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案例頻道一、引言
目前，在過程控制領域中，DCS系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛的應用，占據(jù)了主導地位。但是從自動控制系統(tǒng)的發(fā)展來看，采用總線技術的FCS系統(tǒng)必將最終取代DCS系統(tǒng)。
不過經(jīng)長期的研究和實踐，DCS系統(tǒng)已建立了一套標準化、通用化和靈活化的成熟策略，為應用企業(yè)帶來了明顯地整體效益。相比較而言，F(xiàn)CS系統(tǒng)正處于探索應用階段，還未形成一種統(tǒng)一、標準的體系。因而，控制界普遍認為FCS系統(tǒng)完全替代DCS系統(tǒng)尚需經(jīng)歷一段較長的過渡時期。同時，對于一些已經(jīng)投入巨資建立有完善DCS系統(tǒng)的企業(yè)，舍棄前期投入，重新建立新型FCS系統(tǒng)是不現(xiàn)實的。因此，筆者認為，當前找到一種合理的方案，在充分利用原有DCS資源地基礎上，少量投入，采用改造的手段，來實現(xiàn)FCS系統(tǒng)功能的方式更具有實際意義。
二、DCS系統(tǒng)改造中存在的主要問題
1．直接向FCS系統(tǒng)改造經(jīng)濟代價高
目前工業(yè)控制中大量的現(xiàn)場控制儀表為模擬儀表，不具備控制和通信功能，而現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS則要求現(xiàn)場儀表是自身帶有微處理器的數(shù)字式智能儀表。但徹底替換低層儀表進行，花費是驚人的，也是不現(xiàn)實的。當然，目前市場上也有各種各樣的智能節(jié)點轉換裝置，不過這些裝置為了適應各種不同的應用環(huán)境，一般都是集成有多路輸入和輸出的通用型結構。不但價格相對較高，而且使用時比較適用于現(xiàn)場測控點集中的地方，如果測控點距離較大時，還是需要很長的接線，體現(xiàn)不出總線的優(yōu)勢。
2．FCS系統(tǒng)的功能模塊和組態(tài)控制功能還不完善
作為FCS系統(tǒng)的主體的現(xiàn)場測控節(jié)點，其組態(tài)功能模塊太少且不能執(zhí)行快速復雜的算法。在石油、化工等行業(yè)則存在有很多的多變量控制要求，對這類多輸入、多輸出點的情形，F(xiàn)CS系統(tǒng)尚無良好的解決方法。然而，具有成熟策略的DCS則有上百種功能塊，具有方便、靈活、豐富的組態(tài)能力。故就目前情況而言，存在復雜控制要求的場合，F(xiàn)CS系統(tǒng)還暫時無法完全勝任。
3．各種形式的現(xiàn)場總線協(xié)議并存
在控制領域，當前存在著40多種現(xiàn)場總線，每一類總線都有自己的總線協(xié)議，在其特定領域內(nèi)具有一定的優(yōu)勢，但還沒有一種現(xiàn)場總線能覆蓋所有的應用范圍。而現(xiàn)在各異構網(wǎng)要真正做到互可操作和互用，并不是一件容易的事情。因此，F(xiàn)CS強調的開放性就受到了限制。
三、DCS系統(tǒng)向FCS系統(tǒng)過渡的改造設想
由以上分析不難看出，盡管FCS的先進性是無庸置疑的，然而指望短時間內(nèi)在控制領域中完全替代DCS系統(tǒng)是不可能的。推廣FCS系統(tǒng)應因企業(yè)實際情況來定。具體在我國，新建企業(yè)可以優(yōu)先考慮采用FCS；但對于一個已擁有了投入運行且行之有效的DCS系統(tǒng)的企業(yè)來說，是沒有必要投入大量資金去更新它的。企業(yè)可以通過技術改造和升級系統(tǒng)的做法，循序漸進地向FCS系統(tǒng)過渡。
過渡過程的具體改造做法可以是：利用現(xiàn)場總線將DCS系統(tǒng)的現(xiàn)場級徹底開放，實現(xiàn)總線控制的功能。然后，將一定區(qū)域的低層測控點作為原DCS系統(tǒng)的一個節(jié)點“掛接”到DCS系統(tǒng)中。充分利用DCS的豐富組態(tài)和完善的策略解決復雜的控制要求以及不同總線系統(tǒng)并存的難題，使FCS系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)進行有機的結合。也就是說，在現(xiàn)場利用一些小型的測控轉換電路實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和實時控制。然后通過一塊支持這些節(jié)點的現(xiàn)場協(xié)議轉換器，使FCS成為DCS的一個節(jié)點。讓DCS控制站負責進行各種復雜的運算、控制及建模。
