1. 工業網路的種類及其優缺點
工業網路在自動控制系統中的應用常有以下幾種形式:分布式控制系統DCS(Distr~uted ControlSystem)、現場匯流排控制系統FC(Fieldbus ControlSystem)及工業乙太網(Instrial F_.themet),它們構成當今工業控制的主流,同時Intemet及Web技術的發展,促進工業控制系統向Web自動化的趨勢發展。(1)DCS系統又稱集散控制系統,是一種穩定、可靠、安全的工業控制方式,目前廣泛應用於國內各種工業控制現場。其基本思想是分散控制、集中管理,典型結構是上、下位機系統及其通信網路,上位機稱為操作站,下位機稱為控制站。操作站處於信息監控層,實現控制系統的控制操作、過程狀態及報警狀態顯示、歷史數據的收集和各種趨勢的顯示及報表生成與列印;控制站處於現場控制層,是對現場物理信號(包括模擬及開關信號)進行實時採集並進行數據處理、控制運算,並將結果傳送到上位機;系統的網路負責各控制站之間、操作站與控制站之間以及操作站之間的數據通信和聯絡。(2)FCS系統產生於2O世紀8O年代,是在DCS基礎上發展起來的,在智能現場設備、自動化系統之間提供了一個全數字化的、雙向的、多節點的通信鏈路。FCS的出現促進了現場設備的數字化和網路化,並且使現場控制的功能更加強大。相對於DCS一對一結構、採用單向信號傳輸、布線及調試成本高、互操作性相對較差等缺點,FCS最大的特點就是大大減少了布線及由此引起的調試、安裝、維護等其它成本,因而獲得了廣泛應用,發展非常迅速。目前世界上流行的現場匯流排有Profibus-DP、FF、DeviceNet、Lonworks、Modbus等4O多種。
(3)工業乙太網 具有現場匯流排開放性、互操作性、互換性、可集成性、數字化信號傳輸等特點,許多專家預測乙太網將會成為取代現場匯流排的一種最
佳選擇和最終發展方向。乙太網是IEFES02-3所支持的區域網標准,採用帶碰撞檢測的載波偵聽多路訪問技術(CSMA/CD),在辦公自動化領域得到了廣泛應用。乙太網技術應用於實時性要求很高的工業控制領域,關鍵要採取有效手段避免CSMA/CD中的碰撞。由於乙太網通信帶寬得到大幅提高,5類雙絞線將接收和發送信號分開,並且採用了全雙工交換式乙太網交換機,以星形拓撲結構為其埠上的每個網路節點提供獨立帶寬,使連接在同一個交換機上面的不同設備不存在資源爭奪,隔離了載波偵聽,因此網路通信的實時性得到大大改善,保證了乙太網產品能真正應用於工業控制現場。而且乙太網技術成熟,連接電纜和介面設備價格相對較低,帶寬迅速增長,可以滿足現場設備對通信速度增加而原有匯流排技術不能滿足的場合的需求。
(4)Web自動化技術 Intemet網把全世界連成了一個整體,而Web技術引發了信息技術的革命。把Web技術應用到工業控制領域就產生了web自動化。web自動化的基本思想是只要需要,在任何時間和地點都可以對工業現場的數據進行實時訪問和控制。web數據採集和控制的基本要求是:必須要有一個能夠通過web網路和TCP/IP協議連接監控設備和過程數據的界面,即用戶界面層;要有一台能夠使所需顯示或控制頁面通過過程瀏覽器訪問的Web伺服器,即運行邏輯層;要有一個處理本地事務(即w曲伺服器)和遠端系統(即客戶端)之間數據接收和存儲的資料庫伺服器,即資料庫層。這就是典型的三層結構。第三層(資料庫層)第二層(運行邏輯層)第一層(用戶界面層)在web模式下可以實現用戶界面和運行邏輯的有效分離,用戶瀏覽器僅負責界面的顯示,操作者可直接通過瀏覽器訪問web伺服器上的各類信息而將運行邏輯遷移至web伺服器端;無需對客戶端的應用軟體進行安裝,也無需對客戶端的控制項進行注冊,應用軟體的升級很方便,如果應用程序的功能和運行邏輯需要改變,系統維護人員可直接在web伺服器上對相應的頁面和組件進行修改,用戶立即能得到新的功能。
(5)上述控制方式的應用特點 雖然FCS技術具有傳統DCS所無法比擬的優越性,但其推廣應用也受到諸多因素的制約,DCS並沒有也不會隨著FCS的發展而馬上退出現場過程式控制制的舞台,這是因為,首先,目前我國控制現場很多設備還不是智能儀表,不能直接與現場匯流排相連;其次,FCS的價格特別是智能設備比較昂貴,採用FCS的綜合價格仍高於DCS;第三,DCS也在不斷採用新技術,如與PLC(可編程序控制器)很好地融合、滲透和集成,普遍採用IPC作為其操作站,並且採用人工智慧技術等,DCS呈現出向綜合化和智能化發展的趨勢;第四,FCS標准種類繁多,不同標準的設備相互通訊一
