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现场总线与控制系统
xiao_xiao1 发表于 2009/9/25 15:42:59 661 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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关键词：控制系统 现场总线
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