自學工業控制網絡之路1.1-工業控制系統發展歷程CCS DCS FCS

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自學工業控制網絡之路1.1-工業控制系統發展歷程CCS DCS FCS

工業控制系統是對諸如圖像、語音信號等大數據量、高速率傳輸的要求，又催生了當前在商業領域風靡的以太網與控制網絡的結合。這股工業控制系統網絡化浪潮又將諸如嵌入式技術、多標準工業控制網絡互聯、無線技術等多種當今流行技術融合進來，從而拓展了工業控制領域的發展空間，帶來新的發展機遇。

隨着計算機技術、通訊技術和控制技術的發展，傳統的控制領域正經歷着一場史無前例的變革，開始向網絡化方向發展。

1. 工業控制系統發展歷程

控制系統的結構從最初的CCS（計算機集中控制系統），到第二代的DCS（分散控制系統），發展到如今流行的FCS（現場總線控制系統）。

2. DCS分散控制系統/分佈式控制系統

DCS是分佈式控制系統的英文縮寫（Distributed Control System），在國內自控行業又稱之爲集散控制系統。是相對於集中式控制系統而言的一種新型計算機控制系統，它是在集中式控制系統CCS的基礎上發展、演變而來的。

DCS它是一個由過程控制級和過程監控級組成的以通訊網絡爲紐帶的多級計算機系統，綜合了計算機，通訊、顯示和控制等4C技術，其基本思想是分散控制、集中操做、分級管理、配置靈活以及組態方便。

2.1 DCS 發展歷程

第一階段  1975-1980年，在這個時期集散控制系統的技術特色表現爲：

• 採用微處理器爲基礎的控制單元，實現分散控制，有各類各樣的算法，經過組態獨立完成迴路控制，具備自診斷功能
• 採用帶CRT顯示器的操做站與過程單元分離，實現集中監視，集中操做
• 採用較先進的冗餘通訊系統

第二階段  1980—1985，在這個時期集散控制系統的技術特色表現爲：

• 微處理器的位數提升，CRT顯示器的分辨率提升
• 強化的模塊化系統
• 強化了系統信息管理，增強通訊功能

第三階段  1985年之後，集散系統進入第三代，其技術特色表現爲：

• 採用開放系統管理
• 操做站採用32位微處理器
• 採用實時多用戶多任務的操做系統

進入九十年代之後，計算機技術日新月異，更多新的技術被應用到了DCS之中。PLC是一種針對順序邏輯控制發展起來的電子設備，它主要用於代替不靈活並且笨重的繼電器邏輯。而此時基於現場總線的FCS將取代DCS成爲控制系統的主角。

2.2 DCS 特色

• 高可靠性：因爲DCS將系統控制功能分散在各臺計算機上實現，系統結構採用容錯設計，所以某一臺計算機出現的故障不會致使系統其它功能的喪失。此外，因爲系統中各臺計算機所承擔的任務比較單一，能夠針對須要實現的功能採用具 有特定結構和軟件的專用計算機，從而使系統中每臺計算機的可靠性也獲得提升。

• 開放性：DCS採用開放式、標準化、模塊化和系列化設計，系統中各臺計算機採用局域網方式通訊，實現信息傳輸，當須要改變或擴充系統功能時，可將新增計算機方便地連入系統通訊網絡或從網絡中卸下，幾乎不影響系統其餘計算機的工做。

• 靈活性：經過組態軟件根據不一樣的流程應用對象進行軟硬件組態，即肯定測量與控制信號及相互間鏈接關係、從控制算法庫選擇適用的控制規律以及從圖形庫調用基本圖形組成所需的各類監控和報警畫面，從而方便地構成所需的控制系統。易於維護功能單一的小型或微型專用計算機，具備維護簡單、方便的特色，當某一局部或某個計算機出現故障時，能夠在不影響整個系統運行的狀況下在線更換，迅速排除故障。

