自學工業控制網絡之路1.1-工業控制系統發展曆程CCS DCS FCS

工業控制系統是對諸如圖像、語音信号等大資料量、高速率傳輸的要求，又催生了目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将諸如嵌入式技術、多标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，進而拓展了工業控制領域的發展空間，帶來新的發展機遇。

随着計算機技術、通信技術和控制技術的發展，傳統的控制領域正經曆着一場前所未有的變革，開始向網絡化方向發展。

1. 工業控制系統發展曆程

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），發展到現在流行的FCS（現場總線控制系統）。

2. DCS分散控制系統/分布式控制系統

DCS是分布式控制系統的英文縮寫（Distributed Control System），在國内自控行業又稱之為集散控制系統。是相對于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信網絡為紐帶的多級計算機系統，綜合了計算機，通信、顯示和控制等4C技術，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活以及組态友善。

2.1 DCS 發展曆程

第一階段  1975-1980年，在這個時期集散控制系統的技術特點表現為：

• 采用微處理器為基礎的控制單元，實作分散控制，有各種各樣的算法，通過組态獨立完成回路控制，具有自診斷功能
• 采用帶CRT顯示器的操作站與過程單元分離，實作集中監視，集中操作
• 采用較先進的備援通信系統

第二階段  1980—1985，在這個時期集散控制系統的技術特點表現為：

• 微處理器的位數提高，CRT顯示器的分辨率提高
• 強化的子產品化系統
• 強化了系統資訊管理，加強通信功能

第三階段  1985年以後，集散系統進入第三代，其技術特點表現為：

• 采用開放系統管理
• 操作站采用32位微處理器
• 采用實時多使用者多任務的作業系統

進入九十年代以後，計算機技術突飛猛進，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裝置，它主要用于代替不靈活而且笨重的繼電器邏輯。而此時基于現場總線的FCS将取代DCS成為控制系統的主角。

2.2 DCS 特點

• 高可靠性：由于DCS将系統控制功能分散在各台計算機上實作，系統結構采用容錯設計，是以某一台計算機出現的故障不會導緻系統其它功能的喪失。此外，由于系統中各台計算機所承擔的任務比較單一，可以針對需要實作的功能采用具 有特定結構和軟體的專用計算機，進而使系統中每台計算機的可靠性也得到提高。
• 開放性：DCS采用開放式、标準化、子產品化和系列化設計，系統中各台計算機采用區域網路方式通信，實作資訊傳輸，當需要改變或擴充系統功能時，可将新增計算機友善地連入系統通信網絡或從網絡中卸下，幾乎不影響系統其他計算機的工作。
• 靈活性：通過組态軟體根據不同的流程應用對象進行軟硬體組态，即确定測量與控制信号及互相間連接配接關系、從控制算法庫選擇适用的控制規律以及從圖形庫調用基本圖形組成所需的各種監控和報警畫面，進而友善地構成所需的控制系統。易于維護功能單一的小型或微型專用計算機，具有維護簡單、友善的特點，當某一局部或某個計算機出現故障時，可以在不影響整個系統運作的情況下線上更換，迅速排除故障。
• 協調性：各工作站之間通過通信網絡傳送各種資料，整個系統資訊共享，協調工作，以完成控制系統的總體功能和優化處理。
• 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于一體，可實作串級、前饋、解耦、自适應和預測控制等先進控制，并可友善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、操作員站、工程師站、記錄站、現場控制站和資料采集站等組成，也可由通用的伺服器、工業控制計算機和可程式設計控制器構成。處于底層的過程控制級一般由分散的現場控制站、資料采集站等就地實作資料采集和控制，并通過資料通信網絡傳送到生産監控級計算機。生産監控級對來自過程控制級的資料進行集中操作管理，如各種優化計算、統計報表、故障診斷、顯示報警等。随着計算機技術的發展，DCS可以按照需要與更高性能的計算機裝置通過網絡連接配接來實作更進階的集中管理功能，如計劃排程、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、操作級和管理級。

