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         集成PLC與DCS的新型過(guò)程控制系統(tǒng)
 

可編程序控制器（PLC）及集散控制系統(tǒng)（DCS）是目前工業(yè)控制領(lǐng)域*泛使用的兩種控制技術(shù),， 它們各自具有明顯的優(yōu)勢(shì)及劣勢(shì)， 如PLC在高速的順序控制中占主導(dǎo)地位,， 而DCS則在復(fù)雜的過(guò)程控制中占優(yōu)勢(shì),； PLC體積小,， 使用靈活， 價(jià)格相對(duì)較低,， 但在通訊功能及管理能力方面不及DCS,， DCS雖然通訊及管理能力較強(qiáng)， 但體積大,， 價(jià)格相對(duì)較高. 在這種情況下,， 用戶期望得到一種集PLC與DCS優(yōu)點(diǎn)于一體的控制系統(tǒng)， 這種混合式控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱HCS）應(yīng)既能實(shí)現(xiàn)邏輯及順序控制,， 又能很好地完成過(guò)程控制,， 同時(shí)還應(yīng)具有管理功能， 且體積小,， 價(jià)格較低,， 可靠性高。一些自控設(shè)備生產(chǎn)廠商已有產(chǎn)品問(wèn)世,， Rockwell公司新近推出的Allen-Bradley（A-B）品牌ProcessLogix過(guò)程控制系統(tǒng)便是其中一例,。

本文將介紹一種混合式控制系統(tǒng)， 既吸取傳統(tǒng)DCS“管理集中,， 控制分散”的設(shè)計(jì)精髓,， 又保留傳統(tǒng)PLC所固有的靈活性及低價(jià)位等優(yōu)點(diǎn)， 適用于離散控制,、順序控制及連續(xù)控制場(chǎng)合,， 以成本來(lái)完成高技術(shù)的自動(dòng)化。

一,、PLC與DCS比較

如果按從弱至強(qiáng)將PLC與DCS的性能劃分為1至10個(gè)等級(jí),， 則可將它們的對(duì)比列于表1

表1　PLC與DCS的比較

早期的PLC以數(shù)字量的順序控制為主。隨著PLC功能不斷擴(kuò)充,，PLC增加了模擬量控制功能,、PID調(diào)節(jié)功能、通訊聯(lián)網(wǎng)功能及分級(jí)控制功能等,，在過(guò)去DCS占統(tǒng)治地位的化工,、冶金等行業(yè)也可由PLC進(jìn)行控制。但PLC難以組成大型,、復(fù)雜,、綜合的系統(tǒng)，如果過(guò)多的PC企圖通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與過(guò)多的PLC通訊，則可能導(dǎo)致瓶頸現(xiàn)象及計(jì)時(shí)上的困難,。

DCS是由模擬儀表控制系統(tǒng)發(fā)展而來(lái),，初期的功能以回路調(diào)節(jié)為主，之后又加入了順序控制的功能,。DCS的設(shè)計(jì)思想是操作管理集中,，控制分散以提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性及管理能力。DCS的上述優(yōu)勢(shì)使它在控制系統(tǒng)市場(chǎng)仍占主流,。 但DCS比PLC價(jià)位高,，對(duì)一些資金有限的中小型企業(yè)有時(shí)難以承受。

本文探討的這種混合式控制系統(tǒng)整合了PLC與DCS的優(yōu)勢(shì),，對(duì)需要實(shí)現(xiàn)低成本自動(dòng)化（LCA）的場(chǎng)合尤為適用,。

二、混合式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1　混合式控制系統(tǒng)

圖1所示為混合式控制系統(tǒng),。該系統(tǒng)主要以DCS的設(shè)計(jì)思想為基礎(chǔ),，綜合PLC與DCS的各自優(yōu)勢(shì)。它主要由系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò),、 操作員工作站,、中央服務(wù)器、控制器及輸入/輸出（I/O）模塊等部分組成,。

1,、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

　　對(duì)DCS而言，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心,，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,、可靠性和可擴(kuò)充性起著決定性的作用。對(duì)混合式控制系統(tǒng)也是如此,。

