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一种控制系统网络化程度计算方法
jiang_0514 发表于 2009/3/31 12:27:08 817 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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1 问题的提出
网络技术在控制系统中的应用促进了控制系统技术的发展[1]。在控制系统的发展过程中，从直接数字控制（DDC，Direct Digital Control）系统到集散控制系统（DCS，Distributed Control System），再到现场总线控制系统（FCS，Fieldbus Control System），网络技术起到了十分重要的作用。在DDC系统中，没有网络。在DCS系统中，开始使用网络技术，通过网络连接操作站、控制站等设备，正是因为使用网络技术，才实现了系统的分散控制。在FCS系统中，网络技术进一步向现场延伸，实现了现场仪表、执行阀等设备的数字化通信。人们期待着以FCS为代表的新一代网络控制系统取代传统的DCS系统[2][3]。
但是，人们有必要回答这样一些问题，什么是网络控制系统？一个控制系统在多大程度上可以被称为网络控制系统？FCS和传统DCS的本质区别是什么？仅仅因为通过大量使用现场总线技术并将许多控制功能下放到现场设备，就可以称为新一代网络控制系统吗？对这些问题的回答，直接影响着人们对新一代网络控制系统技术的理解，影响着网络控制系统技术的发展与应用。
对于以上问题，不能简单地通过是否每个电气、仪表、控制设备都实现了网络通信来进行回答，因为即使实现相同功能的两个控制系统都采用了网络技术，它们应用网络技术的水平和效果也可能有很大差别，也无法知道控制网络技术在多大程度上满足了控制系统的实际需要。
本文提出了一种控制系统网络化程度的量化计算方法，可以帮助回答以上问题，并对控制网络技术的发展和应用水平进行评估，帮助人们设计和使用新一代网络控制系统。
2 控制系统网络化程度计算方法
控制系统的根本任务是实现控制功能，因此可以根据控制功能是否能够通过网络实现来计算控制系统的网络化程度。控制功能是否能够通过网络实现可以由硬组态和软组态概念进行表示。
2.1 硬组态和软组态概念
一个控制功能，如果由于控制系统结构、控制网络性能等原因，只能在系统某个特定的控制设备上实现，则该功能是硬组态的。反之，如果一个控制功能，可以通过网络通信技术，在多个控制设备中的任意一个上实现，则该功能是软组态的。
显然，如果一个控制设备不能和其他设备进行通信，则该设备实现的所有控制功能都是硬组态的；而通过现场总线实现的所有回路控制都是软组态的。
2.2 控制系统网络化程度计算方法
一个控制系统的网络化程度，可以按公式(1)进行计算。
(1)
假设一个控制系统的控制功能由100个回路控制组成。如果其中50个控制功能可以分布在控制网络上实现，50个控制功能必须由特定的控制设备实现，则系统网络化程度是50%。
对于一个具体的控制系统，按公式(1)计算的系统网络化程度和控制功能定义方法有一定关系。由于定义的不同，一个控制系统的控制功能个数可能有所不同，所计算的系统网络化程度也可能不同。但是对于实现相同或相似功能的控制系统，当采用不同的控制系统结构或设计方案时，可以很容易地比较出系统网络化程度的差异。
使用公式(1)，可以比较DDC、DCS以及FCS三种控制系统的网络化程度。DDC的控制是完全集中式的，没有使用网络通信技术，没有任何一个控制功能可以实现软组态，因此系统网络化程度是0。DCS系统具有网络通信功能，通过网络可以实现监控、过程优化等功能，系统网络化程度和DDC相比有了显著提高。但在DCS系统中，大量回路控制功能只能由特定的控制站完成，系统网络化程度总体水平较低。在FCS系统中，在DCS系统中必须由控制站实现的大量回路控制功能可以下放到现场仪表和执行阀等设备中，系统的网络化程度又有了明显提高。
