工业控制系统

工业控制系统随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，传统的控制领域正经历着一 场前所未有的变革，开始向网络化方向发展。控制系统的结构从最初的CCS (计 算机集中控制系统)，到第二代的DCS (分散控制系统)，发展到现在流行的 FCS (现场总线控制系统)1。对诸如图像、语音信号等大数据量、高速率传输 的要求，又催生了当前在商业领域风靡的以太网与控制网络的结合。这股工业控 制系统网络化浪潮又将诸如嵌入式技术、多标准工业控制网络互联、无线技术等 多种 当今流行技术融合进来，从而拓展了工业控制领域的发展空间，带来新的 发展机遇。 1 计算机控制系统的发展计算机及网络技术与控制系统的发展有着紧密的联系。最早在50年代中后 期，计算机就已经被应用 到控制系统中。 60 年代初，出现了由计算机完全替代 模拟控制的控制系统，被称为直接数字控制(DirectDigitalControl,DDC)。70 年代中期，随着微处理器的出现，计算机控制系统进入一个新的快速发展的时期， 1975 年世界上第一套以微处理为基础的分散式计算机控制系统问世，它以多台 微处理器共同分散控制，并通过数据通信网络实现集中管理，被称为集散控制系 统(DistributedControlSystem,DCS)。进入80年代以后，人们利用微处理器和一些外围电路构成了数字式仪表以 取代模拟仪表，这种DDC的控制方式提高了系统的控制精度和控制的灵活性，而 且在多回路的巡回采样及控制中具有传统模拟仪表无法比拟的性能价格比。80 年代中后期，随着工业系统的日益复杂，控制回路的进一步增多，单一 的 DDC 控制系统已经不能满足现场的生产控制要求和生产工作的管理要求，同时 中小型计算机和微机的性能价格比有了很大提高。于是，由中小型计算机和微机 共同作用的分层控制系统得到大量应用。进入90年代以后，由于计算机网络技术的迅猛发展，使得DCS系统得到进 一步发展，提高了系统的可靠性和可维护性，在今天的工业控制领域DCS仍然占 据着主导地位，但是DCS不具备开放性，布线复杂，费用较高，不同厂家产品的 集成存在很大困难。从八十年代后期开始，由于大规模集成电路的发展，许多传感器、执行机构、 驱动装置等现场设备智 能化，人们便开始寻求用一根通信电缆将具有统一的通 信协议通信接口的现场设备连接起来，在设备层传递的不再是I/O (4 20mA/24VDC)信号，而 是数字信号，这就是现场总线。由于它解决了网络控制 系统的自身可靠性和开放性问题，现场总线技术逐渐成为了计算机控制系统的发 展趋势。从那时起，一些发达 的工业国家和跨国工业公司都纷纷推出自己的现 场总线标准和相关产品，形成了群雄逐鹿之势。2信息网络与控制系统的关系从发展历程看，信息网络体系结构的发展与控制系统结构的发展有相似之处。 企业信息网络的发展大体经历了如下几个发展阶段： 基于主机的集中模式 由功能强大的主机完成几乎所有的计算和处理任务，用户和主机的交互很少。 基于工作组的分层结构微机和局域网技术的发展使工作性质相近的人员组成群体，共享某些公共资 源，用户之间的交流和协作得到了加强。 基于 Internet/Intranet/Extranet 的网络化企业组织计算机网络技术的发展使它成为现代信息技术的主流，特别是Internet的 发展和普及应用使 它成为公认的未来全球信息基础设施的雏形。采用 Internet 成熟的技术和标准，人们提出了 Intranet 和 Extranet 的概念，分别用于企业内 部网和企业外联网的实现，于是便形成了以 Intranet 为中心，以 Extranet 为补 充，依托于 Internet 的新一代企业信息基础设施（企业 网）。计算机控制系统也是经历了集中控制、分层控制、基于现场总线的网络控制 等几个发展阶段，它们的发展过程是非常相似的。随着企业信息网络的深入应用与日臻完善，现场控制信息进入信息网络实现 实时监控是必然的趋势。 为提高企业的社会效益和经济效益，许多企业都在尽 力建立全方位的管理信息系统，它必须包括生产现场的实时数据信息，以确保实 时掌握生产过程的运行状态，使 企业管理决策科学化，达到生产、经营、管理 的最优化状态。信息一控制一体化将为实现企业综合自动化 CIPA（compu terin tegra tedplan taut oma tion）和企业信息化创造有利条件。企业信息网络与控制系统在体系结构发展过程上的相似性不是偶然的。在计 算机控制系统的发展过程 中，每一种结构的控制系统的出现总是滞后于相应计 算机技术的发展。实际上，大多数情况下，正是在计算机领域一种新技术出现以 后，人们才开始研究如何将这种 新技术应用于控制领域。鉴于两种应用环境的 差异，其中的技术细节作了适当修改和补充，但关键技术的原理及实现上，它们 有许多共同的地方。正是由于二者在发 展过程中的这种关系，使得实现信息一 控制一体化成为可能。3现场总线技术的研究现状在40年代，过程控制是基于315PSI的气动标准信号。其后，由于420mA 模拟信号的 使用，使得模拟控制器得到了广泛应用，但是并不是所有的传感仪 表和驱动装置都使用统一的420mA信号。70年代，由于在检测、模拟控制和 逻辑控制领域 率先使用了计算机，从而产生了集中控制。进入80年代，由于微 处理器的出现，促使工业仪表进入了数字化和智能化的时代，420mA模拟信号 传输逐步被数 字化通信代替，加之分布式控制以及网络技术的迅速发展，促进 了控制、调度、优化、决策等功能一体化的发展。然而由于检测、变送、执行等 机构大都采用模拟信 号连接，其传送方式是一对一结构，这使得接线复杂，工 程费用高，维护困难，而信号传输精度底，易受干扰，仪表互换性差，这都阻碍 了上层系统的功能发挥。