PDF《集散控制系统与现场总线控制系统的发展》

集散控制系统与现场总线控制系统的发展 Ξ 徐俊(云南冶炼厂 , 云南 昆明 650102) 摘要 : 通过对工业自动化发展历程的回顾 , 介绍了集散控制系统 (DCS) 及现场总线控 制系统 (FCS) 的发展情况 , 在充分肯定 DCS 系统优越性的同时 , 进一步论证了 FCS 系统最 终取代 DCS 系统的必然性和重要性.

关键词 : 集散控制系统 ;

现场总线控制系统 ;

发展 中图分类号 : TP273 文献标识码 : A 文章编号 :

1004 -

2660 (2003) S1 -

0126 -

04 1 工业自动化仪表及系统的发 展阶段 首先让我们简单回顾一下仪表及工业自 动化系统的发展阶段.20 世纪

50 年代前为 基地仪表 ;

50 年代至

60 年代 , 采用 3~15 psi 气动信号 , 发展了气动单元组合仪表 , 采用 4~20 mA , DC 信号 , 发展了电动单元 组合仪表 , 同时巡回检测和工业控制计算机 也相应得到发展 ;

70 年代至

80 年代集散型 控制系统开始发展并得到广泛运用 , 直到现 在仍然是工业自动化的主控产品 ;

90 年代 以来 , 现场总线技术迅速发展 , 现场总线的 智能仪表与开放自动化系统成为当今工业自 动化发展的热点.

2 集散控制系统的发展 , 主要 组成及其与模拟仪表的比较 集散控制系统 (DCS) 是工业自动化系 统从模拟技术进展到模拟数字混合技术的代 表.DCS 系统自

70 年代问世后 , 经历了初 创、成熟、扩展几个发展阶段 , 成为工业过 程自动化的主控系统.它是利用计算机技 术、自动化技术、通信技术、微电子技术、 图形显示技术实现过程控制和过程管理的控 制系统.它以多台微处理机分散应用于过程 控制 , 通过通信总线、CRT 显示器、键盘、 打印机等又能实现高度集中操作、显示和报 警,兼有常规模拟仪表和计算机系统的优 点,而又比常规模拟仪表显示了更巨大的优 越性 : (1) 功能丰富 , 可以完成从简单的单回 路控制到复杂的多变量模型优化控制 , 可以 执行从常规 PID 运算至 smith 预估、三阶矩 阵乘法等各种运算 , 可以进行反馈控制、顺 序控制、逻辑控制 , 可以实现监控、显示、 打印、报警、历史数据贮存等全部操作要 求. (2) 实现了集中监视、操作和管理. (3) 关键设备采用冗余技术 , 可以双重 第30 卷 增刊 有色金属设计 Vol130 Supp.

2003 NONFERROUS METALS DESIGN

2003 Ξ 收稿日期 :

2003 -

11 -

05 作者简介 : 徐俊(1964 - ) , 男,云南人 , 高级工程师 , 主要从事工业电气及自动化技术和管理方面的工作. ? 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 或多重冗余 , 具有自诊断功能 , 可靠性高、 维护量小. (4) 采用专用多芯电缆、标准化接插件 和规格化端子板 , 可节省大量的仪表连线、 布线 , 不易出差错 , 安装工作量大为减少. (5) 调试采用专用的调试软件 , 时间缩 短. (6) 改变控制方案容易 , 只须改变软件 组态即可实现.而不用改变硬件接线. (7) 采用模块式结构 , 可以方便地扩大 或缩小系统的规模. (8) 性能价格比高. 上述优点 , 导致 DCS 的发展和广泛运 用.