3 影响控制系统网络化程度的因素
公式(1)计算的控制系统网络化程度，并不是以控制系统中是否每一个控制设备都实现了网络通信为依据的。那么，有哪些因素会影响到一个控制系统的网络化程度呢？最主要的因素有如下两点。
(1) 控制网络性能是影响控制系统网络化程度的决定性因素。
控制网络性能中很重要的一个性能是最快实时通信周期。如果控制功能是软组态的，则其相关控制信息必须在控制网络上进行实时传送，网络实时通信周期必须满足实时控制周期的要求。如果控制网络实时传送周期慢于其控制周期，控制功能就不可能实现软组态。
影响控制系统网络化程度的另一个网络性能指标是通信速率，它决定了单位时间内网络上最大控制数据传送信息量。如果在一个控制网络上需要实现100个控制回路，但由于通信速率的限制，只能实现50个控制回路的实时通信要求，那么即使任意一个控制回路在理论上都是软组态的，系统总的网络化程度不会超过50%。
在传统DCS系统中，控制网络通信速率低、实时性较差是影响其网络化程度提高的一个十分重要的原因。一方面DCS控制网络实时通信周期通常在100毫秒以上，许多回路控制周期难以满足；另一方面，由于网络通信速率较低，无法支持大量控制数据实时传输，大量的系统控制功能不可能通过网络实现，只能由特定的控制站完成。
(2) 控制系统的设计方式对控制系统网络化程度有明显影响。
一个典型的使用Profibus控制网络的PLC控制系统如图1所示。这种控制系统由于设计方式不同，系统的网络化程度可能就有明显不同。可以设想两种系统设计方式。
图1 使用Profibus的PLC控制系统典型结构
在方式一中，PLC有非常明确的分工，特定的控制功能在设计开始时被明确地安排在某个PLC上。操作站和PLC之间的通信主要用来实现过程监控，PLC之间的通信主要实现设备安全互锁等功能。一旦系统设计完成，在某个PLC上实现的控制功能很难转移到其他PLC上；一个控制功能实现位置的改变，意味着大量控制程序的重新设计。在这种系统中，由于大量控制功能难以实现控制设备之间的转移，硬组态比例相当高，整个控制系统的网络化程度不高。
在方式二中，每个控制功能的实现都是面向网络进行设计的，只是在系统设计的最后阶段控制功能才被安排在某个具体的PLC上实现。当需要时，一个控制功能可以方便地由一个PLC转移到另一个PLC上实现。整个系统的网络化程度相当高。
由此可见，按照公式(1)进行计算，一个控制系统的网络化程度，和是否每个控制设备都使用了网络技术没有直接关系。由公式(1)计算的网络化程度，更能反映控制系统中网络技术的应用状况。
4 控制系统网络化的优点
从影响控制系统网络化程度的因素可以看到，即使控制系统采用了相同的网络技术，由于系统设计方式的不同，系统网络化程度也可能有较大的差别。那么根据公式(1)，控制系统对高网络化程度的追求，可以为系统带来哪些优点呢？
控制系统网络化程度的提高，主要有如下优点。
(1) 提高了系统功能的可分散性
网络化程度高的控制系统，硬组态控制功能比例小，更多的控制功能可以由一个控制设备分散到其他控制设备中执行，提高了控制系统的分散性。理论上，任何一个具有软组态特点的控制功能，都可以在一个独立的控制设备中完成。控制系统的网络化程度越高，其可达到的分散程度就越高。
(2) 提高了系统功能的可集中性
如果系统的控制功能是软组态的，不仅意味着它可以由一个设备分散到另一个设备中执行，同时也意味着在多个设备中的具有软组态特点的控制功能，可以集中到同一个控制设备中实现，提高了系统控制功能实现的可集中性。系统功能的实现并不是越分散越好，适当的集中也有其优点，控制系统的高度网络化为实现集中与分散的合理统一创造了条件。
