计算机控制系统发展动向的思索

1、、尸 、-前言20 世纪后半叶，由于计算机、通信、控制、仪表、软件等技术的飞速发展，不仅产 生了多种多样的自控产品，也丰富了人们进行自控设计的思路与方案。在工业生产过程中，1969年问世的PLC和1975年问世的DC列能是两类影响最为深 远的计算机控制系统。PLC的问世取代了继电器之类的器件，实现了开关量的联锁控制、 程序控制；DCS勺问世取代了显示仪、调节器之类的仪表，实现了模拟量的指示、记录和PID回路调节等功能。随着计算机、通信、网络技术的发展，PLC DCS互相融合，互相渗透，取长补短。PLC吸取了 DCS在回路控制功能、CRT显示功能、网络功能等方面的长 处，DCS吸取了 PLC在联

2、锁控制功能、程序控制功能、梯形图及功能块图编程功能等方面 的长处，两者之间的差别越来越小，分界线也越来越模糊了。另外，随着其他计算机控 制系统的不断出现，控制系统的产品早已呈现出多元化的发展格局，而针对某一具体用 户来说，DCS+PL(的控制方案不再受青睐，控制系统设备一体化的呼声越来越高。 近年来, 控制系统的发展还出现这样一些趋势：向国产 DCS系统转移，向PLC转移，向现场总线 控制系统FCS转移，而以PC为基础的控制系统(PC-Based Control System, PCBCS)也呈 现良好的发展态势。本文将针对以上的动向谈谈作者的想法。? 控制系统类型的多元化20世纪70年代中期

3、，DCS刚刚问世一两年就开始进入中国，作为一种全新的控制模式和方便实用的CRT显示手段，很快为中国用户所接受，而在国外出现更早的PLC却迟至 80 年代初才为中国技术人员所知晓。不久因单回路可编程序控制器的普及，又出现了 PC单回路可编程序控制器组合的计算机控制系统，由于此方案的数据采集、控制功能均 由单回路可编程序控制器完成，集中管理在 PC机上实现，系统组成灵活、规模可变、危 险分散、费用不高，所以当时就有学者指出这是最符合中国国情的一种控制系统选型方 案。在中国市场上影响最大的日本山武公司的 KMMSDC-40B日本横河公司的SLPCYS17Q 美国福克斯波罗公司的 MICRO76、0

4、761、 762，美国霍尼韦尔公司的 UDC600、0 6300及国 产DTZB-2310A等均可以这种方式构成计算机控制系统。进入 90年代，单回路可编程序控制器向多回路及可附加 I/O 方向发展，一台盘装仪 表形式的可编程序控制器可以完成双回路、 4回路、8回路甚至24个回路的PID控制， I/O 点总数可达数十点乃至上百点，非常适合小型装置使用。一些生产大型DCS的厂商也开始推出中型化、小型化、微型化的DCS例如美国霍尼 韦尔公司就先后推出 MICRO TDC-3000 S9000 SCAN3000 UMC800等控制系统，系统经 济规模从数千点可减少到数十点。北京和利时公司在推出 HS

5、2000系统之后，也曾推出过 100点以下规模的mCS微型控制系统和稍大规模的FOCS系统。甚至连记录仪、数字显示仪类的产品也扩展了功能，厂家在为其配备通信接口后，也可以将它们作为数据采集器和后备仪表与PC构成简易型计算机控制系统（因某些记录仪、数字显示仪也带控制功能）。当系统工作正常时，可由PC机进行集中管理，一旦PC 机出现故障，记录仪或数字显示仪可作为备用仪表显示工艺参数。某些公司生产的记录 仪不仅自身可与PC机组成控制系统，还可以与该公司生产的可编程序控制器等设备共同 组成控制系统，此时记录仪以其点数多 （如 6、12、24、32、64 点） 的优点弥补可编程序 控制器 I/O 点数较

