当前DCS技术的分析与展望

当前DCS技术的分析与展望发布时间：2009-06-05来源：中国传动网打印该页摘要：DCS（DistributedControlSystem）作为一种成熟的技术在当今的工控领域占有主导地位，但是随着FCS（FieldbusControlSystem）技术的成熟、网络技术（NetworkTechnology）的飞速发展、软件技术的不断创新和无线连接技术（WirelessLinkingTechnology）的出现，DCS面临诸多机遇与挑战，本文就是以此为基点展开。关键字：DCSFCS网络技术无线连接技1引言过程控制作为自动化技术的应用[5,15]，其发展历史可以追溯到古代，但至于在工业上的应用只能从上个世纪20年代算起，那时的过程控制系统为简单系统，仪表是基地式、大尺寸的；到二战前后，各种复杂的控制系统发展了起来，在控制器方面，单元组合式仪表应运而生，气动单元组合仪表（QDZ）和电动单元组合仪表（DDZ）成为当时控制仪表的主流；随着科学技术的发展[4]，到了上个世纪70年代，微型计算机的出现[4]，给过程控制带来了重大突破，数字计算机进入到了工业控制领域，产生了第一代控制系统：计算机集中控制系统CCS（ConcentratedControlSystem），它取代了传统的模拟仪表，从而能够使用更为先进的控制技术，使过程控制发生了质的飞跃，但由于CCS控制直接面向被控对象，并未形成控制网体系，集中了控制的同时也集中了危险；针对CCS的缺点，没过几年人们就研制出了真正意义上的工业控制网络体系DCS，这种系统在集中控制的同时分散了危险，所以普遍用于当今的工业控制领域，但今天的技术发展更是突飞猛进，FCS、网络技术、计算机技术等技术对DCS构成了极大的挑战。本文就是对DCS的一些肤浅认识。2当前DCS结构特点及其所采用的技术2.1硬件的网络分层结构典型的DCS网络系统可分为过程控制级、控制管理级、生产管理级三个分级[4,16]。第一层过程控制级主要以PLC（ProgrammableLogicalController）或I/O模块通过现场总线构成对现场设备的基本控制；第二层是控制管理级，即以监控计算机通过工控网络与PLC或I/O模块相连，实现对流程设备的上位机监控；第三层为生产管理层，即以文件服务器、管理计算机极其工业局域网与监控计算机相连，随时读取现场信息实现上层的生产管理。这种系统的构成，对于某个局部的不可靠，从而使对整个系统构成损害的概率降的很低，加之各种软硬件技术的不断走向成熟，极大地提高了整个系统的可靠性，因而DCS成为了当今工业自动控制系统地主流。2.2软件特点由于DCS的特殊功能[3]，所以它的软件系统不同于我们常说的软件，它有自己的特点，如图1所示为一般DCS软件的构成框图和工作原理，从中我们可以发现，它充分体现了DCS的分层网络结构，对于我们来说大量工作集中在工程师站上，而操作员站、服务器站和现场控制站一般都用其专用软件来实现，我们只是学会使用就行了。2.3DCS的缺点作为一项比较成熟的工程技术，DCS在全世界范围内取得了巨大成功，但随着时代的进步，各种新技术的推陈出新，人们对DCS的要求也日益苛刻，所以今天的DCS呈现出一些不足，具体有[9]：①系统接线工作特别繁重，因为每个现场设备都需要用线缆连至控制室，因而为以后的查线、维护带来许多不便；②由于采用的是标准模拟4～20mA信号，不是数字信号进行数据传输，因此在信号可靠性、抗干扰等方面值得怀疑；③各种不同的DCS在互连时存在问题，也就是说我们在同一工程中选用不同DCS联接时，在互相通讯上往往有一些麻烦，这就给系统集成带来困难，因此我们需要在不同DCS的互操作性上作些工作。