211 集散控制系统的组成 (1) 过程输入/ 输出接口单元.它是为 生产过程中非控制变量设置的数据采集装 置,不但能完成数据采集和预处理 , 还可以 对实时数据作进一步加工处理 , 供CRT 操 作站显示和打印 , 实现开环监视. (2) 过程控制单元 , 即控制站.是DCS 的核心部分 , 对生产过程进行闭环控制 , 可控 制几个、几十个回路;

还可进行批量 (顺序) 控制 , 是系统中直接与现场打交道的 I/ O 处理 单元 , 具有完成整个工业过程的实时监控功 能. (3) 操作站.是由工业 PC 机、CRT、 键盘、鼠标、打印机等组成的人机接口装 置.按登录级别主要可分为工程师站和操作 员站.工程师站主要功能包括 : 系统生成、 数据库结构定义、系统的组态、编程等.操 作员站是操作人员完成过程监控管理任务的 环境 , 能实现生产过程信息的集中显示、集 中操作和集中管理. (4) 高速数据通路.即过程控制网络 , 它实现控制站、工程师站、操作员站的连 接,完成信息、控制命令等传输.为了提高 集散控制系统的可靠性 , 大多数采用

2 套相 同通信网络的冗余形式. 通过上面对集散控制系统的大致描述 , 我们知道 , 集散控制系统在工业自动化领域 发挥着重要的作用 , 是工业自动化从模拟技 术进展到模拟数字混合技术的代表 , 它是工 业自动化发展历程中有重要影响的一代系 统.

3 在DCS 的基础上发展起来的 FCS 随着技术的发展和进步 , 现场总线控制 系统 (FCS) 问世 , 它带来了一场工业自动 化及仪表领域的 革命 . 现场总线控制系统 ( FCS) 促进了仪表 智能化、传输数字化、系统开放化.

311 仪表智能化 仪表是系统的基础 , 仪表智能化是仪 器、仪表发展所追求的最佳境界 , 它把微处 理器和专用电路引入现场仪表 , 使现场仪表 具有数字通信、自动补偿、自选量程、自寻 故障、实时诊断、报警、组态、多参数复合 测量、提供非测量管理信息等功能.智能仪 表已不再是传统的硬件体 , 而是基于现场总 线的硬件、软件的结合体.

312 传输数字化 在DCS 中现场级设备与监控级设备的 连接 , 监控级设备与管理级设备的连接都是 通过数字通信系统来完成的 , 但是 DCS 与 现场仪表的连接仍然是 4~20 mA , DC 模拟 信号.而现场总线系统 ( FCS) 使底层传输 联系完全实现数字化 , 从而实现了自动化系 统的全数字化. 现场总线 是连接设置在 工业过程现场的仪表与设置在控制室内的控 制设备的数字化、串行、双向的多站通信网 络.

313 系统开放化

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1 增刊 徐俊:集散控制系统与现场总线控制系统的发展 ? 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 开放系统 是一种新的系统结构 , 它 以统一标准或约定来规范系统部件的接口、 通信和连接.符合标准、规范的不同厂家的 仪表装置都可以集成 , 组成强有力的信息平 台.开放自动化系统采用国际标准或规范 , 通过标准化促进开放化. 现场总线系统 ( FCS) 的问世 , 实现了 系统的真正开放 , 并在以下几个方面发展了 DCS. (1) 网络化.网络化是基于全数字通信 来实现的 , 它完全替代了 4~20 mA , DC 联 络信号 , 实现传输联络信号数字化 , 便于布 线,增加了可靠性 , 系统容易组织 , 给用户 提供了很大的方便. (2) 体系结构趋 扁平化 . 扁平化 是自动化系统发展的趋向.FCS 由于系统中 智能 下渗到过程仪表 , 控制、报警、诊 断等功能分散到现场仪表和装置中 , 简化了 上层系统 , 实现了彻底的分散 , 上位机系统 要做的工作相对减少 , 有利于体系的 扁平 化 . (3) 互操作.严格遵循国际公认的标准 规范 , 符合标准规范的各厂家的仪表装置都 可以互操作 , 给用户进行系统组织提供了方 便. (4) 仪表智能化.实现仪表技术从模拟 数字混合技术向全数字技术的转变.人们曾 把应用微处理器的仪器仪表称为智能仪表 , 实际上这仅只是初级的 ;

现在应该重新定义 二次仪表的概念.新型多功能智能控制仪 表,集数显、记录、积算、控制于一身 , 可 直接替换传统的数显表、积算仪、记录仪和 调节器 , 满足各个行业过程测量和控制的要 求.