6、少、单个 I/O 点采集成本高的缺陷，如泸州天然气化工厂 240kt/y 尿 素工程监控系统就是由日本山武公司 SDC30/31/40B可编程序控制器、美国霍尼韦尔公司 DPF系列多点记录仪及PC机组成。一些生产计算机的厂家不甘落后，近年来也推出一些 I/O 接口产品与其生产的计算 机配套，其中比较有影响的是研华公司的 ADAh模块、研发公司的DAC莫块，这也是一类 低成本的计算机控制系统。另外，还有近年来飞速发展的现场总线控制系统FCS以及以PC为基础的控制系统PCBCS摆在控制系统选型者和用户面前的方案令人眼花缭乱，甚至不知所措，这种多元化 的市场格局虽然会使用户选型增加很多工作量，但较之

7、一两个方案有充分的挑选余地。?二? 控制设备的一体化?按我国的体制，工程设计、施工安装、现场维护通常都是分成自控仪表、电气两个 专业，模拟量控制选DCS开关量控制选PLC几乎是80年代及90年代初期工业过程控制的通用模式。这种方案采用两套控制设备，构成两个控制中心，带来投资、操作、生产 管理上的大量问题，即使稍后采用接口让 DCS PLC互相通信，上述问题并未得到根本解 决。所以不少用户迫切希望工艺过程的所有控制要求应该由一个控制系统来完成，至于 工艺过程是属于连续过程、间断过程还是批量过程，是以模拟量为主还是以开关量为主， 那只是控制系统选型应该考虑的问题，其关键是控制设备应一体化。冶金行业

8、较早提出EIC（电气、仪表、计算机）一体化，建材行业也如此，电力行业更 希望用一套控制设备完成以下多类控制功能：DAS数据采集系统）、CCS协调控制系统）、SCS顺序控制系统）、FSSS炉膛安全监控系统）、ECS电气控制系统）、DEH汽轮机数字 电液控制系统）、MEH給水泵数字电液控制系统）、ETS（汽机联锁系统），这些都说明很多 行业都在提倡控制设备一体化。控制系统的生产厂家早就看到了这一点，他们也不断地改进自己的产品，如霍尼韦尔公司的TDC-3000 DCS原来对大量的开关量控制采用 IPC620-35 PLC，它通过PLC接口接入系统，这属于 DCS+PL方式。后来该公司将IPC620-

9、35与PLC接口 LMM逻辑管理 器组件）组合成LM（逻辑管理器），作为大量开关量的控制设备，而大量的模拟量控制则先 后采用PM过程管理器）、APM高级过程管理器）、HPM高性能过程管理器）来完成，这些 设备通过UCN通用控制网络）接入LCN局部控制网络），进入管理网络。这样的变化对用 户来说感觉就不一样了，会认为它是一个一体化的、具有强大开关量控制功能的 DCS所 以LM的销售量远高于IPC620-35。再如西门子公司，PLC是其强项，S5 S7系列PLC产品早已风靡全球。该公司在1996 年推出的PCS7号称是过程控制系统，但其硬件部分仍是原有PLC系统的部件，如自动 化控制系统（即现场控

10、制站）的中央处理器采用的是S7-414以上的CPU其分布式I/O仍 沿用S7 PLC中使用的ET200远程I/O，只是控制软件选用了带更多模拟量控制功能的 WinCC所以其模拟量处理功能、控制功能及网络功能大大增强，也更容易满足工艺过程 控制系统一体化的需求。制造厂家在扩展功能方面的努力， 为用户实现工艺过程控制系统一体化创造了条件。 中小型生产过程控制系统一体化较早得到顺利实施，大型生产过程控制系统一体化的进 展也很快。以炼铁高炉为例，近年来国内大型高炉所采用自动化系统的实例有关资料中 共列举了 19套，在1994年以前投运的有8套，其中DCS+PL占大多数，一体化的控制 系统仅占 25%；

