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1  引言

    DCS從1975年問世，至今已發(fā)展了30年。我國在上世紀(jì)70年代末和80年代初引進(jìn)了DCS系統(tǒng)，不同型號的DCS大約有二十幾種，應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。我國以儀表控制為主的系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)代替，控制水平得到了提高。當(dāng)時(shí)，DCS主要完成以"PID"為基礎(chǔ)的諸如壓力、流量、物位和溫度等模擬量的控制，PLC完成開關(guān)量的邏輯控制。DCS代替模擬儀表，PLC代替繼電器的邏輯控制。后來兩者彼此有些滲透，PLC也能完成DCS的功能，但在算法方面沒有DCS那樣多，組態(tài)沒有DCS方便；DCS也能作一些邏輯方面的控制，但解算邏輯的速度不如PLC。DCS和PLC在不同領(lǐng)域的應(yīng)用各有些側(cè)重，由于DCS比PLC的價(jià)格高的多，開放性能也沒有PLC好，所以一些DCS的市場被PLC占領(lǐng)。但一些比較復(fù)雜的控制（如電廠中的控制）和過程平穩(wěn)的行業(yè)（如石化行業(yè)）還是偏向采用DCS。

    在20世紀(jì)90年代OPC服務(wù)器、DDE使用以前，不同型號的DCS、PLC、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）之間都無法通信，它們是相對獨(dú)立的系統(tǒng)。特別是DCS，由于人機(jī)界面、DCS網(wǎng)絡(luò)和相應(yīng)的接口是專用的，所以它更加封閉，如霍尼韋爾的TDC3000系統(tǒng)，橫河的Centum CS等系統(tǒng)從它的DCS網(wǎng)絡(luò)LCN和E NET（vl總線）上讀取數(shù)據(jù)很困難。其它DCS系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)也不容易，需要開發(fā)專用的驅(qū)動軟件或OPC服務(wù)器。對于老的DCS來說，操作站、控制器、I/O卡件和通信網(wǎng)絡(luò)等都是專用的，甚至插頭、插座、電纜、硬盤、鍵盤等都是專用的。有人稱DCS為自動化的"信息孤島"。由于DCS的銷量小，所以價(jià)格也很昂貴，而為了能讀DCS的數(shù)據(jù)，在不同系統(tǒng)連網(wǎng)時(shí)，專用的接口和專用的驅(qū)動軟件（或OPC服務(wù)器）費(fèi)用很高。與DCS相比，PLC只作為控制設(shè)備來賣，人機(jī)界面可以由用戶自己配，許多通用的監(jiān)控軟件也提供相應(yīng)的驅(qū)動軟件，人機(jī)界面的價(jià)格相對的比DCS的要低一些。不同型號的PLC，可以采用相同的監(jiān)控軟件，只是采用不同的驅(qū)動就可以了，這種通用的人機(jī)界面開放性能比較好，因?yàn)橥ㄓ玫谋O(jiān)控軟件都已經(jīng)帶OPC服務(wù)器或DDE軟件。

2  PLC存在的問題及未來發(fā)展趨勢

    改善工業(yè)控制需要在不同生產(chǎn)設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)高效、可靠、標(biāo)準(zhǔn)化的互連，使DCS在新的技術(shù)環(huán)境中發(fā)展。從現(xiàn)場應(yīng)用來看，人機(jī)界面、控制器、I/O卡件三級硬件結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場總線、控制器與人機(jī)界面相連的兩層網(wǎng)絡(luò)還將維持較長的時(shí)間，有人稱之為3+2結(jié)構(gòu)。有關(guān)專家預(yù)言，在最近的20年內(nèi)，不會改變DCS、PLC的這種結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

2.1  人機(jī)界面
    人機(jī)界面包括操作站、工程師站、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫等。操作站和控制器除操作系統(tǒng)外，主要有三種類型的軟件，它們分別是人機(jī)界面的顯示軟件，標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫，由這兩個(gè)軟件和PC硬件構(gòu)成操作站。標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫應(yīng)該有優(yōu)化軟件的接口，如神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算等。顯示內(nèi)容包括模擬量的趨勢、報(bào)警綜合、各種報(bào)表、動態(tài)流程圖和各種標(biāo)簽。控制器的編程平臺就是老DCS的工程師站。人機(jī)界面采用普通PC，Windows操作系統(tǒng)已經(jīng)成為共識。監(jiān)控軟件完成顯示，并和標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫交換數(shù)據(jù)。由驅(qū)動軟件形成DCS的標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫，讀取控制器中的數(shù)據(jù)，將運(yùn)行人員的命令下傳給控制器。為了能與第三方系統(tǒng)通訊，需增加OPC服務(wù)器，以便能讀、寫不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。目前人機(jī)界面的監(jiān)控軟件有幾十種，在我國應(yīng)用比較多的如國外的InTouch、iFIX、Citect、Cimplicity、WinCC和RSView等，國產(chǎn)的有組態(tài)王、力控等。采用這些軟件作DCS的人機(jī)界面時(shí)，應(yīng)該考查該軟件有沒有這種型號的驅(qū)動軟件或OPC服務(wù)器。如果有，就可以考慮作操作站用，然后考慮原DCS的老操作站的文本和圖形能否用軟件轉(zhuǎn)換。如果不能用軟件轉(zhuǎn)換，文本和圖形必須手工制作，需要化費(fèi)大量的時(shí)間和精力。