(3) 增强了系统的开放性
应用协议开放的网络技术，可以实现不同厂家产品之间的集成。这种开放性的核心体现是系统组织形式灵活，可以选择不同厂家、不同型号的设备实现控制功能。如果控制功能是硬组态的，通过网络实现系统的开放性仅仅体现在系统设计时设备的选择；如果控制功能是软组态的，则无论是系统设计时还是系统已经投入使用后，都可以采用不同厂家的设备或不同型号设备去实现该功能，系统都具有良好的开放性结构，可以灵活地对系统功能的实现方式进行组织。
(4) 系统功能可移植性增强
一个控制系统，如果大多数功能是软组态的，意味着控制功能对系统硬件结构的依赖性很低，可以更方便地将控制功能从一个控制设备移植到另一个控制设备中，系统的可移植性增强。反之，如果系统的硬组态比例高，大量控制功能直接依赖设备的硬件功能和结构，则系统功能的移植要付出更多的工作。
(5) 提高了系统应用先进工艺和控制技术的能力
在许多应用领域，有些关键控制功能实现复杂、需要较大计算量。如果该功能是硬组态的，则其实现将受到设备计算能力的限制。当系统采用更先进的控制工艺或控制算法时，将可能由于设备计算能力的限制难以实现。如果该功能是软组态的，则可以灵活方便地为系统增加计算能力更强的设备完成该功能，从而促进先进工艺和控制技术的应用。一个控制系统采用先进工艺和控制技术的能力，也是系统开放性的重要体现和衡量标准。
(6) 降低系统维护费用
在硬组态比例高的系统中，控制功能难以从一个设备转移到一个新设备上，一个设备难以被不同型号的新设备所取代。为了长时间维护系统的正常生产，生产现场必须维护大量的设备备件，所需备件费用甚至超过购买最新型号设备的的费用。在网络化程度高的系统中，一个设备实现的绝大多数控制功能，可以方便地转移到其他控制设备中来完成。当替换一个控制设备时，系统硬件和控制程序所需调试时间大大缩短，在系统定修时间，一个旧设备就能够被最新型号的更先进的设备所取代，系统设备维护成本显著降低。
(7) 降低系统改造成本
在传统结构的控制系统中，由于操作站、控制站、PLC等控制设备的老化，配件难以购买等原因，会引起控制系统的大规模设备改造。在高度网络化的控制系统中，大量控制设备的更新换代可以在日常维护中逐步进行。当系统设备需要改造时，也可以尽量控制在一个较小的局部范围内，从而有效减少企业的停产时间，降低系统改造成本。
由以上优点可以看到，控制系统实现高度的网络化，可以显著提高控制系统的性能价格比，切实提高企业的效益，它将改变控制系统的设计和维护方式。这些优点也是新一代网络控制系统和以DCS为代表的传统控制系统的显著区别。
5 控制系统网络技术发展和应用水平的评估
从影响控制系统网络化程度的因素可以看到，一个是控制网络性能因素，一个是控制系统设计方式因素。这两个因素中，一个反映了控制网络技术的发展水平，一个反映了控制网络技术的应用水平。因此，公式(1)所计算的控制系统的网络化程度，可以反映控制系统网络技术的整体发展和应用水平。
5.1 控制网络技术发展水平的评估
当前，开放的现场总线技术是控制网络技术发展水平的代表。显然，使用现场总线的控制系统，和传统DCS相比，系统网络化程度有了显著提高。
目前现场总线控制周期普遍可以达到十毫秒左右，基本上可以满足慢变化过程的需要。但对于电力、冶金等行业的部分快速过程，现场总线仍难以满足控制应用的要求。因此，为了提高控制系统网络化程度，还需要高速控制网络技术的发展和应用。从目前应用水平看，高速控制网络技术应达到毫秒级的实时数据传送周期，也就是绝大多数PLC系统的最快扫描周期。这将使目前PLC系统的大多数控制功能可以通过网络实现，而不是依赖于特定的PLC设备。
高速网络技术的发展并不是盲目的，其根本目标在于提高控制系统的网络化程度。因此，在不同的应用领域，高速网络技术的需求也不同。对于慢变化过程，如果目前控制网络的通信速率和周期可以满足要求，则没必要采用高速网络技术，而应在提高网络技术的应用水平上下工夫。
