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浅谈DCS集散控制系统产品开发

作者：佚名文章来源：不详点击数：更新时间：2008-9-24 17:33:02

摘要：随着电力资源的不足，推动电站汽轮机、燃汽轮机市场的快速发展，新发电机组招标和老机改造正在紧锣密鼓的蓄势待发。而基于我们轻车熟路的DEH控制系统却逐步将被DCS系统所取代。我们的生存面临着严峻的挑战。我们费尽心血设计、调试的多种DEH控制系统成功投入运行，却没有一个系统的知识产权是完全属于自己的。业绩被别人一个个地写入产品样本中，而配套产品成本完全受制于成套供应商，并且大有逐步蚕食我们打下的天下之势。

我们究竟是否需要开发自己DCS系统以完善配套DEH控制系统、逐步扩展我们的市场空间，还是维持现状坐观工控产业的日新月异的发展？下面我就针对以上情况谈一点自己的看法，供领导和有识之士参考。

关键词：FCS （现场总线控制系统）、DCS （集散控制系统）、PCS（过程控制系统）、 PLC（可编程逻辑控制器）

1．集散控制系统DCS与现场总线控制系统FCS的比较

1．1 概述FCS、DCS

FCS是在DCS的基础上发展起来的，FCS顺应了自动控制系统的发展潮流，它必将替代DCS。这已是业内人士的基本共识。然而，任何新事物的发生，发展都是在对旧事物的扬弃中进行的，FCS与DCS的关系必然也不例外。FCS代表潮流与发展方向，而DCS则代表传统与成熟，也是独具优势的事物。特别是现阶段，FCS尚没有统一的国际标准而呈群雄逐鹿之势，DCS则以其成熟的发展，完备的功能及广泛的应用而占居着一个尚不可完全替代的地位。本人认为：现场总线控制系统FCS应该与集散式控制系统DCS相互兼容。

无论是FCS或者是DCS，它们最终是为了满足整个生产过程而进行的系统控制（PCS）。

首先以工程成本与效益看，现场总线的根本优势是良好的互操作性；结构简单，从而布线费用低；控制功能分散，灵活可靠，以及现场信息丰富。然而这些优势是建立在 FCS系统初装的前提下，倘诺企业建立有完善的DCS，现在要向FCS过渡，则必须仔细考虑现有投资对已有投资的回报率。充分利用已有的DCS设施，现有DCS的布线以及成熟的DCS控制管理方式来实现FCS是我们应选之途。

虽然现场总线对已有的数字现场协议有优势可言，但向其过渡的代价与风险是必须分析清楚的。再者，从技术的继承及控制手段上，也要求FCS与DCS应相兼容。FCS实现控制功能下移至现场层，使DCS的多层网络被扁平化，各个现场设备节点的独立功能得以加强，因此，在FCS中有必要增加和完善现场子层设备间的数据通讯功能。

由于历史的原因，DCS通常拥有大型控制柜用以协调各个设备，同时更强调层与层的数据传输。可见，两种控制在策略上各具优势。DCS适用于较慢的数据传输速率；FCS则更适用于较快的数据传输速率，以及更灵活的处理数据。然而，当数据量超过一定值过于偏大时，如果同层的设备过于独立，则很容易导致数据网络的堵塞。要解决这个问题，拟设立一个适当的监控层用以协调相互通讯的设备，必然是有益的，DCS就能轻松地胜任这一工作。可见，为使FCS的控制方式和手段完善化，是有必要借鉴DCS的一些控制思想的。

要把握新世纪工业过程控制的发展趋势，无论在学术研究或是工程应用方面都有必要使FCS综合与继承DCS的成熟控制策略；与此同时，DCS的发展也应追寻FCS控制策略的新思想，使其具有新的生命力。DCS应能动地将底层控制权交付给FCS系统，将较高层的系统协调管理功能发扬光大，完成对新时代，新形势的工业控制系统的智能设备集成。

1．2现场总线传输特点

现场总线控制系统（FCS）是顺应智能现场仪表而发展起来的。它的初衷是用数字通讯代替4－20mA模拟传输技术，但随着现场总线技术与智能仪表管控一体化（仪表调校、控制组态、诊断、报警、记录）的发展，在控制领域内引起了一场前所未有的革命。控制专家们纷纷预言：FCS将成为21世纪控制系统的主流。