般比較繁瑣i第五,在強調安全、可靠第一位的應用場合,更多地是考慮DCS技術的成熟和高可靠性,同時一些專家擔心FCS一旦通信線路故障將引整個系統的癱瘓。在電廠輔機系統如化學水處理系統,目前一般仍以DCS為主,在此基礎上局部採用FCS技術,組成混合系統,筆者稱之為FDCS系統(Fieldbus Distr~uted Control System)。對工業乙太網,目前已不僅僅只適用於工業網路控制系統的信息層,而且提供了現場控制級的應用,如SIEMENS公司的PLC提供專用的乙太網介面模塊,研華科技的新型智能模塊中內置了Web伺服器,使現場模塊具備網頁發布功能,通過網頁與外界直接交換信息。而web自動化技術的優點是,操作者可在現場之外,不受時間和空間限制,通過瀏覽器訪問web伺服器上的各類信息,方便電廠調度、指揮等部門瀏覽、查詢現場數據,或根據許可權發布控制命令,實現對現場設備的監控。
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2. 哪些單位的系統屬於工業控制系統
隨著工業技術的快速發展,相繼出現了集散控制系統和現場匯流排控制系統, 一些行業當中有的人認為FCS 是由PLC發展而來的;另一些行業的人認為FCS又是由DCS發展而來的。FCS與 PLC及DCS之間既有密不可分的關聯, 又存在著本質的區別。
DCS(Distributed Contorl System),集散控制系統,又稱分布式控制系統,是相對於集中式控制系統而言的一種計算機控制系統,它是在集中式控制系統的基礎上發展、演變而來的。
FCS(FieldBus Contorl Syestem),現場匯流排控制系統。它是用現場匯流排這一開放的、具有互操作性的網路將現場各個控制器和儀表及儀表設備互聯,構成現場匯流排控制系統,同時控制功能徹底下放到現場,降低了安裝成本和維修費用。
PLC(Program Logic Control ),可編程邏輯控制器。
FCS和DCS的詳細對比
FCS是由DCS與PLC發展而來,不僅具備DCS與PLC的特點,而且跨出了革命性的一步。目前新型的DCS與新型的PLC,都有向對方靠攏的趨勢。新型的DCS已有很強的順序控制功能;而新型的PLC,在處理閉環控制方面也不差,並且兩者都能組成大型網路,DCS與PLC的適用范圍,已有很大的交叉。
DCS系統的關鍵是通信。也可以說數據匯流排是分散控制系統DCS的脊柱。由於它的任務是為系統所有部件之間提供通信網路,因此,數據匯流排自身的設計就決定了總體的靈活性和安全性。數據匯流排的媒體可以是:一對絞線、同軸電纜或光纖電纜。通過數據匯流排的設計參數,基本上可以了解一個特定DCS系統的相對優點與弱點。
為保證通信的完整,大部分DCS廠家都能提供冗餘數據匯流排。為了保證系統的安全性,使用了復雜的通信規約和檢錯技術。所謂通信規約就是一組規則,用以保證所傳輸的數據被接收,並且被理解得和發送的數據一樣。目前在DCS系統中一般使用兩類通信手段,即同步的和非同步的,同步通信依靠一個時鍾信號來調節數據的傳輸和接收,非同步網路採用沒有時鍾的報告系統。
圖 傳統方式:現場級設備與控制器之間連接採用一對一I/O連線方式
圖 現場匯流排技術:使用一根電纜連接所有現場設備
PLC和DCS
PLC:
從開關量控制發展到順序控制、運送處理,是從下往上的
連續PID控制等多功能,PID在中斷站中。
可用一台PC機為主站,多台同型PLC為從站。
也可一台PLC為主站,多台同型PLC為從站,構成PLC網路。這比用PC機作主站方便之處是:有用戶編程時,不必知道通信協議,只要按說明書格式寫就行。
PLC網格既可作為獨立DCS,也可作為DCS的子系統。
PLC主要用於工業過程中的順序控制,新型PLC也兼有閉環控制功能。
DCS:
分散控制系統DCS集4C(Communication,Computer, Control、CRT)技術於一身的監控技術。
從上到下的樹狀拓撲大系統,其中通信(Communication)是關鍵。
PID在中斷站中,中斷站聯接計算機與現場儀器儀表與控制裝置是樹狀拓撲和並行連續的鏈路結構,也有大量電纜從中繼站並行到現場儀器儀表。
模擬信號,A/D—D/A、帶微處理器的混合。
一台儀表一對線接到I/O,由控制站掛到區域網LAN。
DCS是控制(工程師站)、操作(操作員站)、現場儀表(現場測控站)的3級結構。用於大規模的連續過程式控制制,如石化等。
業內人士細說PLC與DCS區別
3. 工業控制計算機的主要分類