11、1994年及以后投运的有 11 套，一体化的控制系统则占 73%。?三？向国产DCS转移?国产DCS虽然诞生于20世纪80年代，但取得实质性进展则是在 90年代中期，目前令中国仪器仪表行业引以为豪的浙江浙大中控公司、北京和利时公司、上海新华控制工 程公司均从这一时期起步，目前都达到 23 亿元的年产值和每年数十至上百套系统的业 绩。在与国外DCST家的竞争中，目前还不好说国产 DCS全面占有优势，但至少在一部 分行业、在中小型企业能打成平手甚至略占优势。国产DCS从中小型企业开始，从辅助工序开始，现已逐步进入大型、特大型企业，进入主体工序。以电力系统为例，国产 DCS生产厂从中小机组开始，在

12、50、100、125、200MW机组上积累了丰富的经验，目前已在300MW机组上采用了 25套（每一套的I/O总点数约5000,是一个非常大的系统）DCS新华公司总承包了安徽平圩电厂 2X 600MW机组、天津大唐盘山发电公司 2X 600MW机组的 部分控制系统。核电站是公认的控制要求最为严格的行业,而和利时公司已先后有 7 套 DCS应用于核电站。2001年7月，和利时公司为秦山核电站二期工程 2X 600MW压水堆电 站提供的成套设备仪表及控制系统 （物理量点数超过 10000）已通过由信息产业部科技司 组织的技术鉴定。由于三大国产DCS公司不凡的业绩，作者认为这些公司的产品已从成长期进

13、入成熟 期。几年来，我院在几个工程项目中选用了浙大中控公司、和利时公司的多套系统，这 些系统在投运后均工作正常，尚未发现因硬件、软件原因造成系统不能正常使用的问题， 用户对系统也比较满意。遗憾的是国内PLC行业非常萧条，一直未有能与国外 PLC相抗衡的产品问世。北京 和利时公司在其产品FOCS系统中除有FODCS卜，还有一款FOPLC意欲在PLC产品领域 与国外产品竞争。和利时公司的FOCS系统采用的是一种新的产品开发思路，用德国VIPA 公司的I/O模块OEM FOCS SOFT HM人机界面软件构成中小规模的 PLC类产品。?四？向PLC控制系统转移?早期的DCS PLC各自为政，两者相安

14、无事，而进入互相融合时期，其竞争非常激烈。PLC以其产品应用广泛、产量大、价格稍低的优势逐渐挤占了DCS原有的市场。如在90 年代初期，美国德州仪器公司的 PLC产品PM550 TI650不仅在冶金工厂需要开关量控制的工序中大量得到使用，而且也进入了化工行业，如新疆化肥厂、湖南资氮集团；日本 欧姆龙公司的PLC在长山化肥厂、南化氮肥厂、三明化工厂、浩良河化肥厂也有成功应 用。据介绍，在国内水泥行业控制系统20余年的应用中，DCS PLC大体上各占半壁江山， 其中80年代中后期及90年代初期以传统的DCS应用较多，而在此之后，是以PLC型 DCS即卩 PLC+微机组成的DCS系统）的应用较多，世

15、界着名的水泥公司设计或建设的大型水泥厂的 控制系统也是以PLC型DCS为多。近年来，水泥工厂以及一些水厂、污水处理厂的招标 书上往往注明DCS但实际来投标的多是 PLC厂商或系统集成商，中标的系统也往往是 PLC型 DCS1993年，全球PLC+DCS勺销售额是亿美元，其中 PLC占% 2000年，全球PLC+DCS 的销售额是117亿美元，比1993年增长了 %其中PLC占%市场份额上升了 %比1993 年PLC的销售额增长了 % DCS市场份额从减少到%销售额仅增长了 还有一个现象也说明PLC的影响越来越大，为PLC制定的国际标准IEC 61131,不仅 在PLC产品中全面得到推广，而且众

16、多 DCS产品也竞相采用，比如组态方式采用 IEC 61131-3 中规定的 5 种语言：梯形图、顺序功能图、 功能块图、 指令表和结构化文本语言。五? 向现场总线控制系统转移现场总线具有以下特点：开放性、可互操作性与可互换性、全数字化、双向通信、 智能化现场仪表，而以现场总线为基础的开放式、全数字化的控制系统称为现场总线控 制系统。在国家经贸委行业规划司的“仪器仪表行业十五规划”中，工业自动化仪表技 术结构调整目标的第一项为“开发基于现场总线技术的智能化现场仪表新产品，并逐渐 成为主流产品”，在关键技术中列出了“现场总线控制系统技术”，在重点支持建设科 研和开发中心内容中第一项为“建立现场总

