集散控制系统、现场总线控制系统与组态软件 魏捷 沈昱明 上海理工大学 摘要 本文分别介绍了分散控制系统、现场总线以及组态软件的特点，在工业控制系统中的地位，以及三者之间的联系。并对于他们未来的发展趋势给出了简单的总结。 关键词：分散控制系统 现场总线 组态软件 1 集散控制系统(DCS—Distributed Control System) 集散控制系统又名分布式计算机控制系统,是利用计算机技术对生产过程进行集中监测、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通讯网络技术、CRT技术、图形显示技术及人机接口技术相互渗透发展而产生的。 DCS既不同于分散的仪表控制,又不同于集中式计算机控制系统,而是克服了二者的缺陷而集中了二者的优势。它具有通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、人机界面友好、安装简单规范化、调试方便、运行安全可靠的特点,适用于石油、化工、冶金、轻工、造纸等各种生产过程,能提高生产自动化水平和管理水平,提高产品质量,降低能源消耗和原材料消耗,提高劳动生产率,保证生产的安全,促进工业技术发展,创造最佳的经济效益和社会效益。 随着计算机技术、控制技术、通信技术、CRT技术等的发展以及工业生产对计算机控制水平要求的提高,管理的集中性与控制的分散性这一实际需要推动了集散计算机控制系统的发展。DCS的结构是一个分布式、分支树状结构。按系统结构进行垂直分解,它分为过程控制级和控制管理级,各级既相互独立又相互联系,每一级又可水平分解成若干子集，如图1所示。从功能分散看,纵向分散意味着不同级的不同功能,如实时控制、实时监视、生产过程管理等,横向分则意味着同级设备具有类似功能。 混合仪表或智能仪表 图1 DCS是采用标准化、模块化和系列化的设计,由过程控制级、控制管理级和生产管理级组成的一个以通讯网络为纽带的集中显示而操作管理、控制相对分散、配置灵活、组态方便、具有高可靠性的实用系统，拥有自主性、协调性、在线性与实时性、高可靠性、适应性、灵活性、可扩充性和友好性等优越性。 2 现场总线控制系统（FCS——Field Bus Control System） 现场总线的概念是随着微电子技术的发展，数字通信网络延伸到工业过程现场成为可能后，于1984年左右提出的。现场总线一般定义为：一种用于智能化现场设备和自动化系统的开放式，数字化，双向串行，多节点的通信总线，如图2所示。其主要特征： 1）数字式通信方式取代设备级的模拟量（如4-20mA,0-5V等信号）和开关量信号； 2）在车间级与设备级通信的数字化网络； 3）现场总线是工厂自动化过程中现场级通信的一次数字化革命； 4）现场总线使自控系统与设备加入工厂信息网络，成为企业信息网络底层。使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场； 5）在CIMS系统中，现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸，是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。 图2 现场总线是工业控制系统的新型通讯标准，是基于现场总线的低成本自动化系统技术。现场总线技术的采用将带来工业控制系统技术的革命。采用现场总线技术可以促进现场仪表的智能化、控制功能分散化、控制系统开放化，符合工业控制系统领域的技术发展趋势。 作为连接生产现场的仪表、控制器等自动化装置的通讯网络，现场总线是九十年代在国际兴起的新一代全分布式控制系统的核心技术。伴随着数字化时代的来临，现场总线控制系统(Fieldbus Control System, FCS)必将成为工业自动化的主流。 现场总线控制系统具有全数字化、全分布、双向传输、自诊断、节省布线及控制室空间、开放性、互操作性、智能化与自治性等优点。 现场总线控制系统通常由以下部分组成：现场总线仪表、控制器；现场总线线路 ；监控、组态计算机。这里的仪表、控制器、计算机都需要通过现场总线网卡、通信协议软件连接到网上。因此，现场总线网卡、通信协议软件是现场总线控制系统的基础和神经中枢。 