• 協調性：各工做站之間經過通訊網絡傳送各類數據，整個系統信息共享，協調工做，以完成控制系統的整體功能和優化處理。

• 控制功能齊全：控制算法豐富，集連續控制、順序控制和批處理控制於一體，可實現串級、前饋、解耦、自適應和預測控制等先進控制，並可方便地加入所需的特殊控制算法。DCS的構成方式十分靈活，可由專用的管理計算機站、操做員站、工程師站、記錄站、現場控制站和數據採集站等組成，也可由通用的服務器、工業控制計算機和可編程控制器構成。處於底層的過程控制級通常由分散的現場控制站、數據採集站等就地實現數據採集和控制，並經過數據通訊網絡傳送到生產監控級計算機。生產監控級對來自過程控制級的數據進行集中操做管理，如各類優化計算、統計報表、故障診斷、顯示報警等。隨着計算機技術的發展，DCS能夠按照須要與更高性能的計算機設備經過網絡鏈接來實現更高級的集中管理功能，如計劃調度、倉儲管理、能源管理等。

2.3 DCS 結構

從結構上劃分，DCS包括過程級、操做級和管理級。

• 過程級主要由過程控制站、I/O單元和現場儀表組成，是系統控制功能的主要實施部分。
• 操做級包括：操做員站和工程師站，完成系統的操做和組態。
• 管理級主要是指工廠管理信息系統（MIS系統），做爲DCS更高層次的應用，目前國內紙行業應用到這一層的系統較少。

DCS的控制程序：DCS的控制決策是由過程控制站完成的，因此控制程序是由過程控制站執行的。

過程控制站的組成：DCS的過程控制站是一個完整的計算機系統，主要由電源、CPU（中央處理器）、網絡接口和I/O組成

• I/O：控制系統須要創建信號的輸入和輸出通道，這就是I/O。
• DCS中的I/O通常是模塊化的，一個I/O模塊上有一個或多個I/O通道，用來鏈接傳感器和執行器（調節閥）。
• I/O單元：一般一個過程控制站是有幾個機架組成，每一個機架能夠擺放必定數量的模塊。
• CPU所在的機架被稱爲CPU單元，同一個過程站中只能有一個CPU單元，其餘只用來擺放I/O模塊的機架就是I/O單元。

3. FCS 現場總線控制系統

現場總線（Field bus）是近年來迅速發展起來的一種工業數據總線，它主要解決工業現場的智能化儀器儀表、控制器、執行機構等現場設備間的數字通訊以及這些現場控制設備和高級控制系統之間的信息傳遞問題。因爲現場總線簡單、可靠、經濟實用等一系列突出的優勢，於是受到了許多標準團體和計算機廠商的高度重視。

它是一種工業數據總線，是自動化領域中底層數據通訊網絡。

簡單說，現場總線就是以數字通訊替代了傳統4-20mA模擬信號及普通開關量信號的傳輸，是鏈接智能現場設備和自動化系統的全數字、雙向、多站的通訊系統。

3.1 FCS 特徵

• 全數字化通訊：用於過程自動化和製造自動化的現場設備或現場儀表互連的現場通訊網絡。
• 開放型的互聯網絡：現場總線爲開放式互聯網絡，既能夠與同層網絡互聯，也可與不一樣層網絡互聯，還能夠實現網絡數據庫的共享。
• 互可操做性與互用性：據實際須要使用不一樣的傳輸介質把不一樣的現場設備或者現場儀表相互關聯。用戶能夠根據自身的需求選擇不一樣廠家或不一樣型號的產品構成所需的控制迴路，從而能夠自由地集成FCS。
• 現場設備的智能化
• 系統結構的高度分散性：FCS 廢棄了DCS 的輸入/輸出單元和控制站, 把DCS 控制站的功能塊分散地分配給現場儀表, 從而構成虛擬控制站，完全地實現了分散控制。
• 對現場環境的適應性
• 通訊線供電：通訊線供電方式容許現場儀表直接從通訊線上攝取能量, 這種方式提供用於本質安全環境的低功耗現場儀表, 與其配套的還有安全柵。

