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0、引言 </P><P> 在現(xiàn)代測控領域，“開放系統(tǒng)”、“現(xiàn)場總線”這2個詞頻繁出現(xiàn)。在自控界討論的仍然是DCS（distribute control system ），F(xiàn)CS（fieldbus control system）誰將最終成為主流控制系統(tǒng)，這場爭論的實質(zhì)是利益和市場的競爭，一些既得利益者一方面要維護DCS/PLC的市場份額，另一方面又怕趕不上FCS的潮流，因而在自己的DCS/PLC系統(tǒng)中加入自己的現(xiàn)場總線；而另外一些硬、軟件生產(chǎn)商由于沒有歷史包袱，追求的是全新的控制系統(tǒng)模式，包括統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標準及軟、硬件平臺，以引導和占領未來的市場。這些控制系統(tǒng)的區(qū)別有多大，有無共同的特征，未來控制系統(tǒng)的發(fā)展方向是什么，本文試圖在這些方面做一些探討。 </P><P> 1、我國控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展 </P><P> 一個控制系統(tǒng)由I/O設備（傳感器和執(zhí)行器）、控制硬件、控制軟件、人機接口及與信息系統(tǒng)的連接等組成，如圖l所示。設備級現(xiàn)場總線使I/O模件和控制箱得以分開，以太網(wǎng)使得現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)集成到企業(yè)應用中。 </P><P> <BR> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/20038812241398314.jpg" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/20038812241398314.jpg" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A></P><P> <BR> 1.1早期的集中式控制系統(tǒng) <BR> 80年代初期，當微機控制系統(tǒng)用于電站自動化領域時，多使用以單板機組成的微機控制裝置，與上位機系統(tǒng)連接多采用串行通信方式，所有模件集中布置在一個或幾個機柜中。由這些裝置構(gòu)成的系統(tǒng)多為集中式控制系統(tǒng)或分層控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)為我國電站自動化控制系統(tǒng)發(fā)揮了重要作用，其開拓性的實踐是今天控制系統(tǒng)豐富多彩的基礎。但是，這類系統(tǒng)技術上已經(jīng)落后，不符合控制系統(tǒng)分布、開放的發(fā)展趨勢。 </P><P> 1.2DCS控制系統(tǒng) <BR> DCS在我國電力行業(yè)特別是火電廠機組控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。傳統(tǒng)的DCS主要有4層結(jié)構(gòu)：第1層是I/O層；第2層是控制器層；第3層是人機接口層；第4層是企業(yè)信息系統(tǒng)層。這種結(jié)構(gòu)與圖l相近，但除在第3層、第4層之間采用以太網(wǎng)外，其他都是專用網(wǎng)絡，控制設備及軟件也是專用的，開放程度不夠，給系統(tǒng)維護及升級帶來不便。 <BR> DCS在設備配置上還要求網(wǎng)絡、控制器、電源甚至模件等都為冗余結(jié)構(gòu)，支持無擾切換和帶電插拔，由于設計上的高要求，導致DCS成本太高。 </P><P> 1.3PLC可編程邏輯控制器 <BR> 嚴格說來，單獨的PLC因缺少人機接口及信息系統(tǒng)等部分，不是一個控制系統(tǒng)。PLC由于其高可靠性及使用的方便性，占領著很大的市場份額。從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看，傳統(tǒng)的PLC相當于通用化的微機監(jiān)控裝置，由電源模件、CPU模件、I/O模件、槽板及擴展插箱組成，使用廠家提供的梯形圖邏輯語言進行編程。但隨著市場的需要及DCS的挑戰(zhàn)，PLC家族在以下幾方面得到了發(fā)展：①分布式I/O連接能力方面，由于許多高檔PLC支持遠程I/O及現(xiàn)場總線網(wǎng)絡（如DeviceNet，Profibus等），使PLC向下連接更分布；②廠級控制系統(tǒng)連接方面，許多PLC支持高速網(wǎng)絡，如Ethernet ，ControlNet，Profibus等；③軟件的開放性方面，由于許多PLC支持OPC標準（object linking and embedding for process control），使軟、硬件平臺之間的數(shù)據(jù)通信找到了一個實現(xiàn)的標準。