5.2 控制网络技术应用水平的评估
当前，协议开放的现场总线技术在工业控制领域已经得到了广泛应用，显著增强了系统的开放性，控制系统的信息孤岛问题有了明显改善。但在实际应用中，如果用公式(1)进行计算，许多系统的网络化程度并不高，网络技术的优点没有得到充分发挥，网络技术的实际应用总体水平较低。
影响控制系统网络化程度提高的一个重要原因是，尽管网络技术被更广泛应用，但控制系统设计仍然沿袭着传统控制系统的设计思想。在以DCS为代表的传统控制系统设计思想中，控制设备在整个系统中起着核心作用，控制网络是为控制设备实现其功能服务的。控制网络主要被用来实现过程监控、设备报警、控制设备之间的安全保护等功能，较少地被用于实时回路控制。以这一设计思想设计的控制系统，大量的控制功能被局限于某个控制设备，难以实现软组态。
在新一代网络控制系统的研究和应用中，有以下几点值得注意：
(1) 现场总线技术的大量使用，并不意味着系统的高度网络化。
现场总线的使用，可以将控制功能分散到现场仪表、执行机构中执行。但现场仪表和执行机构仅仅是整个控制系统底层的设备，输入、输出数据数量十分有限，只能完成小范围的回路级控制。大量系统级别的控制，仍需要控制站、PLC等复杂控制设备来完成。这些设备上实现的控制功能是否是软组态的，将直接影响整个系统的网络化程度，并影响网络技术优点的发挥。
(2) 实现分散与集中的合理统一。
网络技术的发展与应用，尽管为控制功能的高度分散创造了条件，但控制功能并不是越分散越好。控制功能过度分散，反而会降低系统的可靠性和平均无故障时间，增加系统的设备投资和维护成本。随着控制设备计算能力的提高，系统功能完全可以进行适当的集中。例如，原先在多个控制站或PLC中实现的功能，可以通过网络集中到两个互为冗余的新型控制设备中来实现，从而降低系统设备成本和维护成本，增加系统的可靠性。尽管系统集中程度增加，但只要设计合理，按公式(1)计算，系统仍可以具有相当高的网络化程度。
(3) 实现新一代网络控制系统，关键在于系统设计思想的改变。
新一代网络控制系统，不在于是否每一个控制设备都实现了网络通信技术，更主要地是系统设计思想的变革。在新一代网络控制系统的设计思想中，网络在系统设计中将起到核心作用。当设计一个控制功能时，首先应考虑该功能是通过网络实现的，并不依赖于具体的某个控制设备。控制设备除了为系统提供硬件上的输入、输出功能外，还为系统提供计算能力。一个控制功能在某个设备上完成，只是利用该设备的计算能力，和该设备所实现的具体硬件功能无关。一个控制功能是否在某个设备上完成，是从整个系统的实现功能要求和整体结构进行考虑的。只有切实改变系统的设计思想，系统的网络化程度才能得到有效提高，网络技术的优点才能得到充分发挥。
6 结语
本文提出的控制系统网络化程度计算方法，并不是以控制系统中有多少电气、仪表、控制设备实现了网络通信功能为衡量指标，而是以控制功能是否能够通过网络实现为依据。它可以更好地描述控制网络在控制系统中的功能和作用，评估网络技术在控制领域的发展和应用水平，并对新一代网络控制系统的发展具有指导意义。
参考文献：
[1] 李江伟, 汪仁煌. 信息网络技术对工业控制技术发展的促进作用[M]. 电气自动化, 2001,23(1): 4-6.
[2] 赵瑾, 申忠宇. 网络过程控制系统的最新进展[M]. 电气自动化, 2003,25(1): 8-12.
[3] 夏德海. 应用现场总线需注意的若干问题[M]. 仪器仪表标准化与计量, 2002,(5): 15-19.
[4] 李炳宇, 萧蕴诗. 网络控制系统的应用现状与发展方向[M]. 测控技术, 2002,21(4): 1-3.
[5] 彭瑜, 孟力. 信息技术正在推进自动化技术的革命―第15届Interkama展览会评述[M]. 自动化仪表, 2001,22(12):1-5.