• 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。
• 操作級包括：操作員站和工程師站，完成系統的操作群組态。
• 管理級主要是指工廠管理資訊系統（MIS系統），作為DCS更高層次的應用，目前國内紙行業應用到這一層的系統較少。

DCS的控制程式：DCS的控制決策是由過程控制站完成的，是以控制程式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：控制系統需要建立信号的輸入和輸出通道，這就是I/O。
• DCS中的I/O一般是子產品化的，一個I/O子產品上有一個或多個I/O通道，用來連接配接傳感器和執行器（調節閥）。
• I/O單元：通常一個過程控制站是有幾個機架組成，每個機架可以擺放一定數量的子產品。
• CPU所在的機架被稱為CPU單元，同一個過程站中隻能有一個CPU單元，其他隻用來擺放I/O子產品的機架就是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資料總線，它主要解決工業現場的智能化儀器儀表、控制器、執行機構等現場裝置間的數字通信以及這些現場控制裝置和進階控制系統之間的資訊傳遞問題。由于現場總線簡單、可靠、經濟實用等一系列突出的優點，因而受到了許多标準團體和計算機廠商的高度重視。

它是一種工業資料總線，是自動化領域中底層資料通信網絡。

簡單說，現場總線就是以數字通信替代了傳統4-20mA模拟信号及普通開關量信号的傳輸，是連接配接智能現場裝置和自動化系統的全數字、雙向、多站的通信系統。

3.1 FCS 特征

• 全數字化通信：用于過程自動化和制造自動化的現場裝置或現場儀表互連的現場通信網絡。
• 開放型的網際網路絡：現場總線為開放式網際網路絡，既可以與同層網絡互聯，也可與不同層網絡互聯，還可以實作網絡資料庫的共享。
• 互可操作性與互用性：據實際需要使用不同的傳輸媒體把不同的現場裝置或者現場儀表互相關聯。使用者可以根據自身的需求選擇不同廠家或不同型号的産品構成所需的控制回路，進而可以自由地內建FCS。
• 現場裝置的智能化
• 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配置設定給現場儀表, 進而構成虛拟控制站，徹底地實作了分散控制。
• 對現場環境的适應性
• 通信線供電：通信線供電方式允許現場儀表直接從通信線上攝取能量, 這種方式提供用于本質安全環境的低功耗現場儀表, 與其配套的還有安全栅。

3.2 FCS 特點

• 現場控制裝置具有通信功能，便于構成工廠底層控制網絡。
• 通信标準的公開、一緻，使系統具備開放性，裝置間具有互可操作性。
• 功能塊與結構的規範化使相同功能的裝置間具有互換性。
• 控制功能下放到現場，使控制系統結構具備高度的分散性。

FCS 優點

• 現場總線使自控裝置與系統步入了資訊網絡的行列，為其應用開拓了更為廣闊的領域；
• 一對雙絞線上可挂接多個控制裝置， 便于節省安裝費用；
• 節省維護開銷；
• 提高了系統的可靠性；
• 為使用者提供了更為靈活的系統內建主動權。

FCS 缺點

• 網絡通信中資料包的傳輸延遲，通信系統的瞬時錯誤和資料包丢失，發送與到達次序的不一緻等都會破壞傳統控制系統原本具有的确定性，使得控制系統的分析與綜合變得更複雜，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，而通信部分的硬、軟體是它最有特色的部分。

• 現場總線控制系統：

          它的軟體是系統的重要組成部分，控制系統的軟體有組态軟體、維護軟體、仿真軟體、裝置軟體和監控軟體等。首先選擇開發組态軟體、控制操作人機接口軟體MMI。通過組态軟體，完成功能塊之間的連接配接，標明功能塊參數，進行網絡組态。在網絡運作過程中對系統實時采集資料、進行資料處理、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：

          其特點為多變量高性能的測量，使測量儀表具有計算能力等更多功能，由于采用數字信号，具有高分辨率，準确性高、抗幹擾、抗畸變能力強，同時還具有儀表裝置的狀态資訊，可以對處理過程進行調整。

