基于Internet的过程控制与传统的计算机控制的区别

摘要分析了基于Internet的过程控制与传统的计算机控制的区别，给出了一种如何在现有计算机控制系统的基础上，通过添加特殊的网络控制层的方法，设计基于Internet的过程控制系统的推荐方案。正文1.引言作为生产过程自动化的基础，过程控制系统从最初采用基地式仪表的就地控制，发展到采用单元组合式仪表的集中控制。随着计算机的出现和微型计算机性能/价格比的不断提高，集散控制系统逐渐成为过程控制系统的主流。近年来，随着智能仪表及现场总线技术的引入，控制系统以计算机为中心的特征日益明显。而网络经过数十年的发展已经遍布世界。不同国家和地区的人们可以通过网络协同工作，网络在高层的工业过程控制方面更有极大的工作潜力。基于Internet的远程过程控制允许用户对工业过程进行远程监控和调节，而且还可随市场的变化而变化。目前，多数基于Internet的过程控制的研究工作在论证方面已有很大成果，但在系统开发设计方法方面所做的工作却比较少。然而通常基于计算机的控制系统的设计方法由于未考虑到网络环境中信息流、网络接口及网络安全等因素，不能直接“移植”到基于Internet的远程过程控制系统。而且基于Internet的远程过程控制系统没有固定的用户，因此在设计时系统必须给所有用户提供服务。2.基于计算机的过程控制与基于网络的过程控制的关系以计算机为基础的控制已广泛应用于工业过程中。其应用范围从独立的基于计算机的控制到本地计算机基于网络的控制，比如DCS系统。图1展示了一个与互联网相连的DCS控制系统。图2展示了一个典型的给予计算机的过程控制系统结构层次，图2的过程控制系统分为以下的几个等级层次：工厂优化，监督，监管和保护。全球数据库和数据处理工厂的电脑系统都处于尖端水平，蕴含了相当大的计算能力。工艺数据库和监控位于第二层，其中许多先进的控制功能得到实施。集散控制系统和过程与保护分别位于两个相对较低的层次。建立以互联网为基础的过程控制系统的目标是在分级结构中添加一个额外的互联网级别去强化基于计算机的过程控制系统，而不是取代它。额外的互联网等级应根据控制要求妥善放置在现有的过程控制系统的分级结构中。图2展示了互联网和过程控制系统之间可能存在的联系。额外的互联网级别可能与现有的过程控制系统通过工厂优化水平，监督水平或监管水平这一级相连。因此，基于互联网的过程控制的范围被定义为过程控制体系中的互联网控制水平。互联网的控制水平如图1，作为远程监测和控制站，通过无线网络和调制解调器与现场总线相连。图1：联网的DCS图2：过程控制系统的层次结构和可能存在的与互联网的联系3.基于网络特性的设计中应该考虑的问题随着控制技术的发展，循环控制中主元素的操作原则逐渐转变为全厂监控和故障检查上。由于许多例行的功能已在基于计算机的控制系统的监控层实现，因此网络过程控制会加速这一原则的转变。网络用户接口的设计应能适应这种转换。网络用户接口的设计应能适应这种转换。实际上用户接口设计的关键在于考虑隐藏重要信息和避免不经意关闭用户程序等方面，其中关键的一点在于如何使用户得到迅速的反馈和提供借助仿真的问题解决环境。在思路上必须明确主控室外介质的利用性非常有限。Alty,Bergan等人已提出在过程控制技术中，应考虑利用“多媒体”和“虚拟现实”技术来进一步改善人机接口。以前在此领域中所做的研究都是尝试在主控室环境为过程控制操作者分别进行多媒体平台的开发。这些研究中最大的成果在于对不同接口任务如何选择最好的媒介有一个系统的理解。将媒体传输信息能力与操作者需求相匹配是十分关键的，这是因为多媒体方法是在某种媒体能比其它媒体更为有效地传递信息的假设前提下提出的，因此通过仔细地选择可提高操作者的执行效率。然而在主控室外的网络环境中没有专用软件和专用计算机可提供给用户。用户和过程之间的所有通信都应通过电脑屏幕、扬声器、键盘和鼠标完成。工厂设备和网络代理的信息交换允许代理器不仅可远程监控工厂设备的行为，同时可对质量和产量做出迅速反应。安全问题应是控制机制设计中首先考虑的问题。这里安全问题包括安全控制算法以及对实时数据和控制器安全访问的权限。对实时数据和控制器的安全访问可通过防火墙、特权限制等现存网络安全方法实现，因此设计时只考虑安全控制结构的问题。网络过程控制的另两个难题是网络延迟和用户不定。无法准确估计在网络中有多少信息流，因此基于Internet的远程过程控制不可能处理成需要精确刻化时间的闭环控制。在有些装置要求解决网络控制系统中不定用户的控制冲突问题。安全性、网络延迟与用户不定使得网络过程控制设计和基于计算机的分布式常规过程控制不同。