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FCS和DCS以及PLC的發展探討

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瀏覽 次【字號 】 發布時間:2012-7-18 打印本頁

摘 要:
  本文闡述了現場總線系統、集散控制系統和可編程控制器的特點,對它們的發展提出了一些片法和觀點。
關鍵字:現場總線 FCS DCS PLC 

  1、前言

  目前,在工業過程控利領域出現了一種新興的控制技術,即現場總線(FieldbLls),它是在生產現場微機化測控設備之間實現雙向串行多節點數字通信系統,也既為開放式,數字化,多點通信的底層控制網絡。現場總線技術順應了“智能化,數寧化,信息化,網絡化,分散化”的當今自控技術發展的主流,是當今自動控制技術發展的熱點,代表了工業控制領域今后的一種發展方向,使傳統的控制系統無論在結構上還是在性能上出現巨大的飛躍,形成廠新型的網絡集成式全分布控制系統現場總線控制系統FCS(Fieldbus Control System),對傳統的集散控制系統Dcs(Distribution Control System)造成了沖擊。現場總線正逐步在過程自動化,制造自動化,智能樓宇,交通等各行業得到推廣應用。

2、現場總線  

   2.1 Fieldbus產生背景

  現場總線技術起源于用戶現場控制信息傳遞、維護管理等方面的要求,是20世紀80年代發展起來的。  60年代-70年代,處于企業生產過程底層的傳統測控自動化系統,采用兩線制電壓電流模擬信號進行測量控制,70年代中期,形成集散控制系統DCS,采用三層結構模式,存在線路多,維護管理麻煩,且各開發商的DCS遵循各自的標準,不能互聯,以及難于實現設備之間和系統與外界之間的信息交換等,嚴重制約了系統本身的發展。隨著計算機網絡及通信技術的迅速發展,現場有越來越多的信息需要往上傳,通信技術越來越往下延伸到現場,信息溝通聯絡的范圍不斷擴人。為實現企業的信息集成,實施綜合自動化,使模擬儀表向智能化儀表發展、工業控制分立設備向共享設備發展、計算機網絡從TOP、MAP向現場級網絡發展,最終用戶需要一種適應工業現場環境運行、可靠性高、實時性強、造價低廉、結構簡單、維護方便的控制系統,以形成工廠的底層網絡,完成現場自動化設備之間的多點數字通信、以及自動化系統與外界的信息交換。現場總線就是/在這種實際需求的驅動下產生的。它是以自動控制、自動化儀表、計算機、通信、微電子為主要內容的一門綜合技術,是不今技術發展的結果。
  現場總線把專用微處理器植入傳統的測量控制儀表,使它們各自都具有丁獨立承擔某些控制、數字計算和數字通信能力。提高丁信號的測量、控制、傳輸精度和速度,同時豐富信息的內容。現場總線可采用多種傳輸介質,如用普通電纜、雙絞線、光纖、紅外線、甚至電力傳輸線等,把多個測量控制儀表、計算機等作為節點連接成的網絡系統,在現場總線的環境下,借助現場總線網段以及與之有通信連接的其它網段,實現數據傳輸與信息共享,實現異地遠程控制。現場總線設備與傳統自控設備相比,拓寬了信息內容,提供傳統儀表所不能提供的如閥門開關動作次數、故障診斷等信息,便于操作管理人員更好、更深入地了解生產現場和自控設備的運行狀態。

