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1  引言

    DCS從1975年問(wèn)世，至今已發(fā)展了30年。我國(guó)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(hào)的DCS大約有二十幾種，應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。我國(guó)以?xún)x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(kāi)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(lái)兩者彼此有些滲透，PLC也能完成DCS的功能，但在算法方面沒(méi)有DCS那樣多，組態(tài)沒(méi)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(kāi)放性能也沒(méi)有PLC好，所以一些DCS的市場(chǎng)被PLC占領(lǐng)。但一些比較復(fù)雜的控制（如電廠(chǎng)中的控制）和過(guò)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(hào)的DCS、PLC、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）之間都無(wú)法通信，它們是相對(duì)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(zhuān)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(xiàn)）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(kāi)發(fā)專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)軟件或OPC服務(wù)器。對(duì)于老的DCS來(lái)說(shuō)，操作站、控制器、I/O卡件和通信網(wǎng)絡(luò)等都是專(zhuān)用的，甚至插頭、插座、電纜、硬盤(pán)、鍵盤(pán)等都是專(zhuān)用的。有人稱(chēng)DCS為自動(dòng)化的"信息孤島"。由于DCS的銷(xiāo)量小，所以?xún)r(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(zhuān)用的接口和專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)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(lái)賣(mài)，人機(jī)界面可以由用戶(hù)自己配，許多通用的監(jiān)控軟件也提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)軟件，人機(jī)界面的價(jià)格相對(duì)的比DCS的要低一些。不同型號(hào)的PLC，可以采用相同的監(jiān)控軟件，只是采用不同的驅(qū)動(dòng)就可以了，這種通用的人機(jī)界面開(kāi)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(wèn)題及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

    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(chǎng)應(yīng)用來(lái)看，人機(jī)界面、控制器、I/O卡件三級(jí)硬件結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)、控制器與人機(jī)界面相連的兩層網(wǎng)絡(luò)還將維持較長(zhǎng)的時(shí)間，有人稱(chēng)之為3+2結(jié)構(gòu)。有關(guān)專(zhuān)家預(yù)言，在最近的20年內(nèi)，不會(huì)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(kù)等。操作站和控制器除操作系統(tǒng)外，主要有三種類(lèi)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(kù)，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(kù)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(shì)、報(bào)警綜合、各種報(bào)表、動(dòng)態(tài)流程圖和各種標(biāo)簽。控制器的編程平臺(tái)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(shí)。監(jiān)控軟件完成顯示，并和標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫(kù)交換數(shù)據(jù)。由驅(qū)動(dòng)軟件形成DCS的標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫(kù)，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(xiě)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(guó)應(yīng)用比較多的如國(guó)外的InTouch、iFIX、Citect、Cimplicity、WinCC和RSView等，國(guó)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(méi)有這種型號(hào)的驅(qū)動(dòng)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(yǔ)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(kù)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(méi)有確立國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，各家的軟件編制差別很大。即使同一個(gè)型號(hào)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(hù)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(lái)畫(huà)圖和建立標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫(kù)，而且，在同一個(gè)操作站內(nèi)建立數(shù)據(jù)庫(kù)、做趨勢(shì)、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(lái)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?duì)象有相似的地方，尤其在做控制系統(tǒng)改造時(shí)，被控對(duì)象是不會(huì)改變的，閥門(mén)還是閥門(mén)、管道還是管道，只是人們?cè)诿枋鲞@些事物時(shí)，采用不同方法而造成很大的區(qū)別。在用戶(hù)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(chǎng)采用兩種以上型號(hào)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(dòng)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(dòng)軟件，如Modbus、以太網(wǎng)等，但是它缺乏老系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)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(huì)在短時(shí)間內(nèi)退出市場(chǎng)，這樣也影響Movicon的應(yīng)用范圍。

2.2  I/O
    原來(lái)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(hào)的DCS由它們自己定制的AI卡接收現(xiàn)場(chǎng)來(lái)的4~20mA信號(hào)，經(jīng)過(guò)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(kāi)關(guān)量信號(hào)。由AO卡經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后送4~20 mA的信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。DO卡送開(kāi)關(guān)量給現(xiàn)場(chǎng)。

    目前在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的變送器和閥門(mén)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(mén)的價(jià)格比較高，還沒(méi)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(chǎng)總線(xiàn)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(hù)選擇，與人機(jī)界面、控制器集成以后成為DCS系統(tǒng)，如美國(guó)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(mén)子的PLC的I/O，大大減少產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間。