4 FCS 的基本智能设备及软件 FCS 的基本组成环节包括智能化的现场 仪表、监控设备、网络设备、辅助设备及软 件.

411 智能变送器 在现场总线控制系统 , 智能变送器送出 符合现场总线协议规定的数字信号 , 直接与 现场总线网络连接.温度、压力、差压、流量、物位、成分量等检测变送仪表都在发展 具有智能化功能的系列新品种.

412 智能执行器 在现场总线控制系统 , 智能执行器接受 现场总线数字信号 , 经处理后直接控制工业 过程.电动直行程和角行程执行机构以及气 动阀门定位器等 , 都在发展具有智能化功能 的系列新品种.

413 现场智能控制模快与控制器 现场 I/ O 模块、PLC 及其它控制器是重 要的现场控制设备 , 目前已形成多个系列.

414 网络设备 各种现场总线协议对网络通信都进行了 严格的定义和规定 , 以保证开放与互操作. 通信介质可为双绞线、电力线、光纤、同轴 电缆、射频线等.当使用双绞线时 , 有总线 供电和自供电

2 种供电方式.总线供电方式 允许设备直接从总线上摄取能量 , 从而可构 成本安防爆系统.网络设备包括网桥、中继 器、终端器及各种连接接口卡.网桥完成总 线转换 , 将不同总线集成于一个网络系统之 中;

中继器将

2 个网段连接起来 , 达到延长 通信距离的目的 ;

连接接口卡实现现场总线 与监控设备等的连接.

415 监控设备 主要承担监控管理职能 , 主要采用工业 PC 控制计算机或工作站 , 充分地利用了 PC 的丰富资源.

416 辅助设备 包括 FCS 所必须的现场总路线电源、 现场接线盒、实现常规仪表与 FCS 连接所

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1 有色金属设计 第30 卷?1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 需要的电流/ 现场总线转换器、现场总线/ 电 流转换器等.

417 软件 包括一些供用户组态的 功能模块 , 监控软件、系统管理软件、网络管理软件、 资源管理软件等.

5 结语 近年来 , 自动化仪表、系统的技术发展 是以现场总线智能仪表与开放自动化系统为 主要方向.集散控制系统为现场总线控制系 统创造了条件 , 现场总线控制系统是集散控 制系统的发展. 目前 , 国际上各大仪表公司已将开发的 重点放在 FCS 上,普遍认为 DCS 终将被 FCS 代替.根据我国现实情况 , DCS 作为工 业过程主控系统还将存在相当长一个时期 , DCS 与FCS 并存也会有一个相当长的时期. 但是加快发展我国的现场总线仪表和系统 , 具有十分重要的意义 , 它可缩短我国自动化 仪表、系统与国外的差距. 参考文献 : [1 ] 何衍庆 , 俞金寿. 集散控制系统原理及应用 [ M]. 北京 : 化学工业出版社 , 1999. [2 ] 姜仁杰 , 朴日龙 , 孙晓春. XL 集散型控制 系统应用指南 [ M ]. 北京 : 化学工业出版 社,1997. [3 ] 孙喜田 , 唐怀斌. 现场总线、智能仪表及系 统的发展 [ Z]. 成都科学技术服务中心 , 1999. [4 ] 王森 , 朱炳兴. 仪表工问答. 下册 [ M ]. 北京 : 化学工业出版社 , 1992. [5 ] 薛劲松. 企业腾飞的翅膀 ― ― ― 制造自动化 [ M]. 沈阳 : 辽宁科学技术出版社 , 2000. (上接第

125 页)

4 结语 我们对机械零件的设计 , 有不同的设计 方法 , 在其他条件一定的情况下 , 要大量的 进行结构设计来改善零件的性能 , 进一步简 化设计 , 减少零件数目 , 提高零件的强度 , 设计完毕后 , 应检查零件的数学计算 , 物理 理论的应用是否正确合理.以实现现代化设 计. 参考文献 : [1 ] 黄锡恺 , 郑文纬. 机械原理 [ M ]. 北京 : 高等教 育出版社 , 1989. [2 ] 邱宣怀. 机械设计 [ M]. 北京 : 高等教育出版社 , 1997.

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1 增刊 徐俊:集散控制系统与现场总线控制系统的发展 ? 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. ........