工业控制的应用现状和发展趋势

现代工业控制总线的发展趋势前言随着计算机、通信、自动控制、微电子等技术的发展，大量智能控制芯片和智能传感器的不断出现，以及在传感器、通信和计算机领域所取得的巨大成就使人们对系统综合性能尤其是安全性能提出了越来越高的要求：希望能对系统设备的工作状况进行实时监测和控制，并在此基础上实现设备的智能维护。对企业自动化设备而言，对其工作状况进行远程监测和控制，不仅可方便设备管理者随时了解设备工作状态，设备出现异常时主动报警，便于及时维修，还可拓宽设备服务范围，提高工作性能，延长使用寿命。这一目标的实现对控制网络在开放性、互连性、分散性等方面提出了更高要求。一分散控制系统(DCS)当前工业控制计算机的应用范围仍以大系统、分散对象、连续生产过程(如冶金、石化、电力)为主，采用分布式系统结构的分散控制系统仍在发展。由于开放结构和集成技术的发展，进一步扩展了大型分散控制系统的应用。1.应用现状DCS自1975年问世以来，大约有3次比较大的变革，70年代操作站的硬件、操作系统、监视软件都是专用的，由各DCS厂家自己开发并没有动态流程图，通信网络基本上是轮询方式；80年代通信网络较多使用令牌方式；90年代操作站出现了通用系统，90年代末通信网络有的部分遵循TCP/IP协议，有的开始采用以太网。20多年来，DCS已广泛应用于各工业领域并趋于成熟，成为工业控制系统的主流。虽以现场总线为基础的FCS发展很快，最终将取代传统DCS，但其发展仍面临一些问题，如统一标准、仪表智能化等。而传统控制系统的维护和改造还需DCS，因此FCS完全取代传统DCS尚有较长过程。现DCS的新产品的特点为：系统开放、管控一体化及带有先进控制软件，DCS生产厂家也从事FCS的研发、生产和推广应用。2.DCS存在的问题(1)1对1结构。1台仪表，1对传输线，单向传输1个信号。这种结构造成接线庞杂、工程周期长、安装费用高、维护困难。(2)可靠性差。模拟信号传输不仅精确度低，且易受干扰。为此采用各种措施提高抗干扰性和传输精确度，其结果是增加了成本。(3)失控状态。操作员在控制室既不了解现场模拟仪表的工作状况，也不能对其进行参数调整，更不能预测事故，导致操作员对其处于失控状态。因操作员不能及时发现现场仪表故障，而发生事故已屡见不鲜。(4)互操作性差。尽管模拟仪表已统一4～20mA信号标准，可大部分技术参数仍由制造商自定，致使不同品牌仪表无法互换。因此导致用户依赖制造厂，无法使用性能价格比最优的配套仪表，甚至出现个别制造商垄断市场的局面。3.DCS在中国因我国传统产业改造和新建工程项目对DCS的急需，80年代从国外引进了几百套DCS来装备石化、冶金、电力等行业。进入90年代，我国一些新型高科技公司进入DCS领域。目前在国内生产的DCS不仅具有价格低廉、备品备件方便的优势，而且在技术先进、组态学习容易、技术支持有力等方面都获得用户肯定。国内DCS生产的最新产品具有系统开放、兼容现场总线、管控一体化和带有先进控制软件，在技术上可初步与国外产品相抗衡。目前，我国现场控制系统一般仍采用DCS。4.发展方向DCS发展至今已相当成熟和实用，毫无疑问，它仍是当前工业自动化系统应用及选型的主流，不会随着现场总线技术的出现而立即退出现场过程控制的舞台。面对挑战，DCS将沿着以下趋势继续向前发展：(1)向综合方向发展：标准化数据通信链路和通信网络的发展，将各种单(多)回路调节器、PLC、工业PC、NC等工控设备构成大系统，以满足工厂自动化要求，并适应开放式的大趋势。(2)向智能化方向发展：数据库系统、推理机能等的发展，尤其是知识库系统(KBS)和专家系统(ES)的应用，如自学习控制、远距离诊断、自寻优等，人工智能会在DCS各级实现。与FF现场总线类似，以微处理器为基础的智能设备如智能I/O、PID控制器、传感器、变送器、执行器、人机接口、PLC相继出现。(3)DCS工业PC化：由IPC组成DCS已成为一大趋势，PC作为DCS的操作站或节点机已很普遍，PC-PLC、PC-STD、PC-NC等就是PC-DCS先驱，IPC成为DCS的硬件平台。