  2.2 Fieldbus技術特點

  2.2.1開放性、互操作性和互換性
  遵循公開統一的技術標準,可實現設備互操作性和互換性。也就是說,用戶可以把遵守相同標準的不同廠家、不向品牌、功能相同的產品集成在同一個系統內,構成FCS,并可在同功能的產品之間進行相互替換,使用戶具有了自控設備選擇、集成的主動權。
  2.2.2數字化通信
  現場設備具有數字通信功能。利用數字信號代替模擬信號,其傳輸抗干擾性強,測量精度高,大大提高了系統性能。
  2.2.3智能化與功能自治性
  智能化的現場設備可以實現多種先進的功能,如簡單控制功能、檢測、變換、診斷和運算等,可現場就地及時處理信息,不使信息過多地往返于網絡上傳遞,提高傳輸速度和減小控制響應時間。
  2.2.4高度分散性
  現場設備智能化,實現徹底的分散控制,位控制系統功能不依賴控制室的計算機或控制儀表,而在現場完成,簡化了系統結構,提高了可靠性。
  2.2.5適應性
  指對現場環境的適應性,含電磁環境,氣候環境,機械環境。大部分現場總線結構是線狀的,且采用兩線制實現供電和通信,易解決網絡供電、本安防爆等問題,具有較強抗干擾能力。

3、DCS

  3.1 DCS的產生
  70年代工業的發展使生產過程日益復雜,規模更加擴大,在生產中采用原來的集中控制系統,可靠性差,出現事故時會中斷生產,為提高可靠性,滿足生產過程控制要求,70年代初,美國日本利歐洲等國開始研制集散型控制系統(DCS)。 DCS是計算機、通信、CRT和控制技術的結合。
  3.2 DcS的技術特點
  系統的—些主要特點為:(1)控制功能強。可實現復雜的控制規律,如串級、前饋、解耦、自適應、最優和非線性控制等,也可實現順序控制。(2)系統可靠性高。(3)采用CRT操作站有良好的人機交互接口。(4)軟硬件采用模塊化積木式結構。(5)系統容易開發。(6)用組態軟件,編程簡單,操作方便。(7)具有良好的性價比。DCS是以微處理器為核心,實現地理上和功能上相對分散的控制系統,通過數據通道把各個分散點的信息集中起來,進行集中的監視和操作,它具有事故分析、性能計算、歷史數據存儲、分析、各種報表生成、打印等功能,目前已經在國內外得到非常廣泛的應用。在DCS系統中,測量變送,執行器一般由模擬儀表來完成,他們與控制室的監控計算機共同構成控制系統,是模擬和數字混合系統,可實現高級復雜規律的控制。

4、PLC

  可編程控制器(PLC)是60年代發展起來的一種自動控制裝置,是一種嵌入式的工控機,他以順序控制為主,回路調節為輔,能完成邏輯判斷、定時、計數、記憶和算術運算功能,既能進行開關量控制,又能進行模擬量控制,還具有通信功能。隨著自動控制技術,計算機技術和微電子技術的迅猛發展,PLC的發展十分迅速,一方面繼續開發簡易,價格低廉,超小型產品,另一方面轉向大型、多功能、系列化、標準化、智能化產品的研制。在單臺設備的自動化、多臺設備自動化和整個工廠的生產過程自動化, PLC在其中充當著重要作用。