    比較新的軟件應(yīng)該支持VB、C++等語言，并支持ActiveX、DDE、OPC等，以便在軟件轉(zhuǎn)換和互連中起作用，并有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的功能，而且能利用微軟的一些軟件和控件。

    人機(jī)界面的主要缺陷是目前還沒有確立國際標(biāo)準(zhǔn)，各家的軟件編制差別很大。即使同一個(gè)型號的軟件，由于版本不同，相互也不能重復(fù)使用操作站的組態(tài)。使得用戶在作操作站的技術(shù)改造時(shí)，都要花很多時(shí)間和精力來畫圖和建立標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫，而且，在同一個(gè)操作站內(nèi)建立數(shù)據(jù)庫、做趨勢、報(bào)警時(shí)都要做一遍。如果大家都遵從一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來描述一件事物，就可以節(jié)省很多時(shí)間和精力，做到"一次設(shè)計(jì)，多次使用"。因?yàn)楸豢貙ο笥邢嗨频牡胤剑绕湓谧隹刂葡到y(tǒng)改造時(shí)，被控對象是不會改變的，閥門還是閥門、管道還是管道，只是人們在描述這些事物時(shí)，采用不同方法而造成很大的區(qū)別。在用戶使用時(shí)，由于采用不同的監(jiān)控軟件，造成時(shí)間和精力的很大浪費(fèi)。如果現(xiàn)場采用兩種以上型號的監(jiān)控軟件，在轉(zhuǎn)換時(shí)，也要花費(fèi)很大的精力。筆者認(rèn)為應(yīng)該把XML的技術(shù)應(yīng)用到監(jiān)控軟件的編制中。最新軟件SL-GMS已經(jīng)采用XML技術(shù)，并且具有動態(tài)圖形的能力，另一個(gè)重要發(fā)展是把監(jiān)控軟件和微軟的DNA技術(shù)結(jié)合在一起。意大利的Movicon軟件與微軟的技術(shù)結(jié)合很緊，它有許多系統(tǒng)的驅(qū)動軟件，如Modbus、以太網(wǎng)等，但是它缺乏老系統(tǒng)的驅(qū)動軟件。因?yàn)槟壳袄舷到y(tǒng)和新老系統(tǒng)是并用的，并且老系統(tǒng)不會在短時(shí)間內(nèi)退出市場，這樣也影響Movicon的應(yīng)用范圍。

2.2  I/O
    原來各系統(tǒng)的I/O都是定制的，一種系統(tǒng)一套I/O卡件，與別的系統(tǒng)不能互換。各種型號的DCS由它們自己定制的AI卡接收現(xiàn)場來的4~20mA信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，作為控制器計(jì)算的原始數(shù)據(jù)。DI卡接收開關(guān)量信號。由AO卡經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后送4~20 mA的信號給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。DO卡送開關(guān)量給現(xiàn)場。

    目前在現(xiàn)場應(yīng)用的變送器和閥門還是以模擬量的為主，數(shù)字的占很少部份。數(shù)字變送器和閥門的價(jià)格比較高，還沒有達(dá)到人們能接受的程度。在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，控制器的定制I/O和現(xiàn)場總線并用。還有一種DCS的控制器就是采用PLC的I/O卡。控制器設(shè)計(jì)一種或幾種PLC的I/O卡的接口，供用戶選擇，與人機(jī)界面、控制器集成以后成為DCS系統(tǒng)，如美國的UCOS系統(tǒng)；人機(jī)界面采用SL-GMS軟件，控制器的I/O采用AB的PLC的I/O、GE的PLC的I/O、施耐德的Quantum的I/O，西門子的PLC的I/O，大大減少產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間。

2.3  現(xiàn)場總線
    所謂現(xiàn)場總線是指現(xiàn)場儀表和數(shù)字控制系統(tǒng)輸入/輸出之間的全數(shù)字化、雙向、多站的通信系統(tǒng)。

