的现场总线操纵系统FCS，它们之间应该相互兼容。（一）采纳现有的DCS系统 这确实是我在摘要中所提及的“维持现状坐观工控产业的日新月异的进展”。这种方式相对来讲无需投入较大的人力、物力开发产品，只须完全选用不人的产品，被动学习新的知识，而自动操纵开发处

17、则充当工程调试队。这种方式就目前情况而言能够维持生存，但纵观实例是不可能有大的进展。（二）采纳不人的硬件和软件系统（OEM）自己构成DCS系统 这种方式我们也曾经尝试过，只是，我们仅仅是降低了部分生产成本。降低产品总成本的主动权不属于我们，而业绩则属于软硬件开发商。（三）与不人合作，共同开发新型DCS系统这种方式我们也曾经尝试过，产品自主权不完全属于我们。技术水平我们先不用评讲。但市场接纳程度还不理想。一但合作方短时刻没有足够的回报率他是不可能再投入人力、物力以完善系统、提高技术水平。因为他不可能在一棵树上吊死，他还必须生存！这也是人之常情。 假如利用不人的成熟产品之品牌组成全方位合作模式，应

18、该讲在世界范围是有成功的例子。关键是应该认真分析、了解什么缘故市场接纳不够？如何样才能满足市场生存要求？（四）完全自己开发DCS系统 这种方法由来已久！假如DCS开发成功，那不言而喻是一件好事！不管在电站自动化或者是其他行业中，工程应用的种种努力差不多上在为自己而作。其产品成本完全掌握在自己手里。获得更大的利润不再是一句空话。只是，我们应该在动手之前，充分了解自己究竟有没有能力开发产品，又有没有能力将其推向市场。这往往是我们考虑得较多的问题，从而导致我们无法下定决心的关键所在。那就先让我们分析一下究竟需要什么技术和人才吧！ 前面讲了DCS系统是集计算机技术、操纵技术、网络通信技术和图形显示技术于一体的系统。那就需要计算机、图形显示技术（软硬件件开发、系统维护），操纵技术（系统工程师、硬件接口），网络通信技术（网络通讯技术及协议标准制定）。1计算机、图形显示技术（软硬件件开发、系统维护）DCS系统的软件技术包括如下方面：用于操纵组态的