DCS、FCS、CIPS 3種系統(tǒng)的集成與應用

1　引　言

　　隨著生產(chǎn)由簡單過程向大型化、連續(xù)化、集成化和復雜化方向發(fā)展，與之相應的控制技術、控制理論、控制系統(tǒng)和控制工具都發(fā)生了很大的變化。即控制技術由單變量控制技術發(fā)展到多變量協(xié)調控制技術；控制理論由經(jīng)典控制理論（基于頻域法）發(fā)展到現(xiàn)代控制理論（基于時域法）和智能控制理論（基于規(guī)則、知識）；控制系統(tǒng)由簡單控制系統(tǒng)（如：PID控制、串級、比值、前饋、Smith等）發(fā)展到先進控制系統(tǒng)（如：預測、推斷、模糊、神經(jīng)、魯棒等控制）和綜合自動化系統(tǒng)（控制、管理與決策一體化）；控制工具由常規(guī)儀器儀表發(fā)展到計算機及其網(wǎng)絡。

　　計算機技術的發(fā)展為先進控制的實現(xiàn)奠定了物質基礎，而控制技術的應用又促進了計算機技術的發(fā)展，兩者密切相關。以計算機為主的控制系統(tǒng)經(jīng)歷了DDC（Direct Digital Control—單機控制系統(tǒng)）、DCS（Distributed Control System—集散控制系統(tǒng)）、FCS（Field Bus Control System—現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）和CIPS（ComputerIntegrated Process System—計算機集成過程控制系統(tǒng)）四個發(fā)展階段。

　　DDC控制集中、危險也集中，一般采用雙機／多機系統(tǒng)冗余結構，來保證控制系統(tǒng)的可靠性。為進一步提高控制系統(tǒng)的可靠性，70年代中推出了DCS系統(tǒng)。80年代中～90年代初是DCS發(fā)展的頂峰時期，DCS應用廣泛，技術成熟。國內企業(yè)紛紛引進各種成套的DCS產(chǎn)品，如Honywell的TDC－3000／S9000、WestingHouse的WDPFⅡ／Ⅲ、Bailey的INFI－90、Foxboro的I／AS系、橫河的Centum－XL／μXL等。但各廠家的DCS自成封閉的通信體系，難以實現(xiàn)企業(yè)內各種DCS系統(tǒng)的集成與綜合。

　　90年代出現(xiàn)的新型FCS則突破了DCS系統(tǒng)中通信由專用網(wǎng)絡的封閉系統(tǒng)來實現(xiàn)所造成的缺陷，把基于封閉、專用的解決方案變成了基于公開化、標準化的解決方案。FCS及其應用是當今研究的熱點。

　　以現(xiàn)場總線／DCS為基礎的綜合自動化系統(tǒng)CIPS集過程控制與綜合管理（經(jīng)營決策、管理、計劃、調度等）于一體，便于企業(yè)能快速適應風云變換的市場，以增強企業(yè)的競爭力。CIPS的實現(xiàn)是未來追求的目標。

2　DCS、FCS、CIPS的體系結構與特點

2．1　DCS

　　典型DCS系統(tǒng)的體系結構一般為三層，即管理級、監(jiān)控級（工程師站／操作站）和過程控制級，有三DCS過程控制器與現(xiàn)場變送器、執(zhí)行器之間的連接采用一對一的設備連接方式，需消耗大量的連接電纜且安裝和維護費時費力，如圖2—1所示。DCS屬“半數(shù)字”系統(tǒng)，還需大量的AI／AO、DI／DO和PI／PO等中間模板來完成模擬量與數(shù)字量間的信息轉換。

2．2　FCS

　　FCS系統(tǒng)由于采用了智能現(xiàn)場設備和現(xiàn)場總線，具有以下優(yōu)點：

①采用一對N的設備連接方式，成本低

　　FCS屬“純數(shù)字”系統(tǒng)，無需AI／AO、DI／DO和PI／PO中間模板?；诂F(xiàn)場總線的現(xiàn)場設備與操作站之間是一種全數(shù)字化、串行、雙向、多站的通信模式，系統(tǒng)的可靠性高。而且，用數(shù)字信號替代模擬信號傳輸，在一對雙絞線或一條電纜上可掛接多個現(xiàn)場設備，節(jié)省硬件數(shù)量與投資，節(jié)省安裝費用，系統(tǒng)的成本低，如圖2—2所示。