這種部分開放加上部分專用所構(gòu)成的系統(tǒng)可能還會延續(xù)一段時間。 <BR> 但是，正是由于PLC是一種通用的控制器，應用到電力系統(tǒng)作為現(xiàn)地控制裝置有其局限性，需做許多硬件和軟件上的改進工作，配置額外的設備和電路。與DCS相比，PLC有成本上的優(yōu)勢，但可靠性、電氣性能卻不如DCS。 </P><P> <br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/20038812245328480.jpg" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/20038812245328480.jpg" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A></P><P> </P><P> <BR> 1.4FCS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) <BR> FCS（fieldbus control system）顧名思義基于現(xiàn)場總線，根據(jù)IEC標準及現(xiàn)場總線基金會的定義：現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡。現(xiàn)場總線系統(tǒng)應具有以下技術特點：①系統(tǒng)的開放性；②互可操作性與可用性；③現(xiàn)場設備的智能化與功能自治性；④系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性；⑤對現(xiàn)場環(huán)境的適應性。 <BR> 由于有以上技術要求，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)將是開放系統(tǒng)的主要支撐力量。由于受集團利益的限制，現(xiàn)場總線網(wǎng)絡本身目前還未形成一個單一的標準。常見的標準有Profibus，CAN，Lonworks，WorldFip及FF（fieldbus foundation）等，人們期待著將于2000年初頒布的最后統(tǒng)一的標準IEC61158，F(xiàn)F與目前的IEC61158-3.4.5.6草案兼容。 <BR> 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)不僅需要控制系統(tǒng)設備制造商的支持，更主要的是要得到分散在現(xiàn)場的傳感器及執(zhí)行設備的支持，以取代DCS的數(shù)字/模擬混合技術，成為全數(shù)字式系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)才會比DCS有很大的技術及成本優(yōu)勢。 <BR> 目前的情形是，我國廣大的中小型生產(chǎn)企業(yè)還沒有DCS，大型企業(yè)使用DCS，使用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)近幾年內(nèi)難以實現(xiàn)。在這種情形下，什么是當前適合中國國情的控制系統(tǒng)呢？筆者認為作為過渡階段可行的方案應是DCS-FCS結(jié)合的控制系統(tǒng)模式。這種模式采用智能I/O模件作為儀表上網(wǎng)的橋梁，同時節(jié)省成本；使用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡適應分布式、開放式的發(fā)展趨勢；使用開放式的控制器硬件及開放式的組態(tài)軟件代替DCS中專用的控制器，保留DCS的冗余技術及組態(tài)技術等優(yōu)點，使用標準的開放性網(wǎng)絡以太網(wǎng)作為廠級網(wǎng)絡，而不是DCS的專用網(wǎng)絡。隨著技術的進步、成本的進一步降低，全開放式的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)必將是未來的趨勢。 </P><P> 2、新一代的控制系統(tǒng)的主要特征 </P><P> 2.1網(wǎng)絡技術 <BR> 網(wǎng)絡中研究最多的是現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)。 <BR> 從1984年現(xiàn)場總線概念的提出到目前最后的標準即將頒布，經(jīng)過了15年的時間。在這期間，共產(chǎn)生了60多個數(shù)字通信網(wǎng)絡標準以連接傳感器、現(xiàn)場設備及控制級網(wǎng)絡，有5000多種支持這些網(wǎng)絡的產(chǎn)品。這一方面說明網(wǎng)絡技術應用的廣泛，另一方面說明迫切需要一個統(tǒng)一的標準。統(tǒng)一的現(xiàn)場總線標準是開放的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)必備的技術條件。 <BR> 以太網(wǎng)在廠站自動化中一般用于連接控制器和操作員站及管理站，這種結(jié)構(gòu)叫做控制中心以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)（control-centric）；以太網(wǎng)另一個發(fā)展趨勢是直接將I/O設備連到以太網(wǎng)或連到與以太網(wǎng)兼容的I/O數(shù)據(jù)集中器上，這種結(jié)構(gòu)叫做設備中心結(jié)構(gòu)（device-centric ）。前一個結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡協(xié)議多為TCP/IP，應用層協(xié)議沒有一個標準，建立在FTP，Telnet，NFS等的服務成為事實上的標準；后一種結(jié)構(gòu)使用的協(xié)議保留了以太網(wǎng)的物理層及鏈路層協(xié)議，在應用層使用現(xiàn)場總線定義的協(xié)議，如FF的HSE（high speed Ethernet protocol ），Control Net，Device Net等。 <BR> 從以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線的交叉發(fā)展趨勢可以看出，兩者將有機地結(jié)合起來。一方面由于受環(huán)境及特種技術的要求限制，現(xiàn)場總線的低端（即I/O端）仍采用低速網(wǎng)（如FF的H1，Device Net或Profibus的PA）將智能儀表等設備連接；另一方面一些兼容的智能設備采用中速網(wǎng)（如FF的H2或Profibus的DP）連接控制器、數(shù)據(jù)集中器、遠程I/O及智能I/O設備；在廠級系統(tǒng)中，采用高速以太網(wǎng)連接各控制器與站級計算機，形成整個控制系統(tǒng)，這就是LAN/fieldbus的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)如圖2所示。 </P><P> 2.2開放性 <BR> 開放性無疑是新一代控制系統(tǒng)的重要特征。開放就是一些標準加上公共發(fā)表的技術，這些標準和技術無需許可證就可以自由獲得，并由許多供應商所支持。開放是數(shù)據(jù)連接能力和硬、軟件可移植性的組合。以太網(wǎng)和OPC是數(shù)據(jù)連接能力的例子，PC是開放的硬、軟件平臺的例子。開放基于標準，標準驅(qū)動開放性。標準有正式標準（如IEC或IEEE）和事實上的標準（de facto）之分。事實上的標準是市場力量的體現(xiàn)。 <BR> 工業(yè)自動化的標準有以下幾個方面：①現(xiàn)場總線標準IEC61158；②可編程邏輯程序語言IEC61131-3；③符合工業(yè)標準的硬件有開放式結(jié)構(gòu)的PC平臺，如ISA，Compact PCL PC104和VXI等；④OPC及微軟的COM，DCOM，DNA在自動化產(chǎn)品中應用非常廣泛，被認為是工業(yè)上的事實標準，另外，還有Sun Connect ，HTTP-HG等。 </P><P> 2.3組態(tài)技術 <BR> 組態(tài)技術主要指控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫生成及控制算法組態(tài)。其中數(shù)據(jù)庫生成組態(tài)與各種硬件設備關系太密切，還沒有統(tǒng)一的標準，就PLC本身來講，這部分一直是空白，也就是說，PLC所能提供的只是寄存器，它需要借助第3方或?qū)Ｓ密浖䦟⑵滢D(zhuǎn)換成有意義的工程參數(shù)，對于DCS，數(shù)據(jù)測點定義就完備多了。同樣地，控制算法組態(tài)方面，傳統(tǒng)的PLC多數(shù)只提供梯形圖邏輯及少量的功能塊，并且與IEC61131-3不兼容，而DCS具有全面的控制算法組態(tài)技術，包括梯形圖、助記符、功能塊及順序流程圖等。第3方軟件支持商支持IEC61131-3并可以加載到部分PLC中。 <BR> 開放式現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)理所當然應具有組態(tài)技術，包括數(shù)據(jù)庫組態(tài)及控制算法組態(tài)，生成的參數(shù)及算法不僅可以在控制器中運行（所謂Soft PLC），還可以在遠程I/O或智能設備上運行，按照現(xiàn)場總線標準定義的功能塊可以在智能儀表及執(zhí)行機構(gòu)中進行運算，以實現(xiàn)真正的分布式控制。 </P><P> 3、影晌控制系統(tǒng)可靠性的幾個因素 </P><P> 3.1嵌入式控制與控制器的可靠性 <BR> 控制系統(tǒng)的可靠性很大一部分依賴于控制器是否可靠。PLC，DCS有其專用的控制器，開放式系統(tǒng)中建議的是標準的硬、軟件平臺。顯然PC機和微軟的Windows是一種選擇。工業(yè)PC機經(jīng)過多年的改進已經(jīng)比較可靠了，但故障還是會發(fā)生，其較差的運行環(huán)境適應能力和旋轉(zhuǎn)機械故障（硬盤故障）給維護帶來了困難。