现场总线与控制系统

引言

在现代测控领域，“开放系统”、“现场总线”这 2个词频繁出现。在自控界讨论的仍然是 DCS(distribute control system),FCS(fieldbus controlystem)谁将最终成为主流控制系统，这场争论的实质是利益和市场的竞争，一些既得利益者一方面要维护 DCS/ PL C的市场份额，另一方面又怕赶不上FCS的潮流，因而在自己的 DCS/ PL C系统中加入自己的现场总线；而另外一些硬、软件生产商由于没有历史包袱，追求的是全新的控制系统模式，包括统一的现场总线标准及软、硬件平台，以引导和占领未来的市场。这些控制系统的区别有多大，有无共同的特征，未来控制系统的发展方向是什么，本文试图在这些方面做一些探讨。

1我国控制系统结构的发展

一个控制系统由 I/ O设备 (传感器和执行器 )、控制硬件、控制软件、人机接口及与信息系统的连接等组成，如图 1所示 [1]。设备级现场总线使 I/O模件和控制箱得以分开，以太网使得现场采集的数据集成到企业应用中。

图 1控制系统简图

1.1 早期的集中式控制系统

80年代初期，当微机控制系统用于电站自动化领域时，多使用以单板机组成的微机控制装置,与上位机系统连接多采用串行通信方式，所有模件集中布置在一个或几个机柜中。由这些装置构成的系统多为集中式控制系统或分层控制系统。这种系统为我国电站自动化控制系统发挥了重要作用,其开拓性的实践是今天控制系统丰富多彩的基础。但是，这类系统技术上已经落后，不符合控制系统分布、开放的发展趋势。

1.2 DCS控制系统

DCS在我国电力行业特别是火电厂机组控制系统中得到了广泛的应用。传统的DCS主要有4层结构 ：第1层是I/ O层；第2层是控制器层；第3层是人机接口层；第 4层是企业信息系统层。这种结构与图 1相近，但除在第3层、第4层之间采用以太网外，其他都是专用网络，控制设备及软件也是专用的，开放程度不够，给系统维护及升级带来不便。DCS在设备配置上还要求网络、控制器、电源甚至模件等都为冗余结构，支持无扰切换和带电插拔，由于设计上的高要求，导致 DCS成本太高。

1.3 PL C可编程逻辑控制器

严格说来，单独的PLC因缺少人机接口及信息系统等部分，不是一个控制系统。PLC由于其高可靠性及使用的方便性，占领着很大的市场份额。从控制系统结构来看，传统的 PLC相当于通用化的微机监控装置，由电源模件、CPU模件、I/O模件、槽板及扩展插箱组成，使用厂家提供的梯形图逻辑语言进行编程。但随着市场的需要及 DCS的挑战，PL C家族在以下几方面得到了发展 ：1分布式 I/ O连接能力方面，由于许多高档 PLC支持远程 I/O及现场总线网络 (如 Device Net,Profibus等 ),使 PL C向下连接更分布；2厂级控制系统连接方面，许多 PL C支持高速网络，如Ethernet,Control Net,Profibus等；3软件的开放性方面，由于许多 PLC支持 OPC标准 (object linking and embedding for processcontrol),使软、硬件平台之间的数据通信找到了一个实现的标准。这种部分开放加上部分专用所构成的系统可能还会延续一段时间。但是，正是由于 PLC是一种通用的控制器，应用到电力系统作为现地控制装置有其局限性，需做许多硬件和软件上的改进工作，配置额外的设备和电路。与 DCS相比，PLC有成本上的优势，但可靠性、电气性能却不如 DCS。

1.4 FCS现场总线控制系统

FCS(fieldbus control system)顾名思义基于现场总线，根据IEC标准及现场总线基金会的定义：

现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线系统应具有以下技术特点 [2 ]：1系统的开放性；2互可操作性与可用性；3现场设备的智能化与功能自治性；4系统结构的高度分散性；5对现场环境的适应性。

由于有以上技术要求，现场总线控制系统将是开放系统的主要支撑力量。由于受集团利益的限制，现场总线网络本身目前还未形成一个单一的标准。常见的标准有 Profibus,CAN,L onworks,World Fip 及 FF (fieldbus foundation)等，人们期待着将于2 0 0 0年初颁布的最后统一的标准 IEC61 1 58,FF与目前的 IEC61 1 58—3. 4. 5. 6草案兼容。现场总线控制系统不仅需要控制系统设备制造商的支持，更主要的是要得到分散在现场的传感器及执行设备的支持，以取代 DCS的数字 /模拟混合技术，成为全数字式系统。这样的系统才会比 DCS有很大的技术及成本优势。