②實現(xiàn)了徹底的分散控制

　　能夠將原先DCS系統(tǒng)中處于控制室的控制功能置入現(xiàn)場設備，直接在現(xiàn)場完成，即就地采集信息、就地處理、就地控制。上位機主要對其進行總體監(jiān)督、協(xié)調、優(yōu)化控制與管理，實現(xiàn)了徹底的分散控制。

③開放性與互操作性簡化了系統(tǒng)的集成　　現(xiàn)場總線的最大特點是采用統(tǒng)一的協(xié)議標準，使之具有開放性和互操作性，不同廠家的現(xiàn)場設備可方便地接入同一網(wǎng)絡中，且可相互訪問，簡化了系統(tǒng)的集成。

④信息綜合，組態(tài)靈活

　　通過數(shù)字化傳輸現(xiàn)場數(shù)據(jù)，FCS能獲取現(xiàn)場設備的各種狀態(tài)、診斷信息，實現(xiàn)實時的系統(tǒng)監(jiān)控和管理。FCS引入了功能塊概念，使得組態(tài)十分方便、靈活，不同現(xiàn)場設備中的功能塊可以構成完整的控制回路；可在上位機上進行組態(tài)，完成之后再下裝至現(xiàn)場設備；用戶根據(jù)標識符來指定某一設備，不需考慮設備地址、存儲地址等。

　　總之，現(xiàn)場總線具有全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、多變量、多點、多站、互操作的特點，是過程控制系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎，也是綜合自動化系統(tǒng)CIPS數(shù)據(jù)信息流的起點。

2．3　CIPS

　　集常規(guī)控制、先進控制、在線優(yōu)化、生產(chǎn)調度、企業(yè)管理、經(jīng)營決策等功能于一體的綜合自動化系統(tǒng)CIPS是當前自動化發(fā)展的趨勢和熱點。CIPS是在計算機通信網(wǎng)絡和分布式數(shù)據(jù)庫的支持下，實現(xiàn)信息與功能的集成、綜合管理與決策，最終形成一個能適應生產(chǎn)環(huán)境不確定性和市場需求多變性的全局最優(yōu)的高質量、高柔性、高效益的智能生產(chǎn)系統(tǒng)。

　　根據(jù)連續(xù)生產(chǎn)過程控制與工程總體優(yōu)化、信息集成的需求，CIPS工程可由生產(chǎn)過程控制分系統(tǒng)、企業(yè)綜合管理分系統(tǒng)、集成支持分系統(tǒng)、人與組織分系統(tǒng)4個分系統(tǒng)及相應的下層子系統(tǒng)組成，如圖2—3所示。

3　DCS、FCS、CIPS的集成

　　計算機網(wǎng)絡技術的發(fā)展，解決了企業(yè)辦公自動化的問題，即企業(yè)高層的計算機設備互連問題較易實現(xiàn)。而企業(yè)過程控制級采用的設備可能是各個時期或各個廠家的產(chǎn)品，是個異構環(huán)境?？紤]控制技術和生產(chǎn)的延續(xù)性與企業(yè)的投資效益，不可能完全擯棄原有可行系統(tǒng)，而采用全新技術和設備。企業(yè)現(xiàn)場控制網(wǎng)絡必將出現(xiàn)多種總線共存、多種系統(tǒng)集成和多種技術集成的局面。

3．1　FCS與DCS的集成

　　多種系統(tǒng)的集成是指現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)（DCS、PLC……）的集成及各種現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS之間的集成（因目前仍存在多種現(xiàn)場總線協(xié)議，如：FF、Profibus、CAN、LonWorks和HART等）。

　　FCS與DCS集成主要體現(xiàn)在現(xiàn)場通信協(xié)議的相容和組態(tài)、監(jiān)控、操作軟件的統(tǒng)一。

　　DCS應用廣泛、技術成熟，尤其它在先進控制方面已有多年應用。現(xiàn)場總線的功能模塊一般只能解決基本的控制問題，而且在現(xiàn)有的技術條件和市場條件下，FCS還不能完全取代DCS，而應考慮兩者的集成，以綜合DCS和FCS的優(yōu)勢。即FCS實現(xiàn)基本的測控回路，DCS作為高一層的管理協(xié)調者實現(xiàn)復雜的先進控制和優(yōu)化功能。