然而就在人们沸沸扬扬的对FCS进行概念炒作的时候，却没有注意到它的发展在某些方面的不协调，其主要表现在迄今为止现场总线的通讯标准尚未统一，这使得各厂商的仪表设备难以在不同的FCS中兼容。此外，FCS的传输速率也不尽人意，以基金会现场总线（FF）正在制定的国际标准为例，它采用了ISO的参考模型中的3层（物理层、数据链路层和应用层）和极具特色的用户层，其低速总线H1的传输速度为31.25kbps，高速总线H2的传输速度为1Mbps或2.5Mbps，就针对西门子推出的PROFIBUS总线而言：其市场站有率相对较大，但由于受通讯线路长度的影响，在100M线路长度下最高通讯速率为12Mbps，这在有些场合下仍无法满足实时控制的要求。由于上述原因，使FCS在工业控制中的推广应用受到了一定的限制。当人们冷静下来对这些问题进行思考时，不禁想起了在商业网络中广泛应用的以太网。

以太网具有传输速度高、低耗、易于安装和兼容性好等方面的优势，由于它支持几乎所有流行的网络协议，所以在商业系统中被广泛采用。但是传统以太网采用总线式拓朴结构和多路存取载波侦听碰撞检测（CSMA/CD）通讯方式,在实时性要求较高的场合下，重要数据的传输过程会产生传输延滞，这被称为以太网的“不确定性”。研究表明：商业以太网在工业应用中的传输延滞在2～30ms之间，这是影响以太网长期无法进入过程控制领域的重要原因之一。因此对以太网的研究具有工程实用价值，从而产生了一种新型以太网。

1．3工业以太网的研究现状

近年来控制与通讯工程师们致力于新型工业以太网的研究工作，其中有代表性的是FF制定的快速以太网标准，其传输速度为100Mbps。综观工业以太网的研究现状，出现了两个值得注意的发展方向：以太网集线器和具有实时功能的以太网的协议。

a、以太网集线器
FF将以太网技术加入到H2协议中，并以它作为H2的底层协议，其网络采用星型拓朴结构。
集线器（HUB）置于网络中心并通过以太网I/O接口挂接现场设备，其中实时现场仪表和普通现场仪表（通过通道组）分别挂接在不同的以太网I/O接口上。以太网I/O接口高速（约100 kHz）扫描所有实时现场仪表和通道组，然后传送数据包到上层控制器。
通常普通控制算法在现场控制器中进行（可由上层控制器下载），而高级控制算法则在上层控制器中进行，其控制输出经以太网集线器和以太网I/O接口传输到现场执行仪表。由于实时现场仪表挂接在专用的以太网入口地址，并用完全分离的线路传输数据，所以保证了实时数据不会产生传输延滞和线路阻塞。
集线器作为网络的仲裁器，除了控制通信双方的传输时间外，还对传输的数据包进行优先级设置，使每条信息都包含传输优先级等实时参数。此外智能化的集线器还可以动态检测需要通讯的现场设备所在以太网I/O口，并为之提供数据缓冲区，这样可大大缩短现场设备的响应时间和减少数据的重发次数。集线器与其它集线器相连可实现不同网络之间的数据共享。
经验证这种采用以太网集线器技术的FCS可使实时数据的延迟时间控制在200纳秒的范围之内，这已足以满足多数场合的实时控制要求。

b、在以太网的协议中加入实时功能
一些FCS的生产商（如ControlNet、Profibus、Modbus和Java等）在开发自己的工业以太网FCS时，在工业以太网协议中加入实时功能，此项技术被称为“地道”，它其实仅仅是在设备中加入特殊的协议芯片，这里不做具体介绍。

c、工业以太网的研究课题
上述研究工作的进展为以太网进入FCS提供了可行性，但要使以太网能在FCS中发挥其强大的网络优势，以满足现代工业控制中日益增长的数据传输和信息传输种类（如语音、图象和视频等）的需要，还有待于研究工作取得更大的突破性进展。目前的研究工作应集中解决以下两个方面的问题：