5、發展應用

   當計算機網絡技術,特別是互聯網技術得到廣泛應用后,人們對企業生產過程的控制提出了更高的要求,企業與外界信息溝通的范圍不斷擴大,這就需要把大量的現場信息送到外面,又需要遠程對現場進行診斷、維護和服務,實現從現場控制到監控、管理、決策等各層次的信息交換和集成。現場總線順應了這種要求的發展。
  現場總線的優點為:(1)系統功能擴充、結構改型方便。(2)降低系統部分成木。節省控制柜,大幅度減少導線、電線橋架、接插件等,系統結構簡潔。(3)系統可靠性高。由于全數字化信號精度比傳統的模擬信號高,高度分散控制使風險得到徹底分散。(4)系統可維護性好。智能化的現場設備具有自診斷功能,使設備的預防性診斷和維護得以實現。(5)用戶具有高度的系統集成主動權。在傳統控制系統集成中遇到的不兼容協議、接口等問題得到了解決,用戶可以自由選擇不同廠商所提供的產品來集成系統。(6)提供更豐富的現場信息,能夠更深入地掌握現場生產過程情況、設備儀表信息。
  作為開放互連系統的現場總線,首先必須有統一的技術標準,但由于諸多原因,已經在不同領域形成了頗具影響的幾大總線系列,如基金會現場總線(FF)、LonWorks、 PROFIBUS、 CAN、 HART等。當然,多種現場總線之間的良性競爭,有利于FCS技術的提高和發展,也有利于產品價格的降低和用戶系統投資成本的減小,但是,發展共同遵從的統一的國際標準,是現場總線的發展方向,也是廣大用戶的要求。  現場總線是工業過程控制技術的發展主流,可以說FCS的發展應用是自動化領域的一場革命,也既要“革”傳統儀表的命,同時向傳統DCS發出了挑戰。對于DCS的發展過程,因為受計算機系統早期存在的一些缺陷影響,造成各生產開發商的產品自成一體,較難實現互換和互操作,系統也難了與外界進行信息交換,這樣對用戶來說,使企業的信息集成存在一定的困難;另外, DC3的控制分散也并不是徹底的分散,控制功能是通過各個集中的過程控制站如PLC來完成,許多方面的性能與FCS相比有較大差距。但是,DCS在當前情況下仍具有較強的生命力,其理由為:(1)近年來DCS技術的成熟以及/‘泛應用,DCS在可靠性、開放性、標準化方面大大前進了一步。(2)DCS的價格大幅度下降。(3)DCS能夠滿足目前的生產控制要求,用戶習慣容易接受。(4)FCS正在發展過程之中,某些方面還不是十分完美。比如說現場總線的線狀結構,一旦總線某支路的電纜斷了,這條文路的運行就癱瘓了。又如系統組態鉸復雜,不易將系統設置到最佳狀態等。(5)目前現場總線儀表與常規儀表相比價格仍然較貴,硬要去追求潮流,將企業現有的運行良好的傳統儀器儀表更新成智能儀器儀表,以及將DCS改換成FCS不是很現實的。基于亡述原因, DCS現在仍是大多數用戶選擇的主流控制系統。FCS作為一個完整的控制系統,也需要具有類似于DCS那樣的監控管理系統,FCS的發展不是對DCS的絕對否定,既有在它們基礎上對優點的繼承,又具有自己特色的變革部分。雖然傳統DCS屬非開放式專用網絡,但根據目前的實際情況,將出現通過特殊的網關將DC3掛接在現場總線網段上,或作為企業網絡中的—個特殊的子網,形成現場總線與DCS并存的局面。傳統的DCS在—個過渡階段內,仍會在一個很長的時期內在工業控制領域發揮重要作用,而且,DCS如果能融合FCS的優勢技術,將會是“柳暗花明又一春”。
  在FCS中,智能儀器儀表代替傳統儀表,控制功能下放分散到現場,PLC的作用將被取代嗎?答案是否定的。PLC是一種面向工業現場的控制裝置,它的特點為:(1)高可靠性和抗擾能力,可適應惡劣的工業現場環境。(2)I/O模塊化,智能化,方便組合和擴充。(3)操編程方便。(4)完善的監視和診斷功能。我們應該看到PLC的直觀、簡單、價格低、易維護、高可靠性等特點,并且現在的PLC不再是原來只能實現開關量控制和PID調節等功能的PLC,隨著模糊控制、神經元網絡、遺傳算法等學科的日益成熟,PLC可以而且已經不斷融合這些及其他先進的技術,佼控制、通信等功能不斷增強,現在,模糊控制功能已植入到了PLC內,產品已經投放到了市場,控制功能更加強大。再者,在FCS中,PLC作為FCS中的一個節點,可完成現場的一些復雜控制功能,使它不會受到FCS發展的影響而被淘汰,所以不管是在FC3中還是在DC3中, PLC還會在系統中作為一個重要的角色存在,而且發展前景將更加廣闊。

6、結語

  現場總線代表了一種有突破意義的新的控制思想,它開辟了控制領域的一個新時代。FCS是工控領域發展的主流,DC3在很長時期內仍具有旺盛的生命力,而PLC通過不斷的發展,將在工控系統中繼續發揮它的強大的控制功能。作為最終用戶,希望的是選用順應當前技術發展潮流,系統投入、運行成本低,可靠性高,管理維護容易,結構簡單,易擴充和具有高度系統集成主動權的控制系統。
 

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