　　目前，DCS和FCS可以在3個層次上實現(xiàn)集成，如圖3—1a、圖3—1b、圖3—1c所示；

　　a．現(xiàn)場總線集成在DCS的I／O層次上，即現(xiàn)場總線設備在DCS中作為I／O卡件的功能出現(xiàn)。

　　b．現(xiàn)場總線集成在DCS網(wǎng)絡上，即現(xiàn)場總線通過一個現(xiàn)場總線接口單元掛在DCS的通信網(wǎng)絡上。

　　c．DCS和FCS獨立工作，通過網(wǎng)關實現(xiàn)通信協(xié)議的轉換和信息的互訪。

　　以上3種集成途徑的應用中可能會遇到一些實際困難，因DCS的設計要素不同于FCS，DCS的封閉性限制了現(xiàn)場總線分散化、網(wǎng)絡化特點的實現(xiàn)。不同的DCS與不同的FCS集成需相應的轉換協(xié)議，會出現(xiàn)多種協(xié)議共存于現(xiàn)場控制網(wǎng)絡的局面。

3．2　基于現(xiàn)場控制網(wǎng)絡的CIPS

　　CIPS是集管理與控制于一體的綜合自動化系統(tǒng)，往往采用多級遞階控制體系結構（基本控制→先進控制→約束控制→局部優(yōu)化→全局優(yōu)化→綜合管理與決策）和“分解／綜合、協(xié)調”的方法。現(xiàn)場控制網(wǎng)絡是傳輸過程信息的基礎與關鍵，是CIPS數(shù)據(jù)信息流的起點。只有獲得過程的大量信息，CIPS才能進行系統(tǒng)的優(yōu)化、綜合管理與決策。

　　通常大型CIPS網(wǎng)含有4類網(wǎng)：最上層采用廣域網(wǎng)（WAN）、上層采用辦公自動化局域網(wǎng)（TOP），中間層采用制造自動化協(xié)議MAP主干網(wǎng)，下層采用現(xiàn)場控制網(wǎng)（工廠底層控制網(wǎng)）。這4類網(wǎng)可通過網(wǎng)橋（Bridge）、路由器（Router）和網(wǎng)關（Gateway）互聯(lián)成CIPS網(wǎng)或Intranet網(wǎng)。

　　基于現(xiàn)場總線或DCS網(wǎng)絡的大中型CIPS網(wǎng)有WAN／TOP／MAP／Fieldbus or DCS網(wǎng)絡結構和TOP／MAP／Fieldbus or DCS網(wǎng)絡結構、小型CIPS網(wǎng)有LAN／Fieldbus or DCS網(wǎng)絡結構及LAN／DCS＋Fieldbus網(wǎng)絡結構（即現(xiàn)場控制網(wǎng)絡為DCS與FCS的集成）。

　　近兩年來許多控制系統(tǒng)設備供應商紛紛采用Ethernet作為工廠底層控制網(wǎng)絡的信息傳輸主干，用以連接系統(tǒng)監(jiān)控設備和現(xiàn)場高級智能設備且TCP／IP進入現(xiàn)場，使得工廠的管理可以直接進入控制現(xiàn)場。在工業(yè)現(xiàn)場最為典型的應用形式是Ethernet＋TCP／IP，基于Ethernet＋TCP／IP的傳感器、變送器可以直接成為網(wǎng)絡的節(jié)點，其控制參數(shù)和它的狀態(tài)可以直接在企業(yè)信息網(wǎng)絡內傳輸和共享，從而避免了DCS和FCS因存在多種協(xié)議而難集成的局面。

4　結束語

　　DCS應用廣泛、技術成熟，但各廠家的DCS自成封閉的通信體系，難以實現(xiàn)全企業(yè)內信息的集成與綜合。

　　FCS具有全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、多變量、多點、多站、互操作的特點。

　　FCS可視為DCS向下全數(shù)字開放的結果，CIPS可視為DCS向上擴展的產(chǎn)物。FCS和DCS側重于過程的監(jiān)控與管理，CIPS側重于企業(yè)內信息集成、綜合管理與決策。DCS和FCS是CIPS數(shù)據(jù)信息流的起點。CIPS系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵技術是網(wǎng)絡技術，網(wǎng)絡是命脈。今后的自動化系統(tǒng)主要呈現(xiàn)出開放化、集成化、智能化、信息化和網(wǎng)絡化的特點。