如圖1所示,，HCS是分級(jí)控制系統(tǒng)，共分兩級(jí)：操作管理級(jí)及過(guò)程控制級(jí),。操作管理級(jí)的各項(xiàng)設(shè)備——操作員工作站及中央服務(wù)器由N1網(wǎng)連接,。N1網(wǎng)是一局域網(wǎng)（LAN），對(duì)它的要求是能以較高的速率傳輸大量數(shù)據(jù),，可選用Ethernet（以太網(wǎng)）或ARCNET,。Ethernet采用載波偵聽(tīng)/多路訪問(wèn)協(xié)議，具有10Mbps及100Mbps的通訊速度,，但它不具備實(shí)時(shí)性,；ARCNET采用令牌傳輸協(xié)議，具有2.5Mbps的通訊速度,，具有好的實(shí)時(shí)性,。N1網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)可采用星形,、總線形、混合形等,。總線結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)比較成熟,，施工相對(duì)簡(jiǎn)單,，節(jié)點(diǎn)的加入或退出也無(wú)需中止網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，是工業(yè)控制網(wǎng)常用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),。N1網(wǎng)的傳輸介質(zhì)可使用雙絞線,、同軸電纜或光纖。

N2網(wǎng)將過(guò)程控制級(jí)的控制器與控制器,、控制器與遠(yuǎn)程I/O,、遠(yuǎn)程I/O與遠(yuǎn)程I/O連接起來(lái)，并使之與中央服務(wù)器相連. 對(duì)N2網(wǎng)的要求是實(shí)時(shí)性,，即一旦N2網(wǎng)上某節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù),，則該網(wǎng)絡(luò)上所連接的各節(jié)點(diǎn)應(yīng)能同時(shí)接收到該數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,。這一點(diǎn)對(duì)實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的過(guò)程控制十分重要,。N2網(wǎng)還具有其它特性，如給網(wǎng)絡(luò)添加新設(shè)備不會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)通訊擁塞,，*消除系統(tǒng)瓶頸現(xiàn)象,；開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)使它與PLC、智能馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器等其它設(shè)備相兼容,。

A-B的ProcessLogix過(guò)程控制系統(tǒng)N1網(wǎng)采用總線結(jié)構(gòu)的Ethernet,，N2網(wǎng)采用A-B自己的ControlNet網(wǎng)絡(luò)，如果采用中繼器,，傳輸距離可達(dá)30km,。

2、操作員工作站

操作員工作站是HCS與用戶進(jìn)行信息交換的設(shè)備,，其主要功能是為運(yùn)行操作人員提供人機(jī)界面,，使操作人員及時(shí)全面地了解系統(tǒng)運(yùn)行情況，并對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制,。隨著微型計(jì)算機(jī)性能的不斷提高,，操作員工作站可由PC機(jī)承擔(dān)，由于操作員工作站與中央服務(wù)器通過(guò)局域網(wǎng)相連,，所以欲添加一個(gè)操作員工作站十分容易,，只要在N1網(wǎng)上增加一個(gè)PC機(jī)并讓中央服務(wù)器為新添加的操作員工作站提供客戶軟件即可。

3,、中央服務(wù)器

所有的系統(tǒng)信息,、報(bào)告及總數(shù)據(jù)庫(kù)由中央服務(wù)器統(tǒng)一管理,，以實(shí)現(xiàn)信息集中管理。中央服務(wù)器用Windows NT為操作系統(tǒng),，配以系統(tǒng)應(yīng)用軟件,，還可與企業(yè)管理系統(tǒng)相連。DCS的組態(tài)功能在HCS中也由中央服務(wù)器提供,。工程師可利用中央服務(wù)器的系統(tǒng)應(yīng)用軟件來(lái)修改或添加控制配置并下載至控制器中,。

4、控制器

控制器為自動(dòng)控制系統(tǒng)中的控制中樞,。HCS的控制器與PLC一樣采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu),，主要包括處理器、內(nèi)存,、I/O接口,，外加通訊接口。HCS控制器的框架沿襲了傳統(tǒng)PLC的框架尺寸結(jié)構(gòu),，因而體積比DCS小得多,。雖然從尺寸與外形上看，HCS控制器與PLC極其相似,，但它絕不是PLC的簡(jiǎn)單翻版,。HCS控制器在過(guò)程控制中執(zhí)行閉環(huán)及順序控制，能勝任DCS所承擔(dān)的過(guò)程控制任務(wù),。HCS控制器采用模塊化結(jié)構(gòu)形式,，處理器模塊、本地I/O模塊,、通訊接口模塊等均插入同一框架中,，通過(guò)數(shù)據(jù)總線相連，實(shí)現(xiàn)“軟接線”,，另外,，通過(guò)N2網(wǎng)還可擴(kuò)展遠(yuǎn)程I/O模塊。

每個(gè)HCS可支持多個(gè)控制器,，而每個(gè)控制器又可支持多達(dá)上百個(gè)控制回路,。這樣由HCS便可組成較大型的控制系統(tǒng)，且控制是分散的,。如ProcessLogix控制系統(tǒng)最多可支持16個(gè)控制器,，每個(gè)控制器可支持125～150個(gè)控制回路。