另 一方面，由于智能仪表的功能远远超过了现场模拟 仪表，如对量程和零点进行远方设定，仪表工作状态实现自诊断，能进行多参数 测量和对环境影响的补偿等。由此 可见，智能仪表和控制系统的发展，都要求 上层系统和现场仪表实现数字通信。为了克服DCS系统的技术瓶颈，进一步满足现场的需要，现场总线技术应运 而生,它实际上是连接 现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多 节点通信网络，也被称为现场底层设备控制网络（INFRANET）。和Internet、 Intranet等类型的信息网络不同,控制网络直接面向生产过程，因此要求很高的 实时性、可靠性、资料完整性和可用性。为满足这些特性，现场总线对标准 的网 络协议作了简化，省略了一些中间层，只包括ISO/OSI7层模型中的3层:物理层、 数据链路层和应用层。现场总线在发展的最初，各个公司都提出自己的现场总线协议。IEC组织于 1999年12月31 日投票，确定了8大总线作为国际现场总线标准，其中包括CANBus、ProfitBus、InterBus-S、ModBus、FOUNDA- TIONFieldbus 等等。而在 此基础上形成了新的现场总线控制系统（FieldbusControlSystemFCS）。它综合 了数字通信技术、 计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技 术手段,从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字模拟信号 控制的局限性,构成一种 全分散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、多接 点的通信与控制系统。相应的控制网络结构也发生了较大的变化。FCS的典型结 构分为 3 层：设备层、控制 层和信息层。虽然现场总线技术发展非常迅速,但也存在许多问题,制约其应用范围的进 一步扩大。（1）首先是现场总线的选择。虽然目前IEC组织已达成了国际总线标准， 但总线种类仍然过多, 而每种现场总线都有自己最合适的应用领域,如何在实际 中根据应用对象，将不同层次的现场总线组合使用，使系统的各部分都选择最合 适的现场总线，对用户来 说，仍然是比较棘手的问题。（2）系统的集成问题。由于实际应用中一个系统很可能采用多种形式的现 场总线，因此如何把工业 控制网络与数据网络进行无缝的集成，从而使整个系统 实现管控一体化，是关键环节。现场总线系统在设计网络布局时，不仅要考虑各现 场节点的距离，还要考虑现 场节点之间的功能关系、信息在网络上的流动情况等 由于智能化现场仪表的功能很强，因此许多仪表会有同样的功能块，组态时选哪 个功能块是要仔细考虑的;要 使网络上的信息流动最小化。同时通信参数的组态 也很重要， 要在系统的实时性与网络效率之间做好平衡。（ 3）存在技术瓶颈问题2。主要表现在：a. 当总线电缆截断时，整个系统有可能瘫痪。用户希望这时系统的效能可以降低，但不能崩溃，这一点目前许多现场总线 不能保证。b. 本安防爆理论的制约。现有的防爆规定限制总线的长度和总线上负载的数 量。这就是限制了现场总线节省线缆优点的发挥。目前各国都在对现场总线本质 安全概念（FISCO）理论加强研究，争取有所突破。C. 系统组态参数过分复杂。现场总线的组态参数很多， 不容易掌握， 但组态参数设定得好坏， 对系统性能影响很大。4 以太控制网络控制网络的发展，其基本趋势是逐渐趋向于开放性、透明的通讯协议。上述 出现的问题，根本原因在 于现场总线的开放性是有条件的、不彻底的。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，所以在商业 系统中被广泛采用。近些年来，随着网络技术的发 展，以太网进入了控制领域，形成了新型的以太网控制网络技术。这主要是由于工 业自动化系统向分布化、智能化 控制方面发展，开放的、透明的通讯协议是必然 的要求。目前的现场总线由于种类繁多，互不兼容，尚不能满足这一要求。而以太 网的 TCP/IP 协议的开放性使 得在工控领域通讯这一关键环节具有无可比拟的 优势。5 目前存在的问题通常我们考虑将控制系统网络化，主要将网络化与现场总线联系在一起。目 前在控制领域较有影响的 现场总线系统有:FF、LonWorks、Profibus、CAN、HART, 以及RS485的总线网络等。现场总线基金会己经制定的统一标准（FF），其 慢速总线标准Hl已得到通过成为国际标准，其高速总线标准H2还在制订中。但 是由于商业利润、技术垄断等原因，目前现场总线产品仍然是百花 齐放的局面， 这对降低系统成本，扩大应用范围产生不利影响。以太网已经得到广泛应用，目前主流产品的速度己经达到100Mbps,千兆以 太网也己经投入使用，其网络产品和软件发展速度很快。以太网以成本低、组网 方便、软硬件丰富、可靠性高等特点得到了广泛的认可。Internet飞速发展的主要原因在于以太网和TCP/IP协议的广泛应用， TCP/IP协议是极其灵活的，几乎所有的网络底层技术都可用于传输TCP/IP的通 信。应用TCP/IP的以太网已经成为最流行的分组交换局域网技术，同时也是最 具开放性的网络技术。由此，我们考虑将Internet及其相关技术集成到现有控制系统中，利用 Internet 上开放的、并且己经成熟的技术对现有的控制系统进行升级改造，加 快工业企业的信息一控制一体化进程，不失为一种较为可行的问题解决方案。6 总结 从目前趋势来看,工业以太网进入现场控制级毋庸置疑。但至少现在看来, 它还难以完全取代现场总线,作为实时控制通信的单一标准。已有的现场总线仍 将继续存在,最有可能的是发展一种混合式控制系统。