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摘要：結合現場總線技術和控制系統的最新發展，綜述了當今幾種控制系統的結構及特點，并從網絡技術、開放性、組態技術等幾個方面描述了新一代控制系統的主要特征，最后列舉并細述了影響控制系統可靠性的幾個因素。
關鍵詞：控制系統 現場總線

引言

在現代測控領域，“開放系統”、“現場總線”這 2個詞頻繁出現。在自控界討論的仍然是 DCS(distribute control system),FCS(fieldbus controlystem)誰將最終成為主流控制系統，這場爭論的實質是利益和市場的競爭，一些既得利益者一方面要維護 DCS/ PL C的市場份額，另一方面又怕趕不上FCS的潮流，因而在自己的 DCS/ PL C系統中加入自己的現場總線；而另外一些硬、軟件生產商由于沒有歷史包袱，追求的是全新的控制系統模式，包括統一的現場總線標準及軟、硬件平臺，以引導和占領未來的市場。這些控制系統的區別有多大，有無共同的特征，未來控制系統的發展方向是什么，本文試圖在這些方面做一些探討。

1我國控制系統結構的發展

一個控制系統由 I/ O設備 (傳感器和執行器 )、控制硬件、控制軟件、人機接口及與信息系統的連接等組成，如圖 1所示 [1]。設備級現場總線使 I/O模件和控制箱得以分開，以太網使得現場采集的數據集成到企業應用中。

圖 1控制系統簡圖

1.1 早期的集中式控制系統

80年代初期，當微機控制系統用于電站自動化領域時，多使用以單板機組成的微機控制裝置,與上位機系統連接多采用串行通信方式，所有模件集中布置在一個或幾個機柜中。由這些裝置構成的系統多為集中式控制系統或分層控制系統。這種系統為我國電站自動化控制系統發揮了重要作用,其開拓性的實踐是今天控制系統豐富多彩的基礎。但是，這類系統技術上已經落后，不符合控制系統分布、開放的發展趨勢。

1.2  DCS控制系統

DCS在我國電力行業特別是火電廠機組控制系統中得到了廣泛的應用。傳統的DCS主要有4層結構 ：第1層是I/ O層；第2層是控制器層；第3層是人機接口層；第 4層是企業信息系統層。這種結構與圖 1相近，但除在第3層、第4層之間采用以太網外，其他都是專用網絡，控制設備及軟件也是專用的，開放程度不夠，給系統維護及升級帶來不便。DCS在設備配置上還要求網絡、控制器、電源甚至模件等都為冗余結構，支持無擾切換和帶電插拔，由于設計上的高要求，導致 DCS成本太高。

1.3 PL C可編程邏輯控制器

嚴格說來，單獨的PLC因缺少人機接口及信息系統等部分，不是一個控制系統。PLC由于其高可靠性及使用的方便性，占領著很大的市場份額。從控制系統結構來看，傳統的 PLC相當于通用化的微機監控裝置，由電源模件、CPU模件、I/O模件、槽板及擴展插箱組成，使用廠家提供的梯形圖邏輯語言進行編程。但隨著市場的需要及 DCS的挑戰，PL C家族在以下幾方面得到了發展 ：1分布式 I/ O連接能力方面，由于許多高檔 PLC支持遠程 I/O及現場總線網絡 (如 Device Net,Profibus等 ),使 PL C向下連接更分布；2廠級控制系統連接方面，許多 PL C支持高速網絡，如Ethernet,Control Net,Profibus等；3軟件的開放性方面，由于許多 PLC支持 OPC標準 (object linking and embedding for processcontrol),使軟、硬件平臺之間的數據通信找到了一個實現的標準。這種部分開放加上部分專用所構成的系統可能還會延續一段時間。但是，正是由于 PLC是一種通用的控制器，應用到電力系統作為現地控制裝置有其局限性，需做許多硬件和軟件上的改進工作，配置額外的設備和電路。與 DCS相比，PLC有成本上的優勢，但可靠性、電氣性能卻不如 DCS。

1.4 FCS現場總線控制系統

FCS(fieldbus control system)顧名思義基于現場總線，根據IEC標準及現場總線基金會的定義：

現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的數字式雙向傳輸、多分支結構的通信網絡。現場總線系統應具有以下技術特點 [2 ]：1系統的開放性；2互可操作性與可用性；3現場設備的智能化與功能自治性；4系統結構的高度分散性；5對現場環境的適應性。

由于有以上技術要求，現場總線控制系統將是開放系統的主要支撐力量。由于受集團利益的限制，現場總線網絡本身目前還未形成一個單一的標準。常見的標準有 Profibus,CAN,L onworks,World Fip 及 FF (fieldbus foundation)等，人們期待著將于2 0 0 0年初頒布的最后統一的標準 IEC61 1 58,FF與目前的 IEC61 1 58—3. 4. 5. 6草案兼容。現場總線控制系統不僅需要控制系統設備制造商的支持，更主要的是要得到分散在現場的傳感器及執行設備的支持，以取代 DCS的數字 /模擬混合技術，成為全數字式系統。這樣的系統才會比 DCS有很大的技術及成本優勢。