3当前影响DCS发展的几种主要技术3.1现场总线系统的迅速发展现场总线系统是指一种新的控制系统，它是在现场总线技术发展的驱动之下形成的新型网络集成式全分布控制系统，主要特点有[1]：①从结构上讲打破了传统的系统结构，将控制单元置入现场设备，加上现场设备的通讯功能，现场变速器可直接与阀门等执行机构通讯，因而控制系统能够不依赖于控制室的计算机而直接现场完成控制，实现了彻底的分散控制；②从采用技术上讲，FCS是一个开放系统，存在相关标准的一致性、公开性，所以只要遵守相同的标准就可以实现各种不同设备的互联，对用户而言就可以按照自己的需要，组织不同厂商的产品，构建适合自己的最经济有效的系统；③从可靠性上讲，它由于采用了全数字信号通讯，加之现场设备的智能化与功能自治性，所以具有更高的可靠性，而且在布线和维护上带来许多便利。从目前全球现场总线的发展来看，FCS已经有十多年的历史，技术已趋于成熟，并形成了国际标准，也有成功用于过程控制的例子，因此有人认为FCS将会代替DCS，成为新一代控制系统。3.2网络技术的飞速发展控制网络的发展，其基本趋势是逐渐走向开放、透明的通讯协议，但在DCS中应用的各种现场总线，其开放性是不彻底的，相比而言以太网有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势，同时它又支持所以流行的TCP/IP网络协议，所以在商业系统中被广泛应用。近年来，随着网络技术的发展成熟，以太网已经进入到控制领域，形成了新型的以太网控制技术。下面就是对工业以太网的特性作一分析。传统的工业以太网采用随机访问协议——带冲突检测的载波侦听多路存取[2]（CSMA/CD），通过它进行介质访问控制，对于响应时间要求严格的控制过程会可能产生碰撞冲突，但近年来出现的快速交换式以太网技术，采用全双工通讯，可以完全避免CSMA/CD中的碰撞，并且可以方便的实现优先级机制，保证网络带宽的最大利用率和最好实时性，并且网速也在不断提高，从10M发展到快速以太网100M、1000M，GM级的以太网技术也在研究之中，因此有理由相信未来的以太网完全可以满足工控系统的实时性要求。3.3无线连接技术无线连接（WirelessLinking）技术在目前常见应用于实现无线数据采集[12,18]，而用在控制工程上的很少，但随着这种技术的日趋成熟和越来越标准化，在工控领域大范围应用也可成为可能，特别是值得一提的是蓝牙（Bluetooth）技术正为人们所关注[13]，下面就以它为例简要介绍一下这种技术的特点：使用2.4GHz的ISM频段；采用FM调制方式。该技术的传输速率设计为1MHz，以时分方式进行全双工通信，现在的通讯距离为10～100m，由此可见要在工控领域内应用必须扩大通讯距离。特别值得一提的是在参考资料[17]中，一种基于无线连接的钟摆控制已在实验室取得成功，这为我们在工控领域采用这种技术奠定了基础。3.4软件技术的发展从工程角度讲，随着硬件性能的大幅度提高，如何有效的组织利用它们，充分发挥其潜能是工程软件师面临的主要课题，就从目前工程界来讲，各种独立的SCADA软件包越来越成熟，也被更多的用户接受，在这里我想讲的是新兴的软连接技术用于工控领域，例如：ODBC、OLEDB、OPC、COM等，特别是OPC（OLEForProcessControl）技术[6,18]，是将COM引入工业过程的一种工业标准，满足这个标准的设备都能同其他OPC客户程序进行通讯，它的工作方式如图2所示，这种技术建立了一组符合工业控制要求的接口规范，将现场信号按照统一的标准与SCADA、HMI等软件无缝连接起来，同时将硬件与应用软件有效地分离开，只要设备有OPC接口的服务器，任何支持其接口地客户程序都可以采用统一方式对不同厂商的设备进行数据存取，无须重复开发驱动程序，这样就大大提高了控制系统的互操作性和适应性。