• 裝置管理系統：

          可以提供裝置自身及過程的診斷資訊、管理資訊、裝置運作狀态資訊（包括智能儀表）、廠商提供的裝置制造資訊。例如Fisher—Rosemoune公司，推出AMS管理系統，它安裝在主計算機内，由它完成管理功能，可以構成一個現場裝置的綜合管理系統資訊庫，在此基礎上實作裝置的可靠性分析以及預測性維護。将被動的管理模式改變為可預測性的管理維護模式AMS軟體是以現場伺服器為平台的T型結構，在現場伺服器上支撐子產品化，功能豐富的應用軟體為使用者提供一個圖形化界面。

• 總線系統計算機服務模式：

          以客戶機/伺服器模式是較為流行的網絡計算機服務模式。伺服器表示資料源（提供者），應用客戶機則表示資料使用者，它從資料源擷取資料，并進一步進行處理。客房機運作在PC機或工作站上。伺服器運作在小型機或大型機上，它使用雙方的智能、資源、資料來完成任務。

• 資料庫：

          它能有組織的、動态的存儲大量有關資料與應用程式，實作資料的充分共享、交叉通路，具有高度獨立性。工業裝置在運作過程中參數連續變化，資料量大，操作與控制的實時性要求很高。是以就形成了一個可以互訪操作的分布關系及實時性的資料庫系統，市面上成熟的供選用的如關系資料庫中的Oracle，sybas，Informix，SQL Server；實時資料庫中的Infoplus，PI，ONSPEC等。

• 網絡系統的硬體與軟體：

          網絡系統硬體有：系統管理主機、伺服器、網關、協定變換器、集線器，使用者計算機等及底層智能化儀表。網絡系統軟體有網絡操作軟體如：NetWarc，LAN Mangger，Vines，伺服器操作軟體如Lenix，os/2，Window NT。應用軟體資料庫、通信協定、網絡管理協定等。

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，

• 國際标準組織-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适用于石油、化工、醫藥、冶金等行業的過程控制領域；
• LonWorks、PROFIBUS-FMS、DeviecNet适用于樓宇、交通運輸、農業等領域；
• DeviceNet、PROFIBUS-DP适用于加工制造業，而這些劃分也不是絕對的，每種現場總線都力圖将其應用領域擴大，彼此滲透。

3.5 FCS 注意事項

• 通信距離。現場總線的通信距離一般有一定的要求。

          例如，PROFIBUS/DP在12Mbps速率時，采用标準電纜，可以達到200m，如果采用187.5kbps速率，可以達到1 000m。

          通信距離有兩層含義，第一個，是兩個節點之間不通過中繼器能夠實作的距離，一般來說，距離和通信速率成反比

          另一個，是整個網絡最遠的兩個節點之間的距離。往往在廠家的介紹材料中對于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，電磁波信号在電纜中傳遞是需要時間的，特别在—些高速的現場總線中，如果增大距離，就必須對一些通信參數進行修改

• 線纜選擇。現場的環境決定現場總線的通信速度和通信媒體。

          一般而言，現場總線采用電信号傳遞資料，在傳輸的過程中不可避免地收到周圍電磁環境的影響。大多數現場總線采用屏蔽雙絞線。必須注意的是，不同種類現場總線要求的屏蔽雙絞線可能是不同的。

          現場總線的開發者一般規定一種特制的線纜，在正确使用這種線纜的條件下才能實作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，否則局部的幹擾，可能影響整個現場總線網絡的工作；

• 隔離

         一般來說，現場總線的電信号與裝置内部是電氣隔離的。現場總線電纜分布在工廠中的房間的各個角落，一旦發生高電壓串入，會造成整個網段所有裝置的總線收發器損壞。如果不加以隔離，高電壓信号會繼續将裝置内部其他電路損壞，導緻嚴重的後果；

• 屏蔽

• 連接配接器

• 終端比對