1．4尽快推出FCS国际标准

当今的FCS领域出现了世界各大厂商各自为战的混乱局面。其中有影响的为Intel公司的Bitbus、德国的HART和Profibus、丹麦的P-NET、Honeyvell及AB的WorldFIP、Foxboro,ABB和横河的ISP、FF的H1和H2和Echelon的Lonworks、菲利普的CAN等。这种混乱局面是由于各大厂商为了抢占市场急于推出自己的产品，而FCS的国际标准又迟迟不能出台所造成的。标准的不统一使各厂家推出的FCS成为一个个“自动化孤岛”，不同系统和现场设备的兼容性都很差。FCS的用户强烈呼吁尽快出台FCS的国际标准，以期望实现FCS的“世界大同”。

1994年6月WorldFIP和ISP联合成立了FF，它包括了世界上几乎所有的著名控制仪表厂商在内的100多个成员单位，致力于IEC的FCS国际标准化工作。但由于部分成员为了自身利益，力图阻止FCS的国际标准出台，形成了FF的FCS国际标准难以“一统天下”的令人担忧的局面。解决这一问题的途径是：一是要求FF在其国际标准中推出完善的用户层和严格的互操作性的产品认证；二是提高用户抵制非国际标准的FCS的自觉性。

工业以太网向FCS现场级的延伸。必须指出，工业以太网FCS中，其现场级总线的传输速度并不理想，这是因为工业以太网还只是在上层控制网络中应用，而许多厂商出于安全考虑，在许多技术问题没有解决之前，现场级尚未使用工业以太网，所以FCS总体的传输速度没有什么质的飞跃。为了实现以太网向现场级的延伸，除了改进以太网的通讯协议之外，还需要解决网络的本安、现场设备的冗余和通过以太网向现场仪表供电等技术问题。

本人认为，在保留FCS特色的基础上解决上述问题才能使工业以太网具有生命力。工业以太网的介入为FCS的发展注入了新的活力，随着FCS国际标准的推出以及有关技术问题的突破性进展，一个代表21世纪潮流的工业以太网的现场总线控制系统时代就会到来。

2． PLC与DCS、 FCS比较

PLC是由早期继电器逻辑控制系统与微机计算机技术相结合而发展起来的，它是以微处理器为主的一种工业控制仪表，它融计算机技术、控制技术和通信技术于一体，集顺序控制、过程控制和数据处理于一身，可靠性高、功能强大、控制灵活、操作维护简单。近几年来，可编程序控制器及组成系统在我国冶金、电厂、轻工石化、矿业、水处理等行业更是到了广泛的应用，并取得了一定的经济效益。

由于工业生产过程是一个分散系统。用户往往关心的不只是一个控制系统（例如DEH），因为它只是整个生产过程的一部分。他需要了解、控制整个控制系统。例如，电厂生产原料是煤、水，而制成品是电。因此生产过程控制（PCS）的方式最好是分散进行，而监视、操作和最佳化管理应以集中为好。随着工业生产规模不断扩大，控制管理的要求不断提高，过程参数日益增多，控制回路越加复杂，在70年代中期产生了集散控制系统DCS，他一经出现就受到工业控制界的青睐。DCS是集计算机技术、控制技术、网络通信技术和图形显示技术于一体的系统。与常规的集中式控制系统相比有如下特点：

　　1．实现了分散控制。它使得系统控制危险性分散、可靠性高、投资减小、维护方便。
　　2．实现集中监视、操作和管理。使得管理与现场分离，管理更能综合化和系统化，
　　3．采用网络通信技术，这是DCS的关键技术，它使得控制与管理都具实时性，并解决系统的扩充与升级问题。

目前，由于PLC把专用的数据高速公路（HIG HWAY）改成通用的网络，并逐步将PLC之间的通信规约靠拢使得PLC 有条件和其它各种计算机系统和设备实现集成，以组成大型的控制系统，这使得PLC 系统具备了DCS的形态，这样，基于PLC的DCS系统目前在国内外都得到了广泛的应用。应该说，PLC就其现状和发展趋势，更接近PCS系统所要求的FCS控制系统。

不过，由于受传统设计理验的影响，完全由PLC系统来构成传统的DCS系统还较难于让国内保守的设计院大量采用，虽然国外已经有大量的基于PLC构成的DCS系统正在正常的运行。

3．我们采用什么样的系统？

我们如果有志于在工业自动化控制系统中施展才能就必须发展DCS或FCS系统。因为它是未来工控领域的主流发展方向。至于采用别人的DCS、FCS系统还是自己开发DCS、FCS系统就要看看究竟我们具备什么样的能力，在下面的看法中我将要详细分析我们的主要特点和究竟在技术上需求什么！