目前的情形是，我國廣大的中小型生產企業還沒有 DCS,大型企業使用DCS,使用現場總線控制系統近幾年內難以實現。在這種情形下，什么是當前適合中國國情的控制系統呢 ?筆者認為作為過渡階段可行的方案應是 DCS— FCS結合的控制系統模式。這種模式采用智能 I/ O模件作為儀表上網的橋梁，同時節省成本；使用現場總線網絡適應分布式、開放式的發展趨勢；使用開放式的控制器硬件及開放式的組態軟件代替 DCS中專用的控制器，保留DCS的冗余技術及組態技術等優點，使用標準的開放性網絡以太網作為廠級網絡，而不是 DCS的專用網絡。隨著技術的進步、成本的進一步降低，全開放式的現場總線控制系統必將是未來的趨勢。

2新一代的控制系統的主要特征

2.1 網絡技術

網絡中研究最多的是現場總線和以太網。從 1 984年現場總線概念的提出到目前最后的標準即將頒布，經過了 1 5年的時間。在這期間，共產生了 60多個數字通信網絡標準以連接傳感器、現場設備及控制級網絡，有 50 0 0多種支持這些網絡的產品。這一方面說明網絡技術應用的廣泛，另一方面說明迫切需要一個統一的標準。統一的現場總線標準是開放的現場總線控制系統必備的技術條件。以太網在廠站自動化中一般用于連接控制器和操作員站及管理站，這種結構叫做控制中心以網結構 (control-centric);以太網另一個發展趨勢是直接將 I/ O設備連到以太網或連到與以太網兼容的I/ O數據集中器上，這種結構叫做設備中心結構(device-centric)。前一個結構的網絡協議多為TCP/ IP,應用層協議沒有一個標準，建立在 FTP,Telnet,NFS等的服務成為事實上的標準；后一種結構使用的協議保留了以太網的物理層及鏈路層協議，在應用層使用現場總線定義的協議，如 FF的HSE(high speed Ethernet protocol),Control Net,Device Net等。

從以太網與現場總線的交叉發展趨勢可以看出，兩者將有機地結合起來。一方面由于受環境及特種技術的要求限制，現場總線的低端 (即 I/ O端 )仍采用低速網 (如 FF的 H1，Device Net或 Profibus的PA)將智能儀表等設備連接；另一方面一些兼容的智能設備采用中速網 (如 FF的 H2或 Profibus的DP)連接控制器、數據集中器、遠程 I/ O及智能 I/ O設備；在廠級系統中，采用高速以太網連接各控制器與站級計算機，形成整個控制系統，這就是LAN/fieldbus的網絡結構。這種結構如圖 2所示 [2 ]。

圖 2 LAN/ fieldbus網絡結構

2.2 開放性：開放性無疑是新一代控制系統的重要特征。開放就是一些標準加上公共發表的技術，這些標準和技術無需許可證就可以自由獲得，并由許多供應商所支持 [3 ]。開放是數據連接能力和硬、軟件可移植性的組合。以太網和 OPC是數據連接能力的例子，PC是開放的硬、軟件平臺的例子。開放基于標準，標準驅動開放性。標準有正式標準 (如 IEC或 IEEE)和事實上的標準 (de facto)之分。事實上的標準是市場力量的體現。

工業自動化的標準有以下幾個方面 ：1現場總線標準 IEC61 1 58;2可編程邏輯程序語言IEC61 1 31— 3;3符合工業標準的硬件有開放式結構的 PC平臺，如 ISA,Compact PCI,PC1 0 4和 VXI等；4OPC及微軟的 COM,DCOM,DNA在自動化產品中應用非常廣泛，被認為是工業上的事實標準，另外，還有 Sun Connect,HTTP—HG等。

2.3 組態技術

組態技術主要指控制系統中的數據庫生成及控制算法組態。其中數據庫生成組態與各種硬件設備關系太密切，還沒有統一的標準，就 PL C本身來講，這部分一直是空白，也就是說，PLC所能提供的只是寄存器，它需要借助第 3方或專用軟件將其轉換成有意義的工程參數，對于 DCS,數據測點定義就完備多了。同樣地，控制算法組態方面，傳統的 PL C多數只提供梯形圖邏輯及少量的功能塊，并且與IEC61 1 31— 3不兼容，而 DCS具有全面的控制算法組態技術，包括梯形圖、助記符、功能塊及順序流程圖等。第 3方軟件支持商支持 IEC61 1 31—3并可以加載到部分 PL C中。開放式現場總線控制系統理所當然應具有組態技術,包括數據庫組態及控制算法組態，生成的參數及算法不僅可以在控制器中運行 (所謂 Soft PL C),還可以在遠程 I/ O或智能設備上運行，按照現場總線標準定義的功能塊可以在智能儀表及執行機構中進行運算，以實現真正的分布式控制。

