集成PLC與DCS的新型過程控制系統
PLC是由早期繼電器邏輯控制系統與微機計算機技術相結合而發展起來的，它是以微處理器為主的一種工業控制儀表，它融計算機技術、控制技術和通信技術于一體，集順序控制、過程控制和數據處理于一身，可*性高、功能強大、控制靈活、操作維護簡單。近幾年來，可編程序控制器及組成系統在我國冶金、電廠、輕工石化、礦業、水處理等行業更是到了廣泛的應用，并取得了一定的經濟效益。由于工業生產過程是一個分散系統，因此過程控制的方式最好是分散進行，而監視、操作和最佳化管理應以集中為好。隨著工業生產規模不斷擴大，控制管理的要求不斷提高，過程參數日益增多，控制回路越加復雜，在70年代中期產生了集散控制系統，他一經出現就受到工業控制界的青睞。DCS是集計算機技術、控制技術、網絡通信技術和圖形顯示技術于一體的系統。與常規的集中式控制系統相比有如下特點：1、實現了分散控制。它使得系統控制危險性分散、可*性高、投資減小、維護方便。2、實現集中監視、操作和管理。使得管理與現場分離，管理更能綜合化和系統化，3、采用網絡通信技術，這是DCS的關鍵技術，它使得控制與管理都具實時性，并解決系統的擴充與升級問題。目前，由于PLC把專用的數據高速公路（HIG HWAY）改成通用的網絡，并逐步將PLC之間的通信規約*攏使得PLC 有條件和其它各種計算機系統和設備實現集成，以組成大型的控制系統，這使得PLC 系統具備了DCS的形態，這樣，基于PLC的DCS系統目前在國內外都得到了廣泛的應用。可編程序控制器（PLC）及集散控制系統（DCS）是目前工業控制領域最廣泛使用的兩種控制技術， 它們各自具有明顯的優勢及劣勢， 如PLC在高速的順序控制中占主導地位， 而DCS則在復雜的過程控制中占優勢； 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優點于一體的控制系統， 這種混合式控制系統（以下簡稱HCS）應既能完美地實現邏輯及順序控制， 又能很好地完成過程控制， 同時還應具有管理功能， 且體積小， 價格較低， 可*性高。一些自控設備生產廠商已有產品問世， Rockwell公司新近推出的Allen-Bradley（A-B）品牌ProcessLogix過程控制系統便是其中一例。本文將介紹一種混合式控制系統， 既吸取傳統DCS“管理集中， 控制分散”的設計精髓， 又保留傳統PLC所固有的靈活性及低價位等優點， 適用于離散控制、順序控制及連續控制場合， 以最低成本來完成高技術的自動化。
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
復雜過程控制 6 10
硬件可*性 9 8
聯網和通訊功能 4 8
管理能力 3 9
系統診斷和報警 3 8
早期的PLC以數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調節功能、通訊聯網功能及分級控制功能等，在過去DCS占統治地位的化工、冶金等行業也可由PLC進行控制。但PLC難以組成大型、復雜、綜合的系統，如果過多的PC企圖通過網絡與過多的PLC通訊，則可能導致瓶頸現象及計時上的困難。
DCS是由模擬儀表控制系統發展而來，初期的功能以回路調節為主，之后又加入了順序控制的功能。DCS的設計思想是操作管理集中，控制分散以提高整個系統的可*性及管理能力。DCS的上述優勢使它在控制系統的高端市場仍占主流。 但DCS比PLC價位高，對一些資金有限的中小型企業有時難以承受。
本文探討的這種混合式控制系統整合了PLC與DCS的優勢，對需要實現低成本自動化（LCA）的場合尤為適用。
二、混合式控制系統結構
該系統主要以DCS的設計思想為基礎，綜合PLC與DCS的各自優勢。它主要由系統網絡、 操作員工作站、中央服務器、控制器及輸入/輸出（I/O）模塊等部分組成。
1、系統網絡
對DCS而言，系統網絡是整個系統的基礎和核心，對整個系統的實時性、可*性和可擴充性起著決定性的作用。對混合式控制系統也是如此。
如圖1所示，HCS是分級控制系統，共分兩級：操作管理級及過程控制級。操作管理級的各項設備——操作員工作站及中央服務器由N1網連接。N1網是一局域網（LAN），對它的要求是能以較高的速率傳輸大量數據，可選用Ethernet（以太網）或ARCNET。Ethernet采用載波偵聽/多路訪問協議，具有10Mbps及100Mbps的通訊速度，但它不具備實時性；ARCNET采用令牌傳輸協議，具有2.5Mbps的通訊速度，具有好的實時性。N1網的網絡拓樸結構可采用星形、總線形、混合形等。總線結構的網絡技術比較成熟，施工相對簡單，節點的加入或退出也無需中止網絡運行，是工業控制網常用的網絡結構。N1網的傳輸介質可使用雙絞線、同軸電纜或光纖。
