1、引言
70 年代以來，工業(yè)制造進(jìn)入計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）階段。CIMS中的一個重要環(huán)節(jié)是利用計算機(jī)技術(shù)對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控、管理和控制，這涉及到眾多現(xiàn)場設(shè)備的分布式自動控制和信息集成。20多年來，這種分布式控制系統(tǒng)經(jīng)歷了若干發(fā)展階段，從集散控制系統(tǒng)（DCS）、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）到智能控制-維護(hù)-管理集成系統(tǒng)（ICMMS），控制單元日益智能化，控制的方式日益走向多智能控制單元的協(xié)同工作模式?，F(xiàn)代化的現(xiàn)場設(shè)備不再是簡單的傳感器和控制器，它具有一定的自主控制、數(shù)據(jù)管理和通信能力，在這一點(diǎn)上它已發(fā)展成一種智能自主體（Agent）。因此，分布式控制系統(tǒng)技術(shù)與計算機(jī)支持的協(xié)同工作（CSCW）技術(shù)具有相似點(diǎn)。未來的分布式控制系統(tǒng)將突出智能性和系統(tǒng)性，并日益與生產(chǎn)、管理過程的其他環(huán)節(jié)集成，實(shí)現(xiàn)高效率、高可靠性的現(xiàn)場控制。
2、集散控制系統(tǒng)
集散控制系統(tǒng)是利用計算機(jī)技術(shù)對生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)測、操作、管理和分散控制的一種新型控制技術(shù)。是由計算機(jī)技術(shù)、信號處理技術(shù)、測量控制技術(shù)、通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、CRT技術(shù)、圖形顯示技術(shù)及人機(jī)接口技術(shù)相互滲透發(fā)展而產(chǎn)生的。DCS既不同于分散的儀表控制，又不同于集中式計算機(jī)控制系統(tǒng)，而是克服了二者的缺陷而集中了二者的優(yōu)勢。DCS的結(jié)構(gòu)是一個分布式、分支樹狀結(jié)構(gòu)。按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行垂直分解，它分為過程控制級和控制管理級，各級既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系，每一級又可水平分解成若干子集。從功能分散看，縱向分散意味著不同級的不同功能，如實(shí)時控制、實(shí)時生產(chǎn)過程管理等，橫向分則意味著同級設(shè)備具有類似功能。
圖1 DCS結(jié)構(gòu)圖
DCS是采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化的設(shè)計，由過程控制級、控制管理級和生產(chǎn)管理級組成的一個以通訊網(wǎng)絡(luò)為紐帶的集中顯示而操作管理、控制相對分散的實(shí)用系統(tǒng)。它具有如下特點(diǎn)：
- 自主性：系統(tǒng)上各工作站是通過網(wǎng)絡(luò)接口連接起來的，各工作站獨(dú)立自主地完成自己的任務(wù)，且各站的容量可擴(kuò)充，配套軟件隨時可組態(tài)加載，是一個能獨(dú)立運(yùn)行的高可靠性子系統(tǒng)。
- 協(xié)調(diào)性：實(shí)時高可靠的工業(yè)控制局部網(wǎng)絡(luò)使整個系統(tǒng)信號共享，各站之間從總體功能及優(yōu)化處理方面具有充分的協(xié)調(diào)性。
- 在線性與實(shí)時性：通過人機(jī)接口和I/O接口，對過程對象的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集、分析、記錄、監(jiān)視、操作控制，可進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組態(tài)回路的在線修改、局部故障的在線維修。
- 高可靠性：高可靠性是DCS的生命力所在，從結(jié)構(gòu)上采用容錯設(shè)計，使得在任一個單元失效的情況下，仍然保持系統(tǒng)的完整性，即使全局性通信或管理失效，局部站仍能維持工作。從硬件上包括操作站、控制站、通訊鏈路都采用雙重化配置。從軟件上采用分段與模塊化設(shè)計，積木式結(jié)構(gòu)，采用程序卷回或指令復(fù)執(zhí)的容錯設(shè)計。
- 適應(yīng)性、靈活性和可擴(kuò)充性：硬件和軟件采用開放式，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，系統(tǒng)積木式結(jié)構(gòu)，具有靈活的配置可適應(yīng)不同用戶的需要。工廠改變生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)流程時只需改變系統(tǒng)配置和控制方案，相應(yīng)使用組態(tài)軟件填一些表格即可實(shí)現(xiàn)。
- 友好性：DCS軟件面向工業(yè)控制技術(shù)人員、工藝技術(shù)人員和生產(chǎn)操作人員，采用實(shí)用而簡捷的人機(jī)會話系統(tǒng)，CRT高分辨率交互圖形顯示，復(fù)合窗口技術(shù)，畫面豐富，縱觀、控制、調(diào)整、趨勢、流程圖、回路一覽、批量控制、計量報表、操作指導(dǎo)畫面、菜單功能等均具有實(shí)時性。平面密封式薄膜操作鍵盤、觸摸式屏幕、鼠標(biāo)器、跟蹤球等操作器更便于操作。