目前的情形是，我国广大的中小型生产企业还没有 DCS,大型企业使用DCS,使用现场总线控制系统近几年内难以实现。在这种情形下，什么是当前适合中国国情的控制系统呢 ?笔者认为作为过渡阶段可行的方案应是 DCS— FCS结合的控制系统模式。这种模式采用智能 I/ O模件作为仪表上网的桥梁，同时节省成本；使用现场总线网络适应分布式、开放式的发展趋势；使用开放式的控制器硬件及开放式的组态软件代替 DCS中专用的控制器，保留DCS的冗余技术及组态技术等优点，使用标准的开放性网络以太网作为厂级网络，而不是 DCS的专用网络。随着技术的进步、成本的进一步降低，全开放式的现场总线控制系统必将是未来的趋势。

2新一代的控制系统的主要特征

2.1 网络技术

网络中研究最多的是现场总线和以太网。从 1 984年现场总线概念的提出到目前最后的标准即将颁布，经过了 1 5年的时间。在这期间，共产生了 60多个数字通信网络标准以连接传感器、现场设备及控制级网络，有 50 0 0多种支持这些网络的产品。这一方面说明网络技术应用的广泛，另一方面说明迫切需要一个统一的标准。统一的现场总线标准是开放的现场总线控制系统必备的技术条件。以太网在厂站自动化中一般用于连接控制器和操作员站及管理站，这种结构叫做控制中心以网结构 (control-centric);以太网另一个发展趋势是直接将 I/ O设备连到以太网或连到与以太网兼容的I/ O数据集中器上，这种结构叫做设备中心结构(device-centric)。前一个结构的网络协议多为TCP/ IP,应用层协议没有一个标准，建立在 FTP,Telnet,NFS等的服务成为事实上的标准；后一种结构使用的协议保留了以太网的物理层及链路层协议，在应用层使用现场总线定义的协议，如 FF的HSE(high speed Ethernet protocol),Control Net,Device Net等。

从以太网与现场总线的交叉发展趋势可以看出，两者将有机地结合起来。一方面由于受环境及特种技术的要求限制，现场总线的低端 (即 I/ O端 )仍采用低速网 (如 FF的 H1，Device Net或 Profibus的PA)将智能仪表等设备连接；另一方面一些兼容的智能设备采用中速网 (如 FF的 H2或 Profibus的DP)连接控制器、数据集中器、远程 I/ O及智能 I/ O设备；在厂级系统中，采用高速以太网连接各控制器与站级计算机，形成整个控制系统，这就是LAN/fieldbus的网络结构。这种结构如图 2所示 [2 ]。 [page]

图 2 LAN/ fieldbus网络结构

2.2 开放性：开放性无疑是新一代控制系统的重要特征。开放就是一些标准加上公共发表的技术，这些标准和技术无需许可证就可以自由获得，并由许多供应商所支持 [3 ]。开放是数据连接能力和硬、软件可移植性的组合。以太网和 OPC是数据连接能力的例子，PC是开放的硬、软件平台的例子。开放基于标准，标准驱动开放性。标准有正式标准 (如 IEC或 IEEE)和事实上的标准 (de facto)之分。事实上的标准是市场力量的体现。

工业自动化的标准有以下几个方面 ：1现场总线标准 IEC61 1 58;2可编程逻辑程序语言IEC61 1 31— 3;3符合工业标准的硬件有开放式结构的 PC平台，如 ISA,Compact PCI,PC1 0 4和 VXI等；4OPC及微软的 COM,DCOM,DNA在自动化产品中应用非常广泛，被认为是工业上的事实标准，另外，还有 Sun Connect,HTTP—HG等。

2.3 组态技术

组态技术主要指控制系统中的数据库生成及控制算法组态。其中数据库生成组态与各种硬件设备关系太密切，还没有统一的标准，就 PL C本身来讲，这部分一直是空白，也就是说，PLC所能提供的只是寄存器，它需要借助第 3方或专用软件将其转换成有意义的工程参数，对于 DCS,数据测点定义就完备多了。同样地，控制算法组态方面，传统的 PL C多数只提供梯形图逻辑及少量的功能块，并且与IEC61 1 31— 3不兼容，而 DCS具有全面的控制算法组态技术，包括梯形图、助记符、功能块及顺序流程图等。第 3方软件支持商支持 IEC61 1 31—3并可以加载到部分 PL C中。开放式现场总线控制系统理所当然应具有组态技术,包括数据库组态及控制算法组态，生成的参数及算法不仅可以在控制器中运行 (所谓 Soft PL C),还可以在远程 I/ O或智能设备上运行，按照现场总线标准定义的功能块可以在智能仪表及执行机构中进行运算，以实现真正的分布式控制。