N2網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，并使之與中央服務器相連. 對N2網的要求是實時性，即一旦N2網上某節點發送數據，則該網絡上所連接的各節點應能同時接收到該數據，實現數據共享。這一點對實時性很強的過程控制十分重要。N2網還具有其它特性，如給網絡添加新設備不會造成網絡通訊擁塞，徹底消除系統瓶頸現象；開放式體系結構使它與PLC、智能馬達驅動器等其它設備相兼容。
A-B的ProcessLogix過程控制系統N1網采用總線結構的Ethernet，N2網采用A-B自己的ControlNet網絡，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運行情況，并對生產過程進行調節和控制。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器通過局域網相連，所以欲添加一個操作員工作站十分容易，只要在N1網上增加一個PC機并讓中央服務器為新添加的操作員工作站提供客戶軟件即可。
3、中央服務器
所有的系統信息、報告及總數據庫由中央服務器統一管理，以實現信息集中管理。中央服務器用Windows NT為操作系統，配以系統應用軟件，還可與企業管理系統相連。DCS的組態功能在HCS中也由中央服務器提供。工程師可利用中央服務器的系統應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構，主要包括處理器、內存、I/O接口，外加通訊接口。HCS控制器的框架沿襲了傳統PLC的框架尺寸結構，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行閉環及順序控制，能勝任DCS所承擔的過程控制任務。HCS控制器采用模塊化結構形式，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，通過數據總線相連，實現“軟接線”，另外，通過N2網還可擴展遠程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，且控制是分散的。如ProcessLogix控制系統最多可支持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提供了能與工業現場I/O信號直接相連的各種規格的I/O模塊， 如模擬量/數字量、 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模塊可與工業現場的按鈕、變送器、傳感器、電磁閥門及馬達控制器等設備元件直接相連，使用靈活方便。
三、混合式控制系統特點
1、分級分散控制， 集中管理
HCS保留了DCS信息集中，控制分散的優勢。系統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，又有聯系，在系統的協調下運行。同時，按生產過程作水平分解，以滿足控制遍布整個廠區的需要。采用該分散控制結構，將多個控制器及I/O框架分散后進行聯網，一方面可將生產過程的全部信息通過網絡傳送至中央服務器以實現信息集中，另一方面避免因個別設備出現故障殃及整個系統而造成的危險，提高可*性。
2、靈活性高及可擴展性強
HCS采用模塊化及積木化的結構形式，用戶可選擇不同數量、不同規格的單元設備以組成不同要求、不同規模的硬件系統。例如，控制器及其遠程I/O均采用PLC式的模塊結構，用戶可根據不同應用場合選用不同規格的模塊；整個系統采用分級分散的網絡結構形式，使增加或去除某些單元不會影響整個系統的性能，這種靈活的組裝方式使系統擴展變得容易，有利于工廠按當前規模配置系統，提高設備的利用效率。
3、可*性高
（1）冗余技術
HCS允許用戶在任何需要的關鍵部分擴充冗余部件，以免由于某個部件失效而影響系統運行。如在控制器中加入冗余的處理器，加入冗余的中央服務器及冗余的傳輸介質（如同軸電纜）等。
（2）自診斷功能
HCS系統軟件可在線監視整個系統的軟硬件狀態，一旦發現異常情況，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裝有鋰電池，以防止掉電而造成數據丟失。