如果说今后选择控制系统，我认为应该选择代表成熟的集散式控制系统DCS并具备先进的现场总线控制系统FCS，它们之间应该相互兼容。

3．1采用现有的DCS系统

这就是我在摘要中所提及的“维持现状坐观工控产业的日新月异的发展”。这种方式相对来讲无需投入较大的人力、物力开发产品，只须完全选用别人的产品，被动学习新的知识，而自动控制开发处则充当工程调试队。这种方式就目前情况而言可以维持生存，但纵观实例是不可能有大的发展。

3．2采用别人的硬件和软件系统（OEM）自己构成DCS系统

这种方式我们也曾经尝试过，不过，我们仅仅是降低了部分生产成本。降低产品总成本的主动权不属于我们，而业绩则属于软硬件开发商。

3．3与别人合作，共同开发新型DCS系统

这种方式我们也曾经尝试过，产品自主权不完全属于我们。技术水平我们先不用评说。但市场接纳程度还不理想。一但合作方短时间没有足够的回报率他是不可能再投入人力、物力以完善系统、提高技术水平。因为他不可能在一棵树上吊死，他还必须生存！这也是人之常情。

如果利用别人的成熟产品之品牌组成全方位合作模式，应该说在世界范围是有成功的例子。关键是应该认真分析、了解为什么市场接纳不够？怎样才能满足市场生存要求？

3．4完全自己开发DCS系统

这种想法由来已久！如果DCS开发成功，那不言而喻是一件好事！无论在电站自动化或者是其他行业中，工程应用的种种努力都是在为自己而作。其产品成本完全掌握在自己手里。获得更大的利润不再是一句空话。不过，我们应该在动手之前，充分了解自己究竟有没有能力开发产品，又有没有能力将其推向市场。这往往是我们考虑得较多的问题，从而导致我们无法下定决心的关键所在。那就先让我们分析一下究竟需要什么技术和人才吧！

前面讲了DCS系统是集计算机技术、控制技术、网络通信技术和图形显示技术于一体的系统。那就需要计算机、图形显示技术（软硬件件开发、系统维护），控制技术（系统工程师、硬件接口），网络通信技术（网络通讯技术及协议标准制定）。

a. 计算机、图形显示技术（软硬件件开发、系统维护）:
DCS系统的软件技术包括如下方面：
用于控制组态的软件和图形监视软件、各DI、DO、AI、AO及专用功能模件的嵌入式操作系统软件及控制、管理软件。
用于完成系统要求的硬件平台，如工程师站计算机系统、操作员站计算机系统、DCS机柜内的通用、专用模件。所有软件的运算、控制指令必须经过与此相配的硬件系统执行。

b. 控制技术（系统工程师、硬件接口）
完成整个控制系统要求的专业化技术知识。应该熟悉控制对象的工艺过程、特性及要求。

c. 网络通信技术（网络通讯技术及协议标准制定）。
DCS具有一定的通讯手段，为了兼容今后的FCS系统，应具备多种现场通讯手段或通讯转换卡件。需要熟悉多种通讯协议和接口（集线器、交换器、服务器及光纤通讯、光电转换接口等）。

4．DCS软件系统及其发展方向

随着计算机的普及发展，企业网（Intranet）和国际互联网（Internet）的商业化，Microsoft Windows受欢迎的程度与日俱增，这大大增加了工业控制领域对Windows开发的普遍要求。

当今的集散控制系统（DCS）环境下的控制系统软件（或应用程序）与一般环境下的应用程序相比：一方面其功能已经发生了质的变化。比如，DCS网络下的控制系统软件能够调用、执行DCS网络中其它计算机上的一个程序，并与之交互，这是其它环境下的应用程序无法实现的；另一方面，DCS网络系统将整个系统的任务分散进行，然后集中监视、操作、管理，这些应用程序由于工作于网络环境下，因而分布极广，已被配置在网络中10台、100台、1000台甚至更多台的机器上运行，如果这些应用程序不够健壮、没有灵活的可伸缩性，将给日后的维护、升级、重新配置带来极大的困难，至少要消耗大量人力、财力和物力。而这种维护、升级、重新配置随着市场的发展，用户需求的扩大是不可避免的。