3影響控制系統可靠性的幾個因素

3. 1 嵌入式控制與控制器的可靠性：控制系統的可靠性很大一部分依賴于控制器是否可靠。 PL C,DCS有其專用的控制器，開放式系統中建議的是標準的硬、軟件平臺。顯然 PC機和微軟的 Windows是一種選擇。工業 PC機經過多年的改 進已經比較可靠了,但故障還是會發生，其較差的運行環境適應能力和旋轉機械故障(硬盤故障)給維護帶來了困難。一種解決方案是用嵌入式 PC機如PC1 0 4結構的硬件平臺，這種平臺有較寬的運行環境,沒有硬盤，而且具有豐富的模件資源,支持以太網及現場總線網絡接口。從操作系統角度看,帶有實時擴展 (RTX)的 NT(如 Ventur Com公司提供的RTX NT)是在標準 PC平臺上用于實時控制的較佳選擇;但嵌入式控制中資源有限，即使是嵌入式NT也很難適應。Windows CE不失為一個嵌入式應用較好的選擇，特別是其 3. 0版本的推出，在確定性、實時性、優先級擴展能力及中斷服務延時、進程切換時間上有了顯著的提高，過程處理循環時間降到毫秒級。事實上一些公司已生產出采用 Win CE的控制裝置，如 Win PL C,GE公司的 CNC,Xycom自動化公司的 ASIC— 3000等 [4]。Win CE并不是唯一的選擇，許多實時操作系統非常成熟,已在通信Internet及電力等行業發揮了巨大作用,如p SOS,QNX,VRTX等，這些操作系統的共同特征是內核非常小,支持 BSP開發 (板級支持包 )及強大的網絡支撐功能,缺點是第 3方的支持軟件不豐富。采用嵌入式控制是提高控制器可靠性的重要保證。

3. 2 網絡的可靠性：現場總線從一開始就是為連接現場控制設備而設計的，充分考慮了其對各種運行環境的適應能力及實時控制中對確定性的要求，只要符合其制定的規范 (如通信速度、通信距離、物理鏈接等 ),現場總 線應該是可靠的。以太網成為工業網絡也可靠嗎 ?回答是肯定的。傳統的以太網結構使用總線將各個節點連在一起,允許同時將數據發送到網上，這樣就發生了沖撞，必須采用重發機制以達到相對高的成功率。這種機制導致非確定性 (non-deterministic),而控制系統需要確定性。以太網技術的發展增強了其通信的確定性，首先，在網絡拓撲結構上，采用星形連接及交換式Hub,交換式 Hub提供數據緩沖及具有確定接收數據的網段智能，使數據沖撞及重發機會最小化;其次,快速以太網 (100 Mbit/ s,1 Gbit/ s)的發展及網絡冗余技術使以太網更適應于實時應用;另外,改進的通信協議克服了 TCP/ IP協議中的緩沖器滿再發送及沖撞控制中的允許“丟”包等缺點。

3. 3 電磁兼容性與硬件設備可靠性：控制系統要適應惡劣的運行環境,必須滿足一系列電磁兼容性國際標準,IEC61 0 0 0— 4標準或我國等同采用的 GB/ T 1 762 6標準定義了應達到的電氣技術指標，這些標準包括 ：1浪涌 ：IEC61 0 0 0— 4— 5(GB/ T1 762 6. 5);2振蕩波抗擾度：IEC61 0 0 0— 4—1 2 (GB/ T 1 762 6. 1 2 );3靜電放電抗擾度 ：IEC61 0 0 0— 4— 2 (GB/ T 1 762 6. 2 );4電快速瞬變脈沖群抗擾度 ：IEC61 0 0 0— 4— 4(GB/ T 1 762 6. 4);5射頻場感應的傳導騷擾抗擾度 ：IEC61 0 0 0— 4— 6(GB/ T1 762 6. 6);6射頻電磁場輻射抗擾度 ：IEC61 0 0 0— 4—3(GB/ T1 762 6. 3)。

以上指標中定義了在不同控制電壓等級下及運行環境下應達到的技術標準，滿足這些標準將為控制系統的可靠性提供有力的保證。

4結語

我們處在一個主流系統與非主流系統各行其道、共享市場的時代,中國進入 WTO后,大量的外國公司產品及技術將瓜分中國的測控市場，包括電力系統自動化領域，競爭最激烈的應該是廠站自動化領域，特別是水電廠、火電廠控制系統。一方面大大小小的 PL C幾乎占領著整個水電廠監控領域，另一方面國外 DCS牢牢占據著大中型火電廠控制系統。我們迫切需要有自己的控制系統，以及適合國情的控制系統結構、硬件資源及軟件工具。這不僅需要科研人員的不懈努力,還需要市場的培育及支持。有理由相信,有中國特色的先進控制系統將在競爭激烈的自動控制領域占有一席之地。