此外对于基于Internet的远程过程控制系统而言，系统的评价和安全检查是十分重要的问题。目前，可以采用MTBE动态仿真器上的网络过程控制系统对整个系统方法的设计测试和评估来实现，但对于网络引入造成的潜在危害应有一定的系统标识，这是在设计系统时应该考虑的。4.解决方案从单机控制系统到分布式控制系统，图3显示了典型的基于计算机的过程控制系统的层次结构，说明过程控制由全厂范围内的优化、监控、调节和保护4个层次组成。总体数据库和工厂数据处理机系统处于顶层，这一部分进行重要的计算；过程数据库和监控控制处于第二层，这一部分实现高层控制函数。分布控制系统的处理和保护处于下两层。对于网络控制系统而言，提出的解决办法是在分层结构上增加一个特殊的网络层。这个特殊网络层应根据控制的要求放置在相应的控制系统层次结构的相应位置。图3中指出了在网络和过程控制系统之间可能需要连接的部分，即必须通过全厂范围优化层、监控层和管理层。此方案说明扩展了的过程控制系统可适用于网络环境。从图3中可以看出，网络过程控制应与过程控制分层图相应层次连接，以便有效地实现上面所提到的控制任务，同时必须减少网络层与现存控制层的通讯。在设计系统体系结构时必须考虑用户需求及现有硬、软件工具（如：通讯协议、数据交换机制等）。其中关键在于对体系结构的改变所产生的优、缺点。图3：过程控制系统的层次结构及与Internet互连的可能方式表1给出了可能的连接方案的粗略估计。在系统比较连接的特性后，可对表1进行进一步扩充，从而给出全面的评价。另外，工厂设备与网络代理的信息交换可通过关系数据库或实时数据库实现。现有控制层信息交换优点缺点全厂范围优化层总体数据库易实现过程控制中全厂范围信息不利于实时监控和控制任务监控层过程数据库易实现实时状态下过程控制，适合实现高层控制易失去管理信息常规层PLC，控制单元允许控制器直接和网络通讯直接访问控制器不利于实现，也不安全表1：网络控制层和现有控制层的可能连接参数控制虚拟基底（VSPC）对网络控制而言是一种可行方法。控制器的具体功能可在本地过程控制机实现。VSPC仅在要对局部过程控制计算机改变诸如集合点和PID控制参数时调用。新的VSPC参数的集合总是在下一次迭代时输入本地过程控制计算机。VSPC与本地过程过程控制器协调和冲突解决是VSPC设计的关键。VSPC的一个好处在于通过现存DCS和PLC技术可调度网络控制系统。由于本地过程控制计算机像冗余系统一样工作，因此VSPC有很高的安全性。由于本地过程控制计算机与VSPC之间通信的限制，因而系统可能不会因延迟有很大影响。VSPC在有些情况下不能满足上述网络控制功能的需求，因此应与网络控制结合。例如，远程用户应可在本地过程控制计算机上实现的基于模型的高级多变量控制。此时网络控制层的输出是一个启动命令和一些对基于模型高级多变量控制初始化条件。对于系统评价与安全检查方面的问题，网络过程控制系统应从监视层和控制的各方面进行评估。表2给出了在系统评价中应考虑的两类机制——监视功能和控制功能。而计算机控制的工厂危害分析应扩展到网络过程控制的安全检查。网络可视为过程控制时间框图（PCED）中一个功能层。PCED应包括控制系统是否该设计的有关信息。监控功能控制功能可利用性可靠性工厂动态执行特征交互的快速反应提供总体信息访问功能提供直接实现的一种途径表2：系统评价的要素5.总结该文提出了在现有计算机控制的基础上，通过添加特殊的网络控制层，实现基于Internet的过程控制系统的一种设计方案。由此可知基于Internet的过程控制系统具有以下几方面的特征：相关人员可利用网络接口在网络每一节点访问工厂网络，无需安装专用软件。他们也可不必使用专用计算机远程监控诸如化工过程、制药过程和大型工作站。工厂设备可由地理上不同的地区通过专用设备管理。这将在合作领域造成极大的影响。基于Internet的过程控制系统可在远程技能培训方面发挥作用。学生可在校外操作过程控制实验室的设备，然后通过网络访问结果。控制系统易访问的特点，会使数据有更好的共享性，也可作为数据采集和数据仓库的信息源。参考文献1.梁莉,李强.工业计算机网络在控制系统中的应用[J]计算机工程,2002,(10).2.尹敏,谭连生,杨双华,赵甫哲.基于Internet的远程过程控制系统设计[J]计算机工程于应用，2002，（21）.3.杨清宇,施仁.基于因特网的工业控制网络体系结构研究[J]信息与控制，2002，（05）.4.朱丹军,冯博琴,龚曙文.实时网络通信系统的分析和设计[J]工业控制计算机，2002，（09）.