DCS 已經(jīng)歷了三代。1975年Honewell公司推出的TDC2000集散控制系統(tǒng)是一個具有許多微處理器的分級控制系統(tǒng)，以分散的控制設(shè)備來適應(yīng)分散的過程對象，并將它們通過數(shù)據(jù)高速公路與基于CRT的操作站相連接，互相協(xié)調(diào)，一起實(shí)施實(shí)時工業(yè)過程的控制和監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的功能分散，負(fù)荷分散從而危險性也分散。在此期間世界各國相繼推出了自己的第一代DCS。第二代產(chǎn)品在原來產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高了可靠性，新開發(fā)的多功能過程控制站、增強(qiáng)型操作站、光纖通信等更完善了DCS。其特點(diǎn)是采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，數(shù)據(jù)通信向標(biāo)準(zhǔn)化遷移，板級模塊化，單元結(jié)構(gòu)化，使之具有更強(qiáng)適應(yīng)性和可擴(kuò)充性?？刂乒δ芨油晟?，它能實(shí)現(xiàn)過程控制、數(shù)據(jù)采集、順序控制和批量控制功能。第三代產(chǎn)品開發(fā)了高一層次的信息管理系統(tǒng)。其共同特點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)了開放式的系統(tǒng)通信，向上能與MAP和Ethernet接口，或者通過網(wǎng)間連接器與其它網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，構(gòu)成復(fù)合管理系統(tǒng)；向下支持現(xiàn)場總線，它使得過程控制或車間的智能變送器、執(zhí)行器和本地控制器之間實(shí)現(xiàn)可靠的實(shí)時數(shù)據(jù)通信。過程控制組態(tài)采用CAD方法，使其更直觀方便，實(shí)現(xiàn)自整定功能。
當(dāng)今DCS向綜合化、開放化發(fā)展。90年代工廠自動化要求各種設(shè)備(計算機(jī)、DCS、單回路調(diào)節(jié)器、PLC等)之間的通信能力加強(qiáng)，以便構(gòu)成大系統(tǒng)。開放性的結(jié)構(gòu)將方便地與指揮生成管理的上位計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)計算機(jī)集成生產(chǎn)系統(tǒng)。同時在大型DCS進(jìn)一步完善和提高的同時，發(fā)展小型集散控制系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合現(xiàn)代控制理論，應(yīng)用人工智能技術(shù)，以微處理器為基礎(chǔ)的智能設(shè)備相繼出現(xiàn)，如智能變送器、可編程調(diào)節(jié)器、智能PID自整定控制、智能人機(jī)接口，以至于智能DCS?？偟陌l(fā)展趨勢可體現(xiàn)在如下幾個方面：各制造廠商都在“開放性”上下功夫，力求使自己的DCS與其他廠商的產(chǎn)品很容易地聯(lián)網(wǎng)；大力發(fā)展和完善DCS的通信功能，并將生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)與工廠管理系統(tǒng)聯(lián)結(jié)在一起，形成管控一體的產(chǎn)品；高度重視系統(tǒng)的可靠性，在軟件的設(shè)計中采用容錯技術(shù)；在控制功能中，不斷引進(jìn)各種先進(jìn)控制理論，以提高系統(tǒng)的控制性能，如自整定、自適應(yīng)、最優(yōu)、模糊控制等；在系統(tǒng)規(guī)模和結(jié)構(gòu)上，形成由小到大的產(chǎn)品，以適應(yīng)不同規(guī)模的需求。
3、現(xiàn)場總線
現(xiàn)場總線克服了DCS系統(tǒng)中通信由封閉的專用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中所產(chǎn)生的缺陷，把基于封閉專用的解決方案變成基于公開標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案；同時把集中與分散相結(jié)合的DCS集散控制結(jié)構(gòu)，變成新型的全分布式結(jié)構(gòu)，圖2所示；同時把集中與分散相結(jié)合的DCS集散控制結(jié)構(gòu)，變成新型的全分布式結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，依靠現(xiàn)場智能設(shè)備本身實(shí)現(xiàn)基本控制功能。
圖2 現(xiàn)場總線示意圖
FCS的設(shè)計目標(biāo)是針對現(xiàn)存的DCS的某些不足，利用現(xiàn)場總線技術(shù)改造DCS。DCS經(jīng)過多年的發(fā)展，具有集中監(jiān)控、分散控制、操作方便、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，如DCS采用多操作站對等式的結(jié)構(gòu)，利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和冗余技術(shù)，每一臺操作站可以操作控制系統(tǒng)內(nèi)的任一臺儀表，加上多操作站的互相備份方式，使得可靠性大為提高。在應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)DCS的結(jié)構(gòu)存在一些不足之處，如控制不能做到徹底分散，危險仍然相對集中；由于系統(tǒng)的不開放性，不同廠家的產(chǎn)品不能互換、互聯(lián)，限制了用戶的選擇范圍。 [an error occurred while processing this directive]
現(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn)，促使了DCS向現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS演化。目前FCS的模型一般是針對小型系統(tǒng)，在這類系統(tǒng)中，F(xiàn)F協(xié)議的現(xiàn)場儀表可以組成控制回路，使控制站的一部分功能下移分散到現(xiàn)場儀表中，減輕了控制站負(fù)擔(dān)，使得控制站可以專職于執(zhí)行復(fù)雜的控制算法。對于簡單的控制應(yīng)用，可以把控制站取消，在控制站的位置代之以起連接現(xiàn)場總線作用的網(wǎng)橋和集線器，操作站直接與現(xiàn)場儀表相連，構(gòu)成FCS。
圖3 典型現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)圖
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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