3影响控制系统可靠性的几个因素

3. 1 嵌入式控制与控制器的可靠性：控制系统的可靠性很大一部分依赖于控制器是否可靠。 PL C,DCS有其专用的控制器，开放式系统中建议的是标准的硬、软件平台。显然 PC机和微软的 Windows是一种选择。工业 PC机经过多年的改 进已经比较可靠了,但故障还是会发生，其较差的运行环境适应能力和旋转机械故障(硬盘故障)给维护带来了困难。一种解决方案是用嵌入式 PC机如PC1 0 4结构的硬件平台，这种平台有较宽的运行环境,没有硬盘，而且具有丰富的模件资源,支持以太网及现场总线网络接口。从操作系统角度看,带有实时扩展 (RTX)的 NT(如 Ventur Com公司提供的RTX NT)是在标准 PC平台上用于实时控制的较佳选择;但嵌入式控制中资源有限，即使是嵌入式NT也很难适应。Windows CE不失为一个嵌入式应用较好的选择，特别是其 3. 0版本的推出，在确定性、实时性、优先级扩展能力及中断服务延时、进程切换时间上有了显著的提高，过程处理循环时间降到毫秒级。事实上一些公司已生产出采用 Win CE的控制装置，如 Win PL C,GE公司的 CNC,Xycom自动化公司的 ASIC— 3000等 [4]。Win CE并不是唯一的选择，许多实时操作系统非常成熟,已在通信Internet及电力等行业发挥了巨大作用,如p SOS,QNX,VRTX等，这些操作系统的共同特征是内核非常小,支持 BSP开发 (板级支持包 )及强大的网络支撑功能,缺点是第 3方的支持软件不丰富。采用嵌入式控制是提高控制器可靠性的重要保证。

3. 2 网络的可靠性：现场总线从一开始就是为连接现场控制设备而设计的，充分考虑了其对各种运行环境的适应能力及实时控制中对确定性的要求，只要符合其制定的规范 (如通信速度、通信距离、物理链接等 ),现场总 线应该是可靠的。以太网成为工业网络也可靠吗 ?回答是肯定的。传统的以太网结构使用总线将各个节点连在一起,允许同时将数据发送到网上，这样就发生了冲撞，必须采用重发机制以达到相对高的成功率。这种机制导致非确定性 (non-deterministic),而控制系统需要确定性。以太网技术的发展增强了其通信的确定性，首先，在网络拓扑结构上，采用星形连接及交换式Hub,交换式 Hub提供数据缓冲及具有确定接收数据的网段智能，使数据冲撞及重发机会最小化;其次,快速以太网 (100 Mbit/ s,1 Gbit/ s)的发展及网络冗余技术使以太网更适应于实时应用;另外,改进的通信协议克服了 TCP/ IP协议中的缓冲器满再发送及冲撞控制中的允许“丢”包等缺点。

3. 3 电磁兼容性与硬件设备可靠性：控制系统要适应恶劣的运行环境,必须满足一系列电磁兼容性国际标准,IEC61 0 0 0— 4标准或我国等同采用的 GB/ T 1 762 6标准定义了应达到的电气技术指标，这些标准包括 ：1浪涌 ：IEC61 0 0 0— 4— 5(GB/ T1 762 6. 5);2振荡波抗扰度：IEC61 0 0 0— 4—1 2 (GB/ T 1 762 6. 1 2 );3静电放电抗扰度 ：IEC61 0 0 0— 4— 2 (GB/ T 1 762 6. 2 );4电快速瞬变脉冲群抗扰度 ：IEC61 0 0 0— 4— 4(GB/ T 1 762 6. 4);5射频场感应的传导骚扰抗扰度 ：IEC61 0 0 0— 4— 6(GB/ T1 762 6. 6);6射频电磁场辐射抗扰度 ：IEC61 0 0 0— 4—3(GB/ T1 762 6. 3)。

以上指标中定义了在不同控制电压等级下及运行环境下应达到的技术标准，满足这些标准将为控制系统的可靠性提供有力的保证。

4结语

我们处在一个主流系统与非主流系统各行其道、共享市场的时代,中国进入 WTO后,大量的外国公司产品及技术将瓜分中国的测控市场，包括电力系统自动化领域，竞争最激烈的应该是厂站自动化领域，特别是水电厂、火电厂控制系统。一方面大大小小的 PL C几乎占领着整个水电厂监控领域，另一方面国外 DCS牢牢占据着大中型火电厂控制系统。我们迫切需要有自己的控制系统，以及适合国情的控制系统结构、硬件资源及软件工具。这不仅需要科研人员的不懈努力,还需要市场的培育及支持。有理由相信,有中国特色的先进控制系统将在竞争激烈的自动控制领域占有一席之地。(end)