5,、輸入/輸出（I/O）模塊

HCS提供了能與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)I/O信號(hào)直接相連的各種規(guī)格的I/O模塊,， 如模擬量/數(shù)字量、 直流/交流,、電壓/電流及不同電壓等級(jí)的I/O模塊等,。這些I/O模塊可與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的按鈕,、變送器、傳感器,、電磁閥門(mén)及馬達(dá)控制器等設(shè)備元件直接相連,，使用靈活方便。

三,、混合式控制系統(tǒng)特點(diǎn)

1,、分級(jí)分散控制， 集中管理

　　HCS保留了DCS信息集中,，控制分散的優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)按功能在垂直方向分為兩級(jí)：操作管理級(jí)及過(guò)程控制級(jí),。各級(jí)之間既有分工,，又有聯(lián)系，在系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下運(yùn)行,。同時(shí),，按生產(chǎn)過(guò)程作水平分解，以滿足控制遍布整個(gè)廠區(qū)的需要,。采用該分散控制結(jié)構(gòu),，將多個(gè)控制器及I/O框架分散后進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，一方面可將生產(chǎn)過(guò)程的全部信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送至中央服務(wù)器以實(shí)現(xiàn)信息集中,，另一方面避免因個(gè)別設(shè)備出現(xiàn)故障殃及整個(gè)系統(tǒng)而造成的危險(xiǎn),，提高可靠性。

2,、靈活性高及可擴(kuò)展性強(qiáng)

HCS采用模塊化及積木化的結(jié)構(gòu)形式,，用戶可選擇不同數(shù)量、不同規(guī)格的單元設(shè)備以組成不同要求,、不同規(guī)模的硬件系統(tǒng),。例如，控制器及其遠(yuǎn)程I/O均采用PLC式的模塊結(jié)構(gòu),，用戶可根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合選用不同規(guī)格的模塊,；整個(gè)系統(tǒng)采用分級(jí)分散的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式，使增加或去除某些單元不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的性能,，這種靈活的組裝方式使系統(tǒng)擴(kuò)展變得容易,，有利于工廠按當(dāng)前規(guī)模配置系統(tǒng)，提高設(shè)備的利用效率,。

3,、可靠性高

（1）冗余技術(shù)

HCS允許用戶在任何需要的關(guān)鍵部分?jǐn)U充冗余部件，以免由于某個(gè)部件失效而影響系統(tǒng)運(yùn)行,。如在控制器中加入冗余的處理器,，加入冗余的中央服務(wù)器及冗余的傳輸介質(zhì)（如同軸電纜）等,。

（2）自診斷功能

HCS系統(tǒng)軟件可在線監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)的軟硬件狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況,，可立即采取有效措施,，以防止故障擴(kuò)大。

（3）斷電保護(hù)功能

HCS控制器的處理器模塊內(nèi)裝有鋰電池,，以防止掉電而造成數(shù)據(jù)丟失,。

四、混合式控制系統(tǒng)的展望

1,、體積更小,、價(jià)格更低、功能更強(qiáng)

隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展,，HCS的控制器將采用更高性能的微處理器作為處理器,，使控制功能大大增強(qiáng)；隨著安裝布線技術(shù)的發(fā)展,，HCS可采用表面安裝及扁平封閉技術(shù),，使HCS的體積更小，價(jià)格更低,。

2,、I/O模塊更豐富多樣

由于I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備直接相連，所以I/O模塊功能的強(qiáng)弱直接影響系統(tǒng)控制能力,。為此,，各生產(chǎn)廠商競(jìng)相研制各種豐富多樣的I/O模塊，如定位控制模塊,、CRT模塊,、數(shù)控模塊、計(jì)算模塊,、語(yǔ)音處理模塊,、模糊模塊等。它們大多是自帶處理器的智能型I/O模塊,，可滿足不同場(chǎng)合的復(fù)雜控制,。如果HCS采用這些智能I/O模塊，將大大增強(qiáng)其控制功能,。

3,、引入人工智能技術(shù)

（1）在系統(tǒng)應(yīng)用軟件中采納智能控制算法，如模糊邏輯,、專家系統(tǒng),、遺傳算法,、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等高級(jí)控制算法,，形成具有人工智能的控制模塊及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),，提高系統(tǒng)的控制水平,。

（2）利用人工智能技術(shù)進(jìn)行自診斷及故障的早期預(yù)測(cè)。由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自組織自學(xué)習(xí)自適應(yīng)的能力及并行處理能力等,，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練可對(duì)HCS進(jìn)行監(jiān)控和故障檢測(cè),，并對(duì)故障作出早期預(yù)測(cè)，優(yōu)化過(guò)程控制,，提高系統(tǒng)的工作可靠性,。