3.2 FCS 特色

• 現場控制設備具備通訊功能，便於構成工廠底層控制網絡。
• 通訊標準的公開、一致，使系統具有開放性，設備間具備互可操做性。
• 功能塊與結構的規範化使相同功能的設備間具備互換性。
• 控制功能下放到現場，使控制系統結構具有高度的分散性。

FCS 優勢

• 現場總線使自控設備與系統步入了信息網絡的行列，爲其應用開拓了更爲廣闊的領域；
• 一對雙絞線上可掛接多個控制設備， 便於節省安裝費用；
• 節省維護開銷；
• 提升了系統的可靠性；
• 爲用戶提供了更爲靈活的系統集成主動權。

FCS 缺點

• 網絡通訊中數據包的傳輸延遲，通訊系統的瞬時錯誤和數據包丟失，發送與到達次序的不一致等都會破壞傳統控制系統本來具備的肯定性，使得控制系統的分析與綜合變得更復雜，使控制系統的性能受到負面影響。

3.3 FCS 控制組成

現場總線控制系統由測量系統、控制系統、管理系統三個部分組成，而通訊部分的硬、軟件是它最有特點的部分。

• 現場總線控制系統：

          它的軟件是系統的重要組成部分，控制系統的軟件有組態軟件、維護軟件、仿真軟件、設備軟件和監控軟件等。首先選擇開發組態軟件、控制操做人機接口軟件MMI。經過組態軟件，完成功能塊之間的鏈接，選定功能塊參數，進行網絡組態。在網絡運行過程當中對系統實時採集數據、進行數據處理、計算。優化控制及邏輯控制報警、監視、顯示、報表等。

• 現場總線的測量系統：

          其特色爲多變量高性能的測量，使測量儀表具備計算能力等更多功能，因爲採用數字信號，具備高分辨率，準確性高、抗干擾、抗畸變能力強，同時還具備儀表設備的狀態信息，能夠對處理過程進行調整。

• 設備管理系統：

          能夠提供設備自身及過程的診斷信息、管理信息、設備運行狀態信息（包括智能儀表）、廠商提供的設備製造信息。例如Fisher—Rosemoune公司，推出AMS管理系統，它安裝在主計算機內，由它完成管理功能，能夠構成一個現場設備的綜合管理系統信息庫，在此基礎上實現設備的可靠性分析以及預測性維護。將被動的管理模式改變爲可預測性的管理維護模式AMS軟件是以現場服務器爲平臺的T型結構，在現場服務器上支撐模塊化，功能豐富的應用軟件爲用戶提供一個圖形化界面。

• 總線系統計算機服務模式：

          以客戶機/服務器模式是較爲流行的網絡計算機服務模式。服務器表示數據源（提供者），應用客戶機則表示數據使用者，它從數據源獲取數據，並進一步進行處理。客房機運行在PC機或工做站上。服務器運行在小型機或大型機上，它使用雙方的智能、資源、數據來完成任務。

• 數據庫：

          它能有組織的、動態的存儲大量有關數據與應用程序，實現數據的充分共享、交叉訪問，具備高度獨立性。工業設備在運行過程當中參數連續變化，數據量大，操做與控制的實時性要求很高。所以就造成了一個能夠互訪操做的分佈關係及實時性的數據庫系統，市面上成熟的供選用的如關係數據庫中的Oracle，sybas，Informix，SQL Server；實時數據庫中的Infoplus，PI，ONSPEC等。

• 網絡系統的硬件與軟件：

          網絡系統硬件有：系統管理主機、服務器、網關、協議變換器、集線器，用戶計算機等及底層智能化儀表。網絡系統軟件有網絡操做軟件如：NetWarc，LAN Mangger，Vines，服務器操做軟件如Lenix，os/2，Window NT。應用軟件數據庫、通訊協議、網絡管理協議等。