3 组态软件 随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控制软件时，当工业被控对象一旦有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格非常昂贵；在修改工控软件的源程序时，倘若原来的编程人员因工作变动而离去时，则必须同其他人员或新手进行源程序的修改，因而更是相当困难。工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。 组态（Configuration）为模块化任意组合。监控组态软件主要特点： 1)延续性和可扩充性 :用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级； 2)封装性（易学易用）：组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能； 3)通用性：每个用户根据工程实际情况，利用组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的I/O Driver、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。 最早开发的组态软件是DOS环境下的组态软件，其特点是具有简单的人机界面（MMI）、图库、绘图工具箱等基本功能。随着Windows的广泛应用，Windows环境下的组态软件成为主流。与DOS环境下的组态软件相比，其最突出的特点是图形功能有了很大的增强。国外许多优秀组态软件是在英文状态下开发的，它具有应用时间长、用户界面不理想、不支持或不免费支持国内普遍使用的硬件设备、组态软件本身费用和组态软件培训费用高昂等因素，这些也正是国内组态软件在国内不能广泛应用的原因。随着国内计算机水平和工业自动化程度的不断提高，组态软件的市场需求日益增大。近年来，一些技术力量雄厚的高科技公司相继开发出了适合国内使用的通用组态软件。 组态软件最突出的特点是实时多任务。例如数据采集与输出、数据处理与算法实现、图形显示及人机对话、实时数据的存储器、检索管理、实时通信等多个任务要在同一台计算机上同时运行。 组态软件的使用者是自动化工程设计人员。组态软件包的主要目的是使使用者在生成适合自己需要的应用系统时不需要修改软件程序的源代码，因此在设计组态软件时应充分了解自动化工程设计人员的基本需求，并加以总结提炼，重点集中解决公共性问题，下面是组态软件主要解决的问题。 a)如何与采集控制设备间进行数据叫换； b)使来自设备的数据与计算机图形画面上的各元素关联起来； c)处理数据报警及系统报警； d)存储历史数据并支持历史数据的查询； e)各类报表的生成和打印输出； f)未使用者提供灵活、多变的组态工具，可以适应不同应用领域的需求； g)最终生成的应用系统运行稳定可靠； h)具有与第三方程序的接口，方便数据共享。 自动化工程设计技术人员在组态软件中只需填入一些事先设计的表格，利用图形功能把被控对象，如反应罐温度计， 锅炉趋势曲线、报表等形象地画出来，通过内部数据连接把被控对象的属性与I/O设备的实时数据进行逻辑连接。当由组态软件生成的应用系统投入运行后，与被控对象连接的I/O设备数据发生变化直接带动被控对象的属性变化。若要对应用系统进行修改，也十分方便，这就是组态软件的方便性。图3给出了组态软件的数据处理流程。 从以上可以看出，组态软件具有实时多任务，接口开放，使用灵活，功能多样，运行可靠的特点。 图3 4 三者之间的联系 FCS是在DCS的基础上发展起来的，FCS顺应了自动控制系统的发展潮流。任何新事物的发生、发展都是在对旧事物的扬弃中进行的，FCS与DCS的关系必然也不例外。FCS代表潮流与发展方向，而DCS则代表传统与成熟，也是独具优势的事物。 DCS以其成熟的发展，完备的功能及广泛的应用而占据着一个尚不可完全替代的地位。现场总线控制系统FCS应该与分散式控制系统DCS相互兼容。首先以工程成本与效益看，现场总线的根本优势是良好的互操作性；结构简单，从而布线费用低；控制功能分散，灵活可靠，以及现场信息丰富。然而这些优势是建立在 FCS系统初装的前提下，倘诺企业建立有完善的DCS，现在要向FCS过渡，则必须仔细考虑现有投资对已有投资的回报率。充分利用已有的DCS设施，现有DCS的布线以及成熟的DCS控制管理方式来实现FCS是我们应选之途。虽然现场总线对已有的数字现场协议有优势可言，但向其过渡的代价与风险是必须分析清楚的。