工控機的主要類別有:IPC(PC匯流排工業電腦)、PLC(可編程式控制制系統)、DCS(分散型控制系統)、FCS(現場匯流排系統)及CNC(數控系統)五種。
1、IPC
即基於PC匯流排的工業電腦。據2000年IPC統計PC機已佔到通用計算機的95%以上,因其價格低、質量高、產量大、軟/硬體資源豐富,已被廣大的技術人員所熟悉和認可,這正是工業電腦熱的基礎。其主要的組成部分為工業機箱、無源底板及可插入其上的各種板卡組成,如CPU卡、I/O卡等。並採取全鋼機殼、機卡壓條過濾網,雙正壓風扇等設計及EMC(electromagneticcompatibility)技術以解決工業現場的電磁干擾、震動、灰塵、高/低溫等問題。
IPC有以下特點:
可靠性:工業PC具有在粉塵、煙霧、高/低溫、潮濕、震動、腐蝕和快速診斷和可維護性,其MTTR(MeanTimetoRepair)一般為5min,MTTF10萬小時以上,而普通PC的MTTF僅為10000~15000小時。
實時性,工業PC對工業生產過程進行實時在線檢測與控制,對工作狀況的變化給予快速響應,及時進行採集和輸出調節(看門狗功能這是普通PC所不具有的),遇險自復位,保證系統的正常運行。
擴充性,工業PC由於採用底板+CPU卡結構,因而具有很強的輸入輸出功能,最多可擴充20個板卡,能與工業現場的各種外設、板卡如與道控制器、視頻監控系統、車輛檢測儀等相連,以完成各種任務。
兼容性,能同時利用ISA與PCI及PICMG資源,並支持各種操作系統,多種語言匯編,多任務操作系統。
2、可編程序控制器(PLC)
PLC 英文全稱Programmable Logic Controller,中文全稱為可編程邏輯控制器。定義是:一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作電子系統。它採用一種可編程的存儲器,在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令,通過數字式或模擬式的輸入輸出來控制各種類型的機械設備或生產過程。
可編程式控制制器是計算機技術與自動化控制技術相結合而開發的一種適用工業環境的新型通用自動控制裝置,是作為傳統繼電器的替換產品而出現的。隨著微電子技術和計算機技術的迅猛發展,可編程式控制制器更多地具有了計算機的功能,不僅能實現邏輯控制,還具有了數據處理、通信、網路等功能。由於它可通過軟體來改變控制過程,而且具有體積小、組裝維護方便、編程簡單、可靠性高、抗干擾能力強等特點,已廣泛應用於工業控制的各個領域,大大推進了機電一體化的進程。
3、分散型控制系統(DCS)
DCS 英文全稱Distributed Control System,中文全稱為分布式控制系統。它是一種高性能、高質量、低成本、配置靈活的分散控制系統系列產品,可以構成各種獨立的控制系統、分散控制系統DCS、監控和數據採集系統(SCADA),能滿足各種工業領域對過程式控制制和信息管理的需求。系統的模塊化設計、合理的軟硬體功能配置和易於擴展的能力,能廣泛用於各種大、中、小型電站的分散型控制、發電廠自動化系統的改造以及鋼鐵、石化、造紙、水泥等工業生產過程式控制制。
4、現場匯流排系統(FCS)
FCS英文全稱Fieldbus Control System,中文全稱為現場匯流排控制系統。它是全數字串列、雙向通信系統。系統內測量和控制設備如探頭、激勵器和控制器可相互連接、監測和控制。在工廠網路的分級中,它既作為過程式控制制(如PLC,LC等)和應用智能儀表(如變頻器、閥門、條碼閱讀器等)的局部網,又具有在網路上分布控制應用的內嵌功能。由於其廣闊的應用前景,眾多國外有實力的廠家競相投入力量,進行產品開發。現今,國際上已知的現場匯流排類型有四十餘種,比較典型的現場匯流排有:FF,Profibus,LONworks,CAN,HART,CC-LINK等。
5、數控系統(CNC)
CNC英文全稱Computer numerical control,中文全稱為計算機數字控制系統。它是採用微處理器或專用微機的數控系統,由事先存放在存儲器里系統程序(軟體)來實現控制邏輯,實現部分或全部數控功能,並通過介面與外圍設備進行聯接,稱為計算機數控,簡稱CNC系統。數控機床是以數控系統為代表的新技術對傳統機械製造產業的滲透形成的機電一體化產品;其技術范圍覆蓋很多領域:
1)機械製造技術;
2)信息處理、加工、傳輸技術;
3)自動控制技術;
4)伺服驅動技術;
5)感測器技術;
6)軟體技術等。