    對于一些現(xiàn)場儀表，如秤量設(shè)備、熒光分析儀器等，大都設(shè)計(jì)有HART總線、Modbus總線的接口。在控制器的I/O這一級現(xiàn)在應(yīng)用的有40多種現(xiàn)場總線，其中有12種現(xiàn)場總線已經(jīng)成為國際標(biāo)準(zhǔn)，其余的也在使用。DCS的控制器應(yīng)該有定制I/O卡件的接口和現(xiàn)場總線的接口，兩者同時(shí)應(yīng)用，效果更好。現(xiàn)場總線傳輸遠(yuǎn)程I/O信號，近程的I/O仍然可以采用定制I/O卡件。如果采用FF總線，因?yàn)镕F總線本身有許多功能塊，能完成以"PID"為主的控制任務(wù)，所以能減輕控制器的負(fù)擔(dān)。艾默生的DeltaV系統(tǒng)采用FF總線和HART總線，作為控制器的I/O，控制器把它們用不同的驅(qū)動軟件集中起來，一個(gè)控制器可以連接幾條現(xiàn)場總線，擴(kuò)大系統(tǒng)。DeltaV系統(tǒng)既可以接收模擬信號，也可以接收現(xiàn)場總線的信號，所以銷路很好。又如SDS現(xiàn)場總線，它是霍尼韋爾的產(chǎn)品，用于管道和礦區(qū)的數(shù)據(jù)采集，作為遠(yuǎn)程的SCADA/RTU系統(tǒng)，應(yīng)用也很普遍。HART雖然不在IEC的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，但在儀表中的應(yīng)用也不少。12種國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線的其中4種是在1999年投票前就已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)的，如SDS，DeviceNet、CAN、ASI，后來投票通過的有FF、HSE、  Profibus、PNet、ControlNet、SwiftNet、WorldFIP、Interbus這8種。只有FF和HSE是從DCS發(fā)展起來的，F(xiàn)F是低速總線，HSE是高速以太網(wǎng)總線。其它都是從可編程控制器發(fā)展起來的。PNet、SwiftNet是在專用領(lǐng)域內(nèi)使用。其它9種總線的競爭是很激烈的，在近期內(nèi)作為標(biāo)準(zhǔn)的總線和不作為標(biāo)準(zhǔn)的總線共存，隨著時(shí)間的推移，市場競爭將會只有幾種占主導(dǎo)地位。好幾種總線都有國際化組織，各自都企圖拓寬自己的應(yīng)用領(lǐng)域，并極力開發(fā)與其它總線的接口。

    我國在1995年就積極參加國際標(biāo)準(zhǔn)化的工作，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，盡量參照國際標(biāo)準(zhǔn)。日本承認(rèn)國際標(biāo)準(zhǔn)是在21世紀(jì)，日本的總線開發(fā)比較晚，通常也不符合國際標(biāo)準(zhǔn)，在DCS開發(fā)方面，與歐美相比，尤其在通信方面，要晚一些。現(xiàn)場總線是由美國、歐洲發(fā)起的，國際標(biāo)準(zhǔn)化也是由它們主持的。CC-link雖然沒有成為國際標(biāo)準(zhǔn)，但它有國際化組織，通過500家會員公司銷售、使用自己的產(chǎn)品，在我國也有40多家會員公司。

2.4  工業(yè)以太網(wǎng)
    以太網(wǎng)全面進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域，不僅用在控制器和人機(jī)界面之間的連接網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)現(xiàn)場總線正在蓬勃發(fā)展。以太網(wǎng)現(xiàn)場總線是值得關(guān)注的總線。把以太網(wǎng)作為現(xiàn)場總線，使得現(xiàn)場總線的競爭更加激烈。施耐德開發(fā)的設(shè)備能與多種總線相連接，它提出e網(wǎng)到底的總線方案，意思是在整個(gè)控制系統(tǒng)中，都采用以太網(wǎng)，它把Modbus協(xié)議嵌入到以太網(wǎng)中。以太網(wǎng)應(yīng)用很廣泛，因?yàn)镸odbus協(xié)議的源代碼是公開的，許多現(xiàn)場儀表和DCS的控制器都支持Modbus。有的DCS的控制器有硬件支持Modbus，有的有Modbus的驅(qū)動軟件。Modbus信號既可以通過RS485來傳輸，也可以通過以太網(wǎng)來傳輸。

    以太網(wǎng)接口卡和交換機(jī)很多，但目前都是在辦公自動化中使用，如果成為工業(yè)產(chǎn)品在價(jià)格上會貴一些。總的來說，以太網(wǎng)應(yīng)用比較多，比其它現(xiàn)場總線部件的價(jià)格低。工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)在許多地方得到應(yīng)用。有的控制器和I/O卡都有以太網(wǎng)接口。如美國的SIXNET公司，它的產(chǎn)品一個(gè)部件有幾個(gè)以太網(wǎng)口。雖然以太網(wǎng)的時(shí)間上的不確定性的問題現(xiàn)在基本都已經(jīng)解決，但以太網(wǎng)的本質(zhì)安全問題仍然存在。