为了解决这一问题，微软在对Windows系统本身进行改进、升级的同时，对Windows应用程序的标准、结构等也进行了重新定义，这就是：遵循组件对象模型（COM）/分布式组件对象模型（DCOM）标准、通过ActiveX实现的客户机/服务器结构。

客户机/服务器结构的主要思想是：根据COM/DCOM标准，将应用程序分割成若干个相互独立的逻辑单元，每个逻辑单元为应用程序提供一定的服务（以后就会明白这些逻辑单元被称为ActiveX组件），通过ActiveX把这些逻辑单元有机地结合起来，使它们协同工作，完成特定的任务。应用程序是ActiveX组件对象的集合，这些ActiveX组件对象知道怎样相互通信、相互调用，以实现应用程序要求的功能。

针对Intranet下控制系统的特殊情况，微软给出了一个三层的服务系统模型：用户逻辑（或用户服务）、商业逻辑（或商业服务）和数据逻辑（或数据服务）。用户服务提供用户可交互的或显示对数据进行查询、处理结果的屏幕界面等，由于Windows应用程序的屏幕界面已经标准化，所以用户服务相对来说变化不会太大，将它作为一个独立的逻辑单元，可被多个应用程序使用，从而实现了代码的重用；商业服务提供用户处理数据的各种规则，这些规则根据不同的用户有所不同，即使同一用户不同时期也可能不同。将它作为一个独立的逻辑单元并统一放在网络服务器中，有利于应用程序的日后维护。如果以后这些规则需要改变，只须重新配置网络服务器中的商业服务，而不需要重新编译客户机的应用程序；数据服务为用户提供各种数据，它是用户的数据源。实际中，这些数据源可能是Oracle、SQL Server、FoxPro、Access以及其它集散控制系统中的数据库（如：Fix系统）等等。

4.1 组件对象模型（COM）与分布式组件对象模型（DCOM）

多年来，软件工程师们一直在尝试编写可迅速嵌入各程序开发项目的可重用代码－－软件组件（或简称为组件）。就像硬件工程师们先设计和制造出可用于各种电子设备的元件，然后利用它们组装成设备一样，控制系统软件开发者可以利用软件组件去组装自己的程序块，且很放心地知道这些组件是无故障的。这些组件不使用全局变量，并且独立于任何应用程序。组件对象模型（Component Object Model——-COM）就是软件组件采用的一种常规结构。它根据面向对象编程（Object Oriented Programming——-OOP）的思想，将组件对象化，给出了面向对象软件组件（或简称为对象组件）的标准。

COM首次是在对象链接与嵌入（Object Linking and Embedding——-OLE）2.0版中引入的，它是一种标准，而非一种实现。COM解释了组件之间该如何通信，但为了具体实现它，还需要用到另一个东西，即ActiveX。

在设计COM的过程中，微软解决了下列问题：

（1）交互操作能力。开发者怎样才能创建出独立的组件，使其能与其它组件充分地协作，而不用考虑它们是由谁创建的？
（2）版本控制。一旦某个组件正由其他组件或应用程序使用，怎样才能改变或升级这个组件，而不影响正在使用它的组件或应用程序?
（3）与语言无关。怎样才能确保用不同语言编写的组件能协同工作？
（4）透明的跨进程交互操作。开发者怎样才能编写组件，使其能在进程内或进程外工作?

然而，OLE2中的COM只解决了同一网络中对象之间的交互问题，而没有解决对象在不同网络中的其它机器上生存或执行的问题，对这一问题的解决将打开通向在Windows环境下的分布对象结构之路。为了适应这一需要，微软开发出了分布式组件对象模型。

分布式组件对象模型（Distributed Component Object Model——-DCOM），即通常所说的"网络OLE"。DCOM是一种特殊的协议，允许应用程序在分布式计算环境（Distributed Calculating Environment——-DCE）里进行面向对象的远程过程调用（Remote Procedure Call——-RPC）。DCOM扩展了COM的性能，使得COM对象能够通过相关网络与远程机中的另一个对象交互并使用此对象，这些网络可以是局部网、企业的Intranet或现今的Internet。用户可以在Windows NT4.0版中得到DCOM，它特别适用于开发企业的信息管理系统、专用的Web等。基于网络方面的不安全性考虑，DCOM自身包含有较高的安全处理功能。

所有软件组件都遵循COM或DCOM标准。

4.2

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