四、混合式控制系統的展望
1、體積更小、價格更低、功能更強
隨著超大規模集成電路技術的發展，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；隨著安裝布線技術的發展，HCS可采用表面安裝及扁平封閉技術，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模塊與工業現場設備直接相連，所以I/O模塊功能的強弱直接影響系統控制能力。為此，各生產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
（1）在系統應用軟件中采納智能控制算法，如模糊邏輯、專家系統、遺傳算法、神經元網絡等高級控制算法，形成具有人工智能的控制模塊及網絡系統，提高系統的控制水平。
（2）利用人工智能技術進行自診斷及故障的早期預測。由于人工神經網絡具有自組織自學習自適應的能力及并行處理能力等，經過訓練可對HCS進行監控和故障檢測，并對故障作出早期預測，優化過程控制，提高系統的工作可*性
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
復雜過程控制 6 10
硬件可*性 9 8
聯網和通訊功能 4 8
管理能力 3 9
系統診斷和報警 3 8
早期的PLC以數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調節功能、通訊聯網功能及分級控制功能等，在過去DCS占統治地位的化工、冶金等行業也可由PLC進行控制。但PLC難以組成大型、復雜、綜合的系統，如果過多的PC企圖通過網絡與過多的PLC通訊，則可能導致瓶頸現象及計時上的困難。
DCS是由模擬儀表控制系統發展而來，初期的功能以回路調節為主，之后又加入了順序控制的功能。DCS的設計思想是操作管理集中，控制分散以提高整個系統的可*性及管理能力。DCS的上述優勢使它在控制系統的高端市場仍占主流。 但DCS比PLC價位高，對一些資金有限的中小型企業有時難以承受。
本文探討的這種混合式控制系統整合了PLC與DCS的優勢，對需要實現低成本自動化（LCA）的場合尤為適用。
二、混合式控制系統結構
該系統主要以DCS的設計思想為基礎，綜合PLC與DCS的各自優勢。它主要由系統網絡、 操作員工作站、中央服務器、控制器及輸入/輸出（I/O）模塊等部分組成。
1、系統網絡
對DCS而言，系統網絡是整個系統的基礎和核心，對整個系統的實時性、可*性和可擴充性起著決定性的作用。對混合式控制系統也是如此。
如圖1所示，HCS是分級控制系統，共分兩級：操作管理級及過程控制級。操作管理級的各項設備——操作員工作站及中央服務器由N1網連接。N1網是一局域網（LAN），對它的要求是能以較高的速率傳輸大量數據，可選用Ethernet（以太網）或ARCNET。Ethernet采用載波偵聽/多路訪問協議，具有10Mbps及100Mbps的通訊速度，但它不具備實時性；ARCNET采用令牌傳輸協議，具有2.5Mbps的通訊速度，具有好的實時性。N1網的網絡拓樸結構可采用星形、總線形、混合形等。總線結構的網絡技術比較成熟，施工相對簡單，節點的加入或退出也無需中止網絡運行，是工業控制網常用的網絡結構。N1網的傳輸介質可使用雙絞線、同軸電纜或光纖。
N2網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，并使之與中央服務器相連. 對N2網的要求是實時性，即一旦N2網上某節點發送數據，則該網絡上所連接的各節點應能同時接收到該數據，實現數據共享。這一點對實時性很強的過程控制十分重要。N2網還具有其它特性，如給網絡添加新設備不會造成網絡通訊擁塞，徹底消除系統瓶頸現象；開放式體系結構使它與PLC、智能馬達驅動器等其它設備相兼容。
A-B的ProcessLogix過程控制系統N1網采用總線結構的Ethernet，N2網采用A-B自己的ControlNet網絡，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運行情況，并對生產過程進行調節和控制。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器通過局域網相連，所以欲添加一個操作員工作站十分容易，只要在N1網上增加一個PC機并讓中央服務器為新添加的操作員工作站提供客戶軟件即可。