(4)DCS专业化：DCS为更适合各相应领域的应用，就要进一步了解相应专业的工艺和应用要求，以逐步形成如核电DCS，变电站DCS、玻璃DCS、水泥DCS等。二现场总线控制系统(FCS)现场总线控制系统是继DCS之后的又一种新型工业控制系统，它的出现带来了工业控制领域的一场深刻革命。现场总线代表一种突破意义的控制思想，改变了原有控制体系结构，使模拟与数字混合的DCS更新换代为全数字现场总线控制系统，真正做到危险分散、控制分散、集中监控和全数字化。1.应用现状现场总线发展迅速，现处于群雄并起、百家争鸣的阶段。目前已开发出40多种现场总线，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、Modbus、ARCent、P-Net、FIP、ISP等，其中最有影响力的有5种，分别为FF、Profibus、HART、CAN、LonWorks，如表所示。FCS全数字化通信使过程控制具有更高可靠性，从传感器、变送器到调节器，均为数字信号，这就使得复杂、精确的信号处理得以实现。因采用数字总线式通信线路代替DCS1对1的I/O连线，对于大规模I/O系统，减少了由连线带来的不可靠，同时也降低了布线成本。此外FCS还具有互操作性、分散性、EIC(电气传动、仪表、计算机)一体化等优点。在由现场总线构成的FCS中，仪表实际上已成为具有综合功能的智能仪表。EIC一体化结构恰恰是钢铁工业自动化用得较多而又急需的控制系统结构。2.现场总线存在的不足现场总线是一种正在发展中的技术，在许多方面还需改善。IEC61158规定了FF、Profibus、WorldFIP等8种现场总线标准，还有一些事实上的标准，如LonWorks和CAN总线等。现有8种现场总线为国际标准，它们采用的通信协议完全不同，因此要实现这些总线的兼容和互操作十分困难。许多标准的并存，将导致现场总线技术不易广泛应用。现场总线还存在着瓶颈问题，表现在：(1)总线切断后，系统有可能产生不可预知的后果；(2)在本安防爆应用中，现有防爆规定限制总线长度和总线上所挂设备数量，同时也限制了现场总线节省线缆优点的发挥；(3)系统组态参数过于复杂，不易掌握，而其设定的好坏对系统性能影响很大。3.现场总线在中国以智能化现场仪表为基础的现场总线系统与传统系统相比，其优点不仅在控制方面，更多的是在自诊断、自校正等自动管理方面。但国内使用的系统规模一般不大，没有把管理自动化和远程诊断功能纳入系统，因此无法发挥FCS降低运行维护费用的优势，所以与传统产业相比，现场总线的优点没有完全体现出来，现在国内还有很多企业对现场总线技术和产品是否成熟可靠持怀疑态度。现场总线在中国需进一步促进其快速发展，最主要的则是推动企业对现场总线的应用。我国是发展中国家，还不拥有自主版权的现场总线。我们应谨慎对待出现在现场总线问题上的争论，它已阻碍了工业自动化领域网络技术的发展和产品的更新换代，我们应抓住网络发展的新机遇，努力发展我国自己的现场总线网络产业。4.发展方向现场总线是一种正在发展的技术，在过程控制领域对其要求是：(1)改善实时性，不允许有不确定性；(2)克服本安防爆对总线中节点数和电缆长度的限制，加强现场总线本安概念理论研究；(3)实现可互操作性和信息处理现场化。今后，对上述3方面还要进行积极研究、不断探索。实时性和可互操作性是以太网在工业现场应用所要解决的重要问题。由于Ethernet技术的快速发展，其介入控制已成为事实。Ethernet的主要特点是：数字式互连网络、可操作性、开放性和高网络功能。网络功能包括实时性、可靠性等。而开放性最为重要。Ethernet是世界上应用最为广泛的计算机通信技术之一，受到广泛技术开发支持，而且已使用多年，具有大量软、硬件资源和开发设计经验。