在這一改造設想中，所采用的測控點轉換器電路有別于目前市面供應的現(xiàn)成的智能節(jié)點轉換裝置。本設計方案中的智能轉換電路是一個具有模塊結構的電路構形。采用一塊帶有某種總線通信接口的單片機最小系統(tǒng)板為核心，根據(jù)實際情況，設計不同類型的輸入輸出的電路模塊，然后根據(jù)現(xiàn)場測控點的布局的實際情況來決定使用哪種電路進行連接使用。同樣，將單片機系統(tǒng)程序也設計為模塊結構，根據(jù)不同的硬件結構裝入不同的程序塊。這種設計成本低，投入代價小，組合靈活。能夠真正做到從原DCS系統(tǒng)結構出發(fā)，分析系統(tǒng)特點，用靈活多變的轉換器去適應DCS系統(tǒng)原有的變送器、執(zhí)行器等裝置，而不是通過改變低層儀表和設備來適應轉換裝置的方法來達到系統(tǒng)改造的目的。這種做法更有利于對原有DCS系統(tǒng)資源的運用。
同時，將FCS系統(tǒng)作為DCS系統(tǒng)的一個節(jié)點使用，這樣只要每個節(jié)點中的遵循同樣的總線協(xié)議，而不同的節(jié)點可以有著不同的總線協(xié)議。DCS系統(tǒng)可通過支持這些節(jié)點的現(xiàn)場網(wǎng)卡，有機地將這些節(jié)點構成一個大系統(tǒng)使用，因此實現(xiàn)了不同總線協(xié)議在同一系統(tǒng)中的使用了。
四、測控轉換器電路硬件的設計
本方案中測控轉換器電路設計分為4類模塊電路：CPU系統(tǒng)板、數(shù)據(jù)采集輸入板、控制輸出板和電源板。并可按需要外加單片機的顯示鍵盤電路。其中，輸入板還可分為模擬量輸入和數(shù)字量輸入兩種；同樣，輸出板也有模擬量和數(shù)字量之分。其結構如圖1所示。
本測控轉換器硬件電路設計的主要特點有：
1．可以根據(jù)實際需要的輸入、輸出以及輸入/出信號類型的不同，選擇不同的模塊電路與CPU系統(tǒng)板電路相連接，靈活組合成各類現(xiàn)場轉換器。
2．模擬量輸入模塊電路可根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過程中有關物理參數(shù)的檢測技術及特點設計，使之可以直接與現(xiàn)場變送器、傳感器連接。
3．根據(jù)原DCS系統(tǒng)的現(xiàn)場布局，合理設置輸入、輸出通道數(shù)量，并可方便地進行擴展。
4．只要保證在同一區(qū)域中使用相同的總線和總線協(xié)議，即作為DCS系統(tǒng)的一個節(jié)點采用一種總線，通過針對該總線系統(tǒng)的網(wǎng)卡“掛接”入原DCS系統(tǒng)。就可以實現(xiàn)在同一套DCS系統(tǒng)中出現(xiàn)多種不同總線結構的情況，以此解決不同總線并存使用的問題。
5．由于采用了總線控制技術，各控制回路尤其是簡單的、傳統(tǒng)的控制回路可通過總線直接實現(xiàn)控制，而不需要像原來的DCS系統(tǒng)那樣由上位機進行處理，不但可以作到真正的低層分散檢測和控制，而且控制速度也可得到大幅度的提高，提升了整個系統(tǒng)的可靠性。
五、測控轉換器的軟件設計
為了使得該測控電路具有更大的適應性和靈活度，將軟件的設計也模塊化。即將控制中所使用到的各類算法、I/O驅動程序等分別編寫成小的程序塊，在系統(tǒng)改造過程中，按實際情況靈活組合。例如：根據(jù)對不同采樣信號的要求分析，適應不同的傳感器，編寫具有針對性的子程序塊。然后，在硬件組合完成后，將適應該場合的子程序塊進行組合調試后，寫入單片機中。同理，根據(jù)不同的控制裝置編寫對應的子程序，和硬件組合后使用。
具體而言，軟件系統(tǒng)可分為兩個部分：一是控制函數(shù)庫，包含各類常用自動控制算法模塊，根據(jù)實際控制要求組態(tài)使用；二是初始化和I/O驅動程序，根據(jù)具體使用場合，配合硬件，完成通道檢測、中斷處理、I/O驅動，以及網(wǎng)絡通信等功能，如圖2所示。
六、結束語
本文作者的創(chuàng)新觀點是：提出了一種針對現(xiàn)今已經(jīng)存在的DCS系統(tǒng)進行改造的方案，不同于目前常采用的方法之處，就在于本方案是以最大限度地適應原有的DCS系統(tǒng)為立足點的。走一條低投入、高適用性的改造路線。為已具備有DCS系統(tǒng)的企業(yè)向FCS系統(tǒng)過渡，提供一套切實可行的改造方案。
參考文獻：
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