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集成PLC與DCS的新型過程控制系統(tǒng)
集成PLC與DCS的新型過程控制系統(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)勢及劣勢， 如PLC在高速的順序控制中占主導(dǎo)地位,， 而DCS則在復(fù)雜的過程控制中占優(yōu)勢,； PLC體積小， 使用靈活,， 價格相對較低,， 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,， 但體積大,， 價格相對較高. 在這種情況下， 用戶期望得到一種集PLC與DCS優(yōu)點于一體的控制系統(tǒng),， 這種混合式控制系統(tǒng)（以下簡稱HCS）應(yīng)既能實現(xiàn)邏輯及順序控制,， 又能很好地完成過程控制， 同時還應(yīng)具有管理功能,， 且體積小,， 價格較低， 可靠性高,。一些自控設(shè)備生產(chǎn)廠商已有產(chǎn)品問世,， Rockwell公司新近推出的Allen-Bradley（A-B）品牌ProcessLogix過程控制系統(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)計精髓,， 又保留傳統(tǒng)PLC所固有的靈活性及低價位等優(yōu)點,， 適用于離散控制、順序控制及連續(xù)控制場合,， 以成本來完成高技術(shù)的自動化,。
一,、PLC與DCS比較
如果按從弱至強將PLC與DCS的性能劃分為1至10個等級， 則可將它們的對比列于表1
表1 PLC與DCS的比較
比較項目 | PLC控制 | DCS控制 |
高速順序控制 | 10 | 6 |
復(fù)雜過程控制 | 6 | 10 |
硬件可靠性 | 9 | 8 |
聯(lián)網(wǎng)和通訊功能 | 4 | 8 |
管理能力 | 3 | 9 |
系統(tǒng)診斷和報警 | 3 | 8 |
早期的PLC以數(shù)字量的順序控制為主,。隨著PLC功能不斷擴充,，PLC增加了模擬量控制功能、PID調(diào)節(jié)功能,、通訊聯(lián)網(wǎng)功能及分級控制功能等,，在過去DCS占統(tǒng)治地位的化工、冶金等行業(yè)也可由PLC進行控制,。但PLC難以組成大型,、復(fù)雜、綜合的系統(tǒng),，如果過多的PC企圖通過網(wǎng)絡(luò)與過多的PLC通訊,，則可能導(dǎo)致瓶頸現(xiàn)象及計時上的困難。
DCS是由模擬儀表控制系統(tǒng)發(fā)展而來,，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)計思想是操作管理集中,，控制分散以提高整個系統(tǒng)的可靠性及管理能力,。DCS的上述優(yōu)勢使它在控制系統(tǒng)市場仍占主流。 但DCS比PLC價位高,，對一些資金有限的中小型企業(yè)有時難以承受,。
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，對需要實現(xiàn)低成本自動化（LCA）的場合尤為適用,。
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)計思想為基礎(chǔ),，綜合PLC與DCS的各自優(yōu)勢,。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DCS而言,，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心，對整個系統(tǒng)的實時性,、可靠性和可擴充性起著決定性的作用,。對混合式控制系統(tǒng)也是如此。
如圖1所示,，HCS是分級控制系統(tǒng),，共分兩級：操作管理級及過程控制級,。操作管理級的各項設(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/多路訪問協(xié)議,，具有10Mbps及100Mbps的通訊速度,，但它不具備實時性；ARCNET采用令牌傳輸協(xié)議,，具有2.5Mbps的通訊速度,，具有好的實時性。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?？偩€結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)比較成熟,，施工相對簡單，節(jié)點的加入或退出也無需中止網(wǎng)絡(luò)運行,，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)將過程控制級的控制器與控制器,、控制器與遠程I/O、遠程I/O與遠程I/O連接起來,，并使之與中央服務(wù)器相連. 對N2網(wǎng)的要求是實時性,，即一旦N2網(wǎng)上某節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，則該網(wǎng)絡(luò)上所連接的各節(jié)點應(yīng)能同時接收到該數(shù)據(jù),，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,。這一點對實時性很強的過程控制十分重要。N2網(wǎng)還具有其它特性,，如給網(wǎng)絡(luò)添加新設(shè)備不會造成網(wǎng)絡(luò)通訊擁塞,，*消除系統(tǒng)瓶頸現(xiàn)象；開放式體系結(jié)構(gòu)使它與PLC,、智能馬達驅(qū)動器等其它設(shè)備相兼容,。