在以太网上层应用的TCP/IP协议也已开发较成熟；绝大多数PC机均提供以太网接口，操作系统也已配备TCP/IP协议；以太网适配器及其相关产品价格低廉，一块以太网网卡的价格只是Profibus、FF等现场总线网卡的一小部分；而且许多现场总线标准已向上支持以太网，其中主流现场总线FF于2000年3月宣布用以太网增强H2的方案。因此，一般认为整合Ethernet和TCP/IP技术的现场总线是今后发展的主流体系和应用热点。三以太网(Ethernet)开放的以太网是20多年来发展最为成功的网络技术，并导致了一场信息技术的革命。1.应用现状工业自动化控制系统网络结构发展越来越分散化，同时系统越来越复杂，内部连接越来越高速化、紧密化，更多的是系统细分成为独立控制孤岛，对驱动器和用户接口需求越来越多。而无论如何传统PLC技术无法满足该要求，现场总线技术也不能提供相关性能。只有通过网络技术来解决，而在所有网络技术中，以太网技术是最理想的选择。目前以太网还只适合于工业控制网络系统的信息层应用。以太网是Byte级网络，只能部分代替现场总线作用，而将以太网用于现场I/O级，这是目前工控领域研究的热点之一。2.Ethernet的优势与以往控制网络相比，以太网应用于工业控制具有以下的优势：(1)更高的通信带宽。以太网是一种成熟、快速的网络协议，数据传输速率为10～100Mb/s。新一代以太网传输速率更快，可达1Gb/s，能满足不断增长的数据通信需要，成为企业范围的主干网络。(2)实现现场设备层和企业管理层的无缝连接。以太网早已成为企业管理网络的首选，将其应用于现场设备控制网络，将实现企业信息网络和控制网络的融合，促进整个企业信息化的集成。(3)控制系统成本降低。主要体现在两方面：支持以太网通信的网络设备较低；熟悉以太网网络操作的用户较多，整个系统培训、维护都较容易。(4)更高稳定性。光纤网络已成为Internet的主干网络，光纤所具有的良好抗噪声干扰性能使得以太网更适合在实时监控的高噪声设备现场环境。3.Ethernet在中国的应用目前国内对工业控制网络领域的理论研究主要局限于现场总线网络，部分学者对建立工业以太网控制网络进行了探讨，但仍停留在概念上，未能进入实质性研究阶段，实际应用还不多。就目前我国网络控制实际情况和发展要求，工业控制系统将普遍以现场总线和DCS相结合作为控制系统的底层和中层，用于工业现场；而将以太网用于控4.发展方向基于以太网的控制网络所具有的上述优点是目前现场总线技术所无法比拟的。另外，随着宽带以太网与交换式以太网技术的发展，以太网作为控制网络在控制实时性方面的问题正在逐步得以解决。虽然以太网采用的是带碰撞检测的载波侦听多路访问协议(CSMA/CD)，一般认为该协议不能满足控制系统实时性要求，但100Mb/s以太网已开始广泛应用，千兆以太网产品也已出现；而且以太网交换技术的出现，通过全双工交换技术，可完全避免CSMA/CD中的碰撞；还可方便实现优先级机制，实现网络带宽的最大利用率和最好实现性能。所以，未来工业控制系统的发展方向必然是通过工业Ethernet网络实现互连，最后连接到Internet。四基于嵌入式Internet的工业控制1.新型传感器的出现带给工业控制网络的变革随着人类探知领域的不断拓展和需获得电子信息种类的日益增加，传感器技术已成为现代信息技术的三大核心之一，并被视为现代高科技发展的关键技术。传感器技术的进步不仅表现在灵活、可配置功能结构上，在信号传输和远程通信能力方面也有惊人突破，新一代传感器可借助Internet相互传递信息。传感器技术的发展极大带动了测试、控制等相关领域技术的发展，尤其在工业控制方面，各种不同功能的传感器作为嵌入式设备分布在测控设备现场，获取用于控制的现场设备信息。新一代IP传感器，基于嵌入式Internet技术构造，在智能传感器基础上实现了嵌入式Web服务器技术，支持HTTP/TCP/UDP/IP等通信协议，并采用以太网标准接口，实现了现场设备和Internet的直接通信。IP传感器的功能模块图如图1。它解决了设备直接上网的问题，使得对于现场设备的控制不再受到空间