    雖然把以太網(wǎng)作為工廠自動化最底層的總線還存在一些問題，但將其用作連接人機(jī)界面和控制器之間的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)達(dá)到共識，它使得DCS能與Web相連，能與企業(yè)的ERP、MIS系統(tǒng)相連。目前這種網(wǎng)上的軟件在市場上已有不少，如OPC、DDE、Historian、INSQL、ODBC、Infoplus等。

2.5  控制器
    新DCS的控制器最多的是以PC機(jī)為基礎(chǔ)的，插卡式安裝和導(dǎo)軌式安裝的結(jié)構(gòu)應(yīng)用都很普遍，通常稱為軟DCS或軟PLC，如艾默生公司的OVATION系統(tǒng)就是軟DCS。

    DCS的控制器采用如QNX、VxWorks、pSOS等實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，向下具有多種現(xiàn)場總線的接口，如Profibus-DP、 ControlNet、HART等。在控制器中不需要預(yù)存很多常規(guī)的控制算法，可以存一些先進(jìn)的控制算法。常規(guī)算法把它們存在安裝編程軟件的PC機(jī)中，該P(yáng)C機(jī)相當(dāng)于原來老DCS的工程師站。不過原來的工程師站只是控制器的組態(tài)工具，算法是存在控制器的ROM中的。這是因?yàn)樵瓉鞤CS的控制器的CPU的運(yùn)算速度不夠快，存儲器的容量小，為了合理利用CPU的運(yùn)算能力和節(jié)省存儲器的容量，工程師站只提供組態(tài)的工具。各家的控制器硬件為了節(jié)省運(yùn)算時(shí)間和存儲空間，設(shè)計(jì)了許多處理硬件的辦法，如把算法存在控制器的ROM中，工程師站的組態(tài)方案存在NVRAM中，CPU根據(jù)組態(tài)的控制策略調(diào)用ROM中的功能塊和NVRAM中的參數(shù)。由于硬件處理方法不同，所以用于組態(tài)的工程師站也各不相同，可能差別很大，在做技術(shù)改造時(shí)，使得從事應(yīng)用的技術(shù)人員將精力消耗在掌握使用工具和使用技巧上，而控制本身卻無力過問。

    由于PC機(jī)運(yùn)算速度的提高、存儲容量的增加，芯片的大幅度的降價(jià)，人們不用考慮在這方面的問題，如PC104這樣的機(jī)器就足以解決控制方面的運(yùn)算和存儲問題。因此，現(xiàn)在把算法存在工程師站中，組態(tài)后，下裝到控制器，控制器的CPU只要按照編程軟件的組態(tài)進(jìn)行計(jì)算。所以DCS、PLC的硬件和軟件都可以設(shè)計(jì)成一樣。編程軟件已經(jīng)有國際標(biāo)準(zhǔn)，就是IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，它能用5種語言編程，它們分別是梯形圖、功能塊、指令表、結(jié)構(gòu)文本和順序功能圖。符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的軟件已經(jīng)有十多種，應(yīng)用比較多的有加拿大的ISaGRAF，美國的Incontrol，德國的CoDeSys、OpenPCS，英國的MOST和俄羅斯的Trace Mode等，中國也開發(fā)了這樣的軟件。有許多家的控制器支持相應(yīng)的編程軟件，如ISaGRAF是由法國CJ公司開發(fā)的，加拿大Altersys和英國ICS Triplex公司購買了知識產(chǎn)權(quán)。到目前為止，已經(jīng)有五百多廠家的硬件采用它作為編程平臺，設(shè)計(jì)出DCS的控制器。CoDeSys軟件也有十幾家公司的控制器采用它作為編程平臺。

    德國有幾家公司的控制器直接采用PC機(jī)的底板、微軟的Windows操作系統(tǒng)（如Windows NT、Windows 2000等），如倍福和菲尼克斯，采用PC機(jī)底板，和Interbus或其它現(xiàn)場總線相連。PC機(jī)的編程軟件都符合IEC61131國際標(biāo)準(zhǔn)。

3  結(jié)語

    由于自動控制系統(tǒng)目前正處于新老系統(tǒng)交接的時(shí)候，老系統(tǒng)的改造和新建項(xiàng)目控制系統(tǒng)的選型是很重要的事情。如果選擇的系統(tǒng)即將退出市場，不僅以后系統(tǒng)的備件會有困難，系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)也將付出很高代價(jià)。
設(shè)備向多元化方向發(fā)展，無論是現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)還是人機(jī)界面，各種產(chǎn)品都很多，用戶可以根據(jù)需要選擇，開發(fā)商的重要工作是設(shè)計(jì)控制器和多種現(xiàn)場總線的接口。系統(tǒng)集成將在工業(yè)控制中起重要作用。