2.3  現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)
    所謂現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是指現(xiàn)場(chǎng)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(duì)于一些現(xiàn)場(chǎng)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(xiàn)、Modbus總線(xiàn)的接口。在控制器的I/O這一級(jí)現(xiàn)在應(yīng)用的有40多種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，其中有12種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)已經(jīng)成為國(guó)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(chǎng)總線(xiàn)的接口，兩者同時(shí)應(yīng)用，效果更好。現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)傳輸遠(yuǎn)程I/O信號(hào)，近程的I/O仍然可以采用定制I/O卡件。如果采用FF總線(xiàn)，因?yàn)镕F總線(xiàn)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(xiàn)和HART總線(xiàn)，作為控制器的I/O，控制器把它們用不同的驅(qū)動(dòng)軟件集中起來(lái)，一個(gè)控制器可以連接幾條現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，擴(kuò)大系統(tǒng)。DeltaV系統(tǒng)既可以接收模擬信號(hào)，也可以接收現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的信號(hào)，所以銷(xiāo)路很好。又如SDS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(lái)投票通過(guò)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(lái)的，F(xiàn)F是低速總線(xiàn)，HSE是高速以太網(wǎng)總線(xiàn)。其它都是從可編程控制器發(fā)展起來(lái)的。PNet、SwiftNet是在專(zhuān)用領(lǐng)域內(nèi)使用。其它9種總線(xiàn)的競(jìng)爭(zhēng)是很激烈的，在近期內(nèi)作為標(biāo)準(zhǔn)的總線(xiàn)和不作為標(biāo)準(zhǔn)的總線(xiàn)共存，隨著時(shí)間的推移，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)將會(huì)只有幾種占主導(dǎo)地位。好幾種總線(xiàn)都有國(guó)際化組織，各自都企圖拓寬自己的應(yīng)用領(lǐng)域，并極力開(kāi)發(fā)與其它總線(xiàn)的接口。

    我國(guó)在1995年就積極參加國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的工作，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，盡量參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。日本承認(rèn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)是在21世紀(jì)，日本的總線(xiàn)開(kāi)發(fā)比較晚，通常也不符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，在DCS開(kāi)發(fā)方面，與歐美相比，尤其在通信方面，要晚一些。現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是由美國(guó)、歐洲發(fā)起的，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化也是由它們主持的。CC-link雖然沒(méi)有成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，但它有國(guó)際化組織，通過(guò)500家會(huì)員公司銷(xiāo)售、使用自己的產(chǎn)品，在我國(guó)也有40多家會(huì)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(chǎng)總線(xiàn)正在蓬勃發(fā)展。以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是值得關(guān)注的總線(xiàn)。把以太網(wǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，使得現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的競(jìng)爭(zhēng)更加激烈。施耐德開(kāi)發(fā)的設(shè)備能與多種總線(xiàn)相連接，它提出e網(wǎng)到底的總線(xiàn)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(kāi)的，許多現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)軟件。Modbus信號(hào)既可以通過(guò)RS485來(lái)傳輸，也可以通過(guò)以太網(wǎng)來(lái)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(dòng)化中使用，如果成為工業(yè)產(chǎn)品在價(jià)格上會(huì)貴一些。總的來(lái)說(shuō)，以太網(wǎng)應(yīng)用比較多，比其它現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(guó)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(wèn)題現(xiàn)在基本都已經(jīng)解決，但以太網(wǎng)的本質(zhì)安全問(wèn)題仍然存在。

    雖然把以太網(wǎng)作為工廠(chǎng)自動(dòng)化最底層的總線(xiàn)還存在一些問(wèn)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(shí)，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(chǎng)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(chēng)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(chǎng)總線(xiàn)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(lái)老DCS的工程師站。不過(guò)原來(lái)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?lái)DCS的控制器的CPU的運(yùn)算速度不夠快，存儲(chǔ)器的容量小，為了合理利用CPU的運(yùn)算能力和節(jié)省存儲(chǔ)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(chǔ)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(wú)力過(guò)問(wèn)。

    由于PC機(jī)運(yùn)算速度的提高、存儲(chǔ)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(wèn)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(chǔ)問(wèn)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，就是IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，它能用5種語(yǔ)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(guó)的Incontrol，德國(guó)的CoDeSys、OpenPCS，英國(guó)的MOST和俄羅斯的Trace Mode等，中國(guó)也開(kāi)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(guó)CJ公司開(kāi)發(fā)的，加拿大Altersys和英國(guó)ICS Triplex公司購(gòu)買(mǎi)了知識(shí)產(chǎn)權(quán)。到目前為止，已經(jīng)有五百多廠(chǎng)家的硬件采用它作為編程平臺(tái)，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(tái)。

    德國(guó)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(chǎng)總線(xiàn)相連。PC機(jī)的編程軟件都符合IEC61131國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

3  結(jié)語(yǔ)

    由于自動(dòng)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(chǎng)，不僅以后系統(tǒng)的備件會(huì)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(wú)論是現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)、以太網(wǎng)還是人機(jī)界面，各種產(chǎn)品都很多，用戶(hù)可以根據(jù)需要選擇，開(kāi)發(fā)商的重要工作是設(shè)計(jì)控制器和多種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的接口。系統(tǒng)集成將在工業(yè)控制中起重要作用。