4今后DCS的发展趋势通过以上的分析可以看出[19]，工业控制领域中各种新技术不断涌现，新的控制方案和思想对传统对DCS控制发起了有力挑战，但从另一方面看，这些技术又为DCS的发展提供了更多的机遇，所以DCS要紧跟时代步伐，不断采用最新的技术和思想来充实、完善自己，就是做到“与时俱进”，下面就针对上文提出一些DCS发展趋势。4.1充分利用现场总线技术将DCS进一步分散化上面可以看出FCS有许多优点，但在实际应用之中完全的FCS很少，究其原因主要有：①开发具有现场总线接口的设备成本过高，对企业来说将传统的仪表换为总线仪表花费过高；②虽然现场总线已经形成标准，但标准太多（IEC规定的就有8种标准总线），而且各种标准之间互相排斥，做到完全统一尚须时日；③对一些复杂的工艺过程DCS现场控制站的组态控制有优越性，能够组态先进复杂的控制策略，但FCS无法与之相比。对于我们而言，既要利用FCS技术的先进性，又要适应客观实际，这就需要将FCS技术融于DCS之中，采用结构转换[3]，具体就是将DCS中的I/O模块从控制柜中分离出来，移至现场来完成数据采集和通讯，对一些简单的控制下放到现场，而对复杂的控制策略继续由DCS控制实现，这样就组成了DCS和FCS混合的控制系统，它兼得二者优点，不失为一种可选的控制思想。4.2将工业控制网络进一步引入DCS，将其完全网络化DCS数据通讯网络是典型的局域网通讯，当今的DCS都采用工业局域网技术来传输实时信息，进行全系统综合管理，但在现场级中与各种现场设备通讯多采用现场总线方式，它的传输速率较之以太网低，产品价格却大大高于以太网产品，相比而言，以太网设备价格低廉、标准国际统一，已有近20年发展历史，人们对其拓扑结构、CSMA/CD协议和系统协议提出了许多改进措施，从根本上解除了冲突碰撞，而信号传输速度有了大幅度提升，从另外一方面讲，以太网的进一步渗入现场级使得整个系统网络更加容易集成，所以将以太网技术引入工业控制现场级是DCS未来发展的一个重要方向。4.3将无线连接技术引入DCS系统目前的DCS中数据采集设备都采用专用电缆和控制室相连，这样在系统接线、查线、维护等方面造成很多不便，从而限制了DCS的使用范围和空间距离，如果我们采用如图3的无线连接网络结构[7]，则可省去繁重的接线，同时减少了投资，提高系统了性能，虽然目前这项技术还不是很成熟，但“没有做不到，只有想不到”，因此有理由相信随着它的技术进步，无线连接技术在DCS中大显身手并非神化。5总结DCS技术风雨历程已有近30年的历史，30年来它为全世界自动化业作出了巨大的贡献，但任何一种事物的出现必是一个过程，有其辉煌的鼎盛，也伴随着无奈的终结，在人类科技高速发展的今天，这一过程也正在缩短它的周期，DCS也不例外，科学技术成就了它的辉煌，同时也会使它走向没落。但从今天工业控制领域来看，现场总线的标准之争迟迟不能解决，各种总线之间互相排斥，难以在短期内形成国际统一的唯一标准，所以FCS要想完全替代DCS尚须时日，但这并不是意味着DCS可以高枕无忧，相反应该充分利用FCS的先进技术来完善自己；从网络通讯方面来讲，通讯可靠性与实时性的解决，为其在DCS中运用提供了广阔的天地，DCS要充分利用它来构筑我们未来的企业自动化网络；从软件方面来看，目前的各种DCS组态软件功能已十分强大，因此以后的发展方向应在各种软件（包括DCS与DCS、DCS与其他软件）之间互相通讯——软连接上下工夫，促使DCS的大同化；作为一种新出现的技术，无线连接技术还显幼嫩，但它代表了一种全新的思路，DCS应时刻关注它的发展，在技术成熟时将其引入自己的系统。综上所述，DCS作为一项成熟的工程技术，面对诸多挑战应发挥自己的长处，并不断采用最新的技术，完善自己的功能，使之与时代的发展保持同步。