3.4 FCS 現場總線種類

世界上存在着大約四十餘種現場總線，

• 國際標準組織-基金會現場總線FF：FieldBusFoundation
• 法國的FIP
• 英國的ERA
• 德國西門子公司Siemens的ProfiBus
• 挪威的FINT
• Echelon公司的LONWorks
• PhenixContact公司的InterBus
• RoberBosch公司的CAN
• Rosemount公司的HART
• CarloGavazzi公司的Dupline
• 丹麥ProcessData公司的P-net
• PeterHans公司的F-Mux
• ASI（ActraturSensorInterface）
• MODBus，SDS
• Arcnet
• WorldFIP
• BitBus
• 美國的DeviceNet與ControlNet等等

每種總線大都有其應用的領域:

• FF、PROFIBUS-PA適用於石油、化工、醫藥、冶金等行業的過程控制領域；
• LonWorks、PROFIBUS-FMS、DeviecNet適用於樓宇、交通運輸、農業等領域；
• DeviceNet、PROFIBUS-DP適用於加工製造業，而這些劃分也不是絕對的，每種現場總線都力圖將其應用領域擴大，彼此滲透。

3.5 FCS 注意事項

• 通訊距離。現場總線的通訊距離通常有必定的要求。

          例如，PROFIBUS/DP在12Mbps速率時，採用標準電纜，能夠達到200m，若是採用187.5kbps速率，能夠達到1 000m。
          通訊距離有兩層含義，第一個，是兩個節點之間不經過中繼器可以實現的距離，通常來講，距離和通訊速率成反比
          另外一個，是整個網絡最遠的兩個節點之間的距離。每每在廠家的介紹材料中對於此類的描述不夠清楚，在實際使用中，必須考慮整個網絡的範圍，電磁波信號在電纜中傳遞是須要時間的，特別在—些高速的現場總線中，若是增大距離，就必須對一些通訊參數進行修改

• 線纜選擇。現場的環境決定現場總線的通訊速度和通訊介質。

          通常而言，現場總線採用電信號傳遞數據，在傳輸的過程當中不可避免地收到周圍電磁環境的影響。大多數現場總線採用屏蔽雙絞線。必須注意的是，不一樣種類現場總線要求的屏蔽雙絞線多是不一樣的。
          現場總線的開發者通常規定一種特製的線纜，在正確使用這種線纜的條件下才能實現規定的速率和傳輸距離。
          在電磁條件極度惡劣的條件下，光纜是合理的選擇，不然局部的干擾，可能影響整個現場總線網絡的工做；

• 隔離

         通常來講，現場總線的電信號與設備內部是電氣隔離的。現場總線電纜分佈在車間的各個角落，一旦發生高電壓串入，會形成整個網段全部設備的總線收發器損壞。若是不加以隔離，高電壓信號會繼續將設備內部其餘電路損壞，致使嚴重的後果；

• 屏蔽

         現場總線採用的屏蔽電纜的外層必須在一點良好接地，若是高頻干擾嚴重，能夠採用多點電容接地，不容許多點直接接地，避免產生地迴路電流

• 鏈接器

         現場總線通常沒有對鏈接器作嚴格的規定，可是若是處理不當，會影響整個系統通訊。例如，現場總線通常採用總線型菊花鏈鏈接方式，在鏈接每個設備時，必須注意如何不影響在現有通訊的條件下，實現設備插入和摘除，這對鏈接器就有必定的要求

• 終端匹配

          現場總線信號和全部電磁波信號同樣具備反射現象，在總線每個網段的兩個終端，都應該採用電阻匹配，第一個做用能夠吸取放射，第二個做用是在總線的兩端實現正確的電平，保證通訊。          所以，現場總線技術是控制、計算機、通信技術的交叉與集成，它的出現和快速發展體現了控制領域對下降成本、提升可靠性、加強可維護性和提升數據採集的智能化的要求。