3、中央服務器
所有的系統信息、報告及總數據庫由中央服務器統一管理，以實現信息集中管理。中央服務器用Windows NT為操作系統，配以系統應用軟件，還可與企業管理系統相連。DCS的組態功能在HCS中也由中央服務器提供。工程師可利用中央服務器的系統應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構，主要包括處理器、內存、I/O接口，外加通訊接口。HCS控制器的框架沿襲了傳統PLC的框架尺寸結構，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行閉環及順序控制，能勝任DCS所承擔的過程控制任務。HCS控制器采用模塊化結構形式，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，通過數據總線相連，實現“軟接線”，另外，通過N2網還可擴展遠程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，且控制是分散的。如ProcessLogix控制系統最多可支持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提供了能與工業現場I/O信號直接相連的各種規格的I/O模塊， 如模擬量/數字量、 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模塊可與工業現場的按鈕、變送器、傳感器、電磁閥門及馬達控制器等設備元件直接相連，使用靈活方便。
三、混合式控制系統特點
1、分級分散控制， 集中管理
HCS保留了DCS信息集中，控制分散的優勢。系統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，又有聯系，在系統的協調下運行。同時，按生產過程作水平分解，以滿足控制遍布整個廠區的需要。采用該分散控制結構，將多個控制器及I/O框架分散后進行聯網，一方面可將生產過程的全部信息通過網絡傳送至中央服務器以實現信息集中，另一方面避免因個別設備出現故障殃及整個系統而造成的危險，提高可*性。
2、靈活性高及可擴展性強
HCS采用模塊化及積木化的結構形式，用戶可選擇不同數量、不同規格的單元設備以組成不同要求、不同規模的硬件系統。例如，控制器及其遠程I/O均采用PLC式的模塊結構，用戶可根據不同應用場合選用不同規格的模塊；整個系統采用分級分散的網絡結構形式，使增加或去除某些單元不會影響整個系統的性能，這種靈活的組裝方式使系統擴展變得容易，有利于工廠按當前規模配置系統，提高設備的利用效率。
3、可*性高
（1）冗余技術
HCS允許用戶在任何需要的關鍵部分擴充冗余部件，以免由于某個部件失效而影響系統運行。如在控制器中加入冗余的處理器，加入冗余的中央服務器及冗余的傳輸介質（如同軸電纜）等。
（2）自診斷功能
HCS系統軟件可在線監視整個系統的軟硬件狀態，一旦發現異常情況，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裝有鋰電池，以防止掉電而造成數據丟失。
四、混合式控制系統的展望
1、體積更小、價格更低、功能更強
隨著超大規模集成電路技術的發展，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；隨著安裝布線技術的發展，HCS可采用表面安裝及扁平封閉技術，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模塊與工業現場設備直接相連，所以I/O模塊功能的強弱直接影響系統控制能力。為此，各生產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
（1）在系統應用軟件中采納智能控制算法，如模糊邏輯、專家系統、遺傳算法、神經元網絡等高級控制算法，形成具有人工智能的控制模塊及網絡系統，提高系統的控制水平。
（2）利用人工智能技術進行自診斷及故障的早期預測。由于人工神經網絡具有自組織自學習自適應的能力及并行處理能力等，經過訓練可對HCS進行監控和故障檢測，并對故障作出早期預測，優化過程控制，提高系統的工作可*性
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