A-B的ProcessLogix過程控制系統(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30km。
2、操作員工作站
操作員工作站是HCS與用戶進行信息交換的設(shè)備,，其主要功能是為運行操作人員提供人機界面，使操作人員及時全面地了解系統(tǒng)運行情況,，并對生產(chǎn)過程進行調(diào)節(jié)和控制,。隨著微型計算機性能的不斷提高，操作員工作站可由PC機承擔,，由于操作員工作站與中央服務(wù)器通過局域網(wǎng)相連,，所以欲添加一個操作員工作站十分容易，只要在N1網(wǎng)上增加一個PC機并讓中央服務(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、報告及總數(shù)據(jù)庫由中央服務(wù)器統(tǒng)一管理,，以實現(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算機結(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的簡單翻版,。HCS控制器在過程控制中執(zhí)行閉環(huán)及順序控制,，能勝任DCS所承擔的過程控制任務(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,，通過數(shù)據(jù)總線相連,，實現(xiàn)“軟接線”，另外,，通過N2網(wǎng)還可擴展遠程I/O模塊,。
每個HCS可支持多個控制器,，而每個控制器又可支持多達上百個控制回路。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個控制器，每個控制器可支持125～150個控制回路,。
5,、輸入/輸出（I/O）模塊
HCS提供了能與工業(yè)現(xiàn)場I/O信號直接相連的各種規(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的I/O模塊等。這些I/O模塊可與工業(yè)現(xiàn)場的按鈕,、變送器,、傳感器、電磁閥門及馬達控制器等設(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
1,、分級分散控制,， 集中管理
HCS保留了DCS信息集中，控制分散的優(yōu)勢,。系統(tǒng)按功能在垂直方向分為兩級：操作管理級及過程控制級,。各級之間既有分工，又有聯(lián)系,，在系統(tǒng)的協(xié)調(diào)下運行,。同時，按生產(chǎn)過程作水平分解,，以滿足控制遍布整個廠區(qū)的需要,。采用該分散控制結(jié)構(gòu)，將多個控制器及I/O框架分散后進行聯(lián)網(wǎng),，一方面可將生產(chǎn)過程的全部信息通過網(wǎng)絡(luò)傳送至中央服務(wù)器以實現(xiàn)信息集中,，另一方面避免因個別設(shè)備出現(xiàn)故障殃及整個系統(tǒng)而造成的危險，提高可靠性,。
2,、靈活性高及可擴展性強
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)用場合選用不同規(guī)格的模塊,；整個系統(tǒng)采用分級分散的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式，使增加或去除某些單元不會影響整個系統(tǒng)的性能,，這種靈活的組裝方式使系統(tǒng)擴展變得容易,，有利于工廠按當前規(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)鍵部分擴充冗余部件,，以免由于某個部件失效而影響系統(tǒng)運行,。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,，以防止故障擴大,。
（3）斷電保護功能
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,、價格更低,、功能更強
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,；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)場設(shè)備直接相連,，所以I/O模塊功能的強弱直接影響系統(tǒng)控制能力。為此,，各生產(chǎn)廠商競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,、計算模塊、語音處理模塊、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)進行自診斷及故障的早期預(yù)測,。由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自組織自學習自適應(yīng)的能力及并行處理能力等，經(jīng)過訓(xùn)練可對HCS進行監(jiān)控和故障檢測,，并對故障作出早期預(yù)測,，優(yōu)化過程控制，提高系統(tǒng)的工作可靠性,。