一種解決方案是用嵌入式PC機如PC104結(jié)構(gòu)的硬件平臺，這種平臺有較寬的運行環(huán)境，沒有硬盤，而且具有豐富的模件資源，支持以太網(wǎng)及現(xiàn)場總線網(wǎng)絡接口。從操作系統(tǒng)角度看，帶有實時擴展（RTX）的NT（如Ventur Com公司提供的RTX NT）是在標準PC平臺上用于實時控制的較佳選擇；但嵌入式控制中資源有限，即使是嵌入式NT也很難適應。Windows CE不失為一個嵌人式應用較好的選擇，特別是其3.0版本的推出，在確定性、實時性、優(yōu)先級擴展能力及中斷服務延時、進程切換時間上有了顯著的提高，過程處理循環(huán)時間降到毫秒級。事實上一些公司己生產(chǎn)出采用Win CE的控制裝置，如Win PLC，GE公司的CNC，Xycorn自動化公司的ASIC-3000等。 <BR> Win CE并不是唯一的選擇，許多實時操作系統(tǒng)非常成熟，已在通信、Internet及電力等行業(yè)發(fā)揮了巨大作用，如pSOS，QNX，VRTX等，這些操作系統(tǒng)的共同特征是內(nèi)核非常小，支持BSP開發(fā)（板級支持包）及強大的網(wǎng)絡支撐功能，缺點是第3方的支持軟件不豐富。 <BR> 采用嵌入式控制是提高控制器可靠性的重要保證。 </P><P> 3.2網(wǎng)絡的可靠性 <BR> 現(xiàn)場總線從一開始就是為連接現(xiàn)場控制設備而設計的，充分考慮了其對各種運行環(huán)境的適應能力及實時控制中對確定性的要求，只要符合其制定的規(guī)范（如通信速度、通信距離、物理鏈接等），現(xiàn)場總線應該是可靠的。 <BR> 以太網(wǎng)成為工業(yè)網(wǎng)絡也可靠嗎？回答是肯定的。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)使用總線將各個節(jié)點連在一起，允許同時將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)上，這樣就發(fā)生了沖撞，必須采用重發(fā)機制以達到相對高的成功率。這種機制導致非確定性（non-deterministic），而控制系統(tǒng)需要確定性。以太網(wǎng)技術的發(fā)展增強了其通信的確定性，首先，在網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)上，采用星形連接及交換式Hub ，交換式Hub提供數(shù)據(jù)緩沖及具有確定接收數(shù)據(jù)的網(wǎng)段智能，使數(shù)據(jù)沖撞及重發(fā)機會最小化；其次，快速以太網(wǎng)（100Mbit/s，1 Gbit/s）的發(fā)展及網(wǎng)絡冗余技術使以太網(wǎng)更適應于實時應用；另外，改進的通信協(xié)議克服了TCP/IP協(xié)議中的緩沖器滿再發(fā)送及沖撞控制中的允許“丟”包等缺點。 </P><P> 3.3電磁兼容性與硬件設備可靠性 <BR> 控制系統(tǒng)要適應惡劣的運行環(huán)境，必須滿足一系列電磁兼容性國際標準，IEC61000-4標準或我國等同采用的GB/T17626標準定義了應達到的電氣技術指標，這些標準包括：①浪涌：IEC61000-4-5（GB/T17626.5）；②振蕩波抗擾度：IEC61000-4-12（GB/T 17626.12）；③靜電放電抗擾度：IEC61000-4-2（GB/T 17626.2）④電快速瞬變脈沖群抗擾度：IEC61000-4-4（GB/T17626.4）；⑤射頻場感應的傳導騷擾抗擾度：IEC61000-4-6（GB/T17626.6）；⑥射頻電磁場輻射抗擾度：IEC61000-4-3〈GB/T17626.3）。 <BR> 以上指標中定義了在不同控制電壓等級下及運行環(huán)境下應達到的技術標準，滿足這些標準將為控制系統(tǒng)的可靠性提供有力的保證。 </P><P> 4、結(jié)語 </P><P> 我們處在一個主流系統(tǒng)與非主流系統(tǒng)各行其道、共享市場的時代，中國進入WTO后，大量的外國公司產(chǎn)品及技術將瓜分中國的測控市場，包括電力系統(tǒng)自動化領域，競爭最激烈的應該是廠站自動化領域，特別是水電廠、火電廠控制系統(tǒng)。一方面大大小小的PLC幾乎占領著整個水電廠監(jiān)控領域，另一方面國外DCS牢牢占據(jù)著大中型火電廠控制系統(tǒng)。我們迫切需要有自己的控制系統(tǒng)，以及適合國情的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件資源及軟件工具。這不僅需要科研人員的不懈努力，還需要市場的培育及支持。有理由相信，有中國特色的先進控制系統(tǒng)將在競爭激烈的自動控制領域占有一席之地。 </P><P> 摘自《電力系統(tǒng)自動化》半月刊2000年13 <BR>
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