再者，从技术的继承及控制手段上，也要求FCS与DCS应相兼容。FCS实现控制功能下移至现场层，使DCS的多层网络被扁平化，各个现场设备节点的独立功能得以加强，因此，在FCS中有必要增加和完善现场子层设备间的数据通讯功能。由于历史的原因，DCS通常拥有大型控制柜用以协调各个设备，同时更强而，当数调层与层的数据传输。可见，两种控制在策略上各具优势。DCS适用于较慢的数据传输速率；FCS则更适用于较快的数据传输速率，以及更灵活的处理数据。然据量超过一定值过于偏大时，如果同层的设备过于独立，则很容易导致数据网络的堵塞。要解决这个问题，拟设立一个适当的监控层用以协调相互通讯的设备，必然是有益的，DCS就能轻松地胜任这一工作。可见，为使FCS的控制方式和手段完善化，是有必要借鉴DCS的一些控制思想的。 　　要把握新世纪工业过程控制的发展趋势，无论在学术研究或是工程应用方面都有必要使FCS综合与继承DCS的成熟控制策略；与此同时，DCS的发展也应追寻FCS控制策略的新思想，使其具有新的生命力。DCS应能动地将底层控制权交付给FCS系统，将较高层的系统协调管理功能发扬光大，完成对新时代，新形势的工业控制系统的智能设备集成。 正如前面所讲，无论是在DCS还是在FCS系统中，组态软件都是不可缺少的。计算机技术的发展，使得设计更加完善的控制系统，获得更方便、可靠、快速的控制成为可能。工程技术人员对传统的仪表控制方式很熟悉，但往往缺乏专业的计算机知识，而专业的计算机技术人员又缺乏实际的控制经验。这样在计算机与控制之间就存在着一个巨大的障碍，而组态软件则成为逾越这一障碍的桥梁。组态软件可以提供一个良好的界面，使控制技术人员用最简单的方法随心所欲的组成自己的控制系统。 组态软件包括系统组态、过程控制组态、画面组态、报表组态,用户的方案及显示方式由它来解释生成内部可理解的目标数据。使用组态软件可以生成相应的实用系统,便于灵活更改与扩充。 以力控为例，力控的网络结构是一种分布式结构。用户的应用程序可以分散在多个服务器上，每个服务器分别处理各个监控对象的数据采集、历史数据保存、报警处理等，然后运行在其他工作站上的客户端应用程序，对这些服务器的数据进行统一监控、管理。其具体的设置如下。 客户端 力控的通信程序组件NetClient、SCOMClient和TelClient运行于客户端，分别用于完成TCP/IP、串口和拨号方式的通信功能。当要用客户端力控访问服务器端力控数据时，需要对客户端通信程序进行设置。首先要配置远程数据源，对于SCOMClient和TelClient还要设置串口参数。由于历史原因，Modem是通过串口接到计算机上的，在设置TelClient时需要配置串口参数，如：串口号、数据位、停止位、校验位、波特率等。对于一台计算机，TelClient支持同时访问多个远程服务器数据，这种情况下TelClient需要多个串口，通过多个MODEM连接多条电话线路。启动运行系统后，力控会根据远程数据源的设置，自动启动相应的通信程序组件，并按照远程设置的通信参数（如：IP地址、串口参数等）与运行在服务器端的力控软件建立通信过程。 服务器端 力控的通信程序组件NetServer、SCOMServer和TelServer运行于服务器端，分别用于完成TCP/IP、串口和拨号方式的通信功能。当客户端力控访问服务器端力控数据时，需要对上述服务器端通信程序进行设置。其中应注意：SCOMServer处指定的串口参数（指：波特率、数据位、停止位、校验）与SCOMClient要一致，指定的串口服务器的地址（0~31），就是在客户端配置串口通信方式的远程数据源时，要访问的地址。TelServer处指定的串口参数（指：波特率、数据位、停止位、校验）与TelClient要一致。 可以预言,组态软件在中国的进一步推广使用是一件大好事,它将促使我国工业自动控制技术的应用不断上台阶,并有利于培养和造就一支行业内的高技术队伍,由此缩短与发达国家生产自动化水平的差距,提高我们的工业生产品在国际市场的竞争能力。 参考文献： 1． 马国华，监控组态软件极其应用，清华大学出版社，2001年。 2． 冯丽辉，DCS、FCS、CIPS的集成与应用，工业仪表与自动化装置，2002，2：7-9。 3． 周明，现场总线控制，中国电力出版社，2002年。 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