17、线仪表及控制系统研究开发中心”，在重点 科技攻关和产业化项目的建议中第一项也是“新型现场总线控制系统智能仪表”和“现 场总线控制系统”，由此可见国家对现场总线及现场总线控制系统的重视。国内已有众多厂家推出现场总线仪表及现场总线控制系统，如冶金自动化院早在 90年代中期就推出Smar公司的现场总线控制系统，国内DCS生产厂近年来也大力推出带现 场总线的控制系统，如北京和利时公司的可连接Profibus现场总线的FOCS系统，浙大中控公司的 Web Field ECS-100 现场总线控制系统等。当现场总线控制系统的概念刚刚推出时，控制功能分散、现场仪表信息量增加、节 省电缆、减少安装工作量等优点

18、使用户非常容易接受，经过几年来的舆论宣传，现场总 线控制系统可以说已经深入人心，人们追求新潮的心理再加上实实在在的好处，使控制 系统从常规的DCS PLC向现场总线控制系统转移是顺理成章的事了。以笔者所在的云南 地区为例，采用现场总线的控制系统已有 10多个，应用的现场总线类型有 Profibus 、FF、 Interbus 。就现场总线和现场总线控制系统的推广来说， 中国的步伐是比较快的。 据 2001年6月在青岛召开的中国FF用户组织会议上FF专家介绍：FF已在世界上56个国家1800 个系统中使用了 4万多台设备，其中中国约有 100 个系统、4000多台设备 （包括演示系统 和设备）

19、，这个应用规模在世界上排第 4 位。?六? PCBCS勺发展前景?近年来，有不少学者将PLC DCS PCBCS或者再加上FCS并称为当今工业生产过程三大（或四大）控制系统。甚至有人在两年以前勺文章中就谈到“多数人认为在今后10年内PC控制将逐步取代传统的PLC或 DCS。市场要求自动化系统制造商提供开放的平台，但是只有PC机才能提供一个真正的、完全开放的平台，系统所有的功能集成于PC这个统一开放的平台上，可以减少安装空间、 节省电缆，将复杂的通信连接简单化，还可通过 Internet 或 Intranet 得到重要的生产 信息，实现生产过程优化。什么是PCBC呢？它是指将经过加固的PC机硬件

20、与控制软件相结合，实施通常由专 用PLC执行的控制功能，或者说将PLC的控制功能“封装在”软件内，运行在 PC的环境 中。PCBC淇有非常好的开放性，下层对I/O系统是开放的，可以支持多种I/O硬件，包 括很多PLC的远程I/O及I/O分站，上层对多种管理及通信软件是开放的。PC控制的优点可以概括为：价格较低；对各种控制及业务应用、信息的存取均很简 便；软件向新的硬件平台的可移植性优良；控制、人机界面及编程功能易于集成；易于 将过程控制、逻辑控制、批量控制以及运动控制等合为一体；不依赖于各种专有的控制 系统。德国学者埃贝哈德格罗茨博士认为，基于PC的自动化控制解决方案的7种趋势是： 在自动化控制技术中越来越多地使用 pc pc专用软件越来越多，人们可以在 pc机上编 程和操作，如同在可编程序控制器上一样；可以在 PC机上完成实时控制任务的系统软件 的应用越来越广泛；传统的PC编程通过使用新的编程技术，极大地推进了生产的进步， 使得基于PC的自动化控制技术得到飞跃发展；基于PC的自动化标准越来越多；In ternet 技术在自动化控制技术中越来越重要；分布式系统将改变自动化控制方式。各大PLC制造厂商，如西门子、Rockwell Automation、GE Fanuc三菱电机，均推 出自己品牌的PC控制和软逻辑系统产品，其特点是 CPU及其软件改用