計算機控制系統(tǒng)發(fā)展動向的思索

1、、尸 、-前言20 世紀(jì)后半葉，由于計算機、通信、控制、儀表、軟件等技術(shù)的飛速發(fā)展，不僅產(chǎn) 生了多種多樣的自控產(chǎn)品，也豐富了人們進(jìn)行自控設(shè)計的思路與方案。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，1969年問世的PLC和1975年問世的DC列能是兩類影響最為深 遠(yuǎn)的計算機控制系統(tǒng)。PLC的問世取代了繼電器之類的器件，實現(xiàn)了開關(guān)量的聯(lián)鎖控制、 程序控制；DCS勺問世取代了顯示儀、調(diào)節(jié)器之類的儀表，實現(xiàn)了模擬量的指示、記錄和PID回路調(diào)節(jié)等功能。隨著計算機、通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，PLC DCS互相融合，互相滲透，取長補短。PLC吸取了 DCS在回路控制功能、CRT顯示功能、網(wǎng)絡(luò)功能等方面的長 處，DCS吸取了 PLC在聯(lián)

2、鎖控制功能、程序控制功能、梯形圖及功能塊圖編程功能等方面 的長處，兩者之間的差別越來越小，分界線也越來越模糊了。另外，隨著其他計算機控 制系統(tǒng)的不斷出現(xiàn)，控制系統(tǒng)的產(chǎn)品早已呈現(xiàn)出多元化的發(fā)展格局，而針對某一具體用 戶來說，DCS+PL(的控制方案不再受青睞，控制系統(tǒng)設(shè)備一體化的呼聲越來越高。 近年來, 控制系統(tǒng)的發(fā)展還出現(xiàn)這樣一些趨勢：向國產(chǎn) DCS系統(tǒng)轉(zhuǎn)移，向PLC轉(zhuǎn)移，向現(xiàn)場總線 控制系統(tǒng)FCS轉(zhuǎn)移，而以PC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)(PC-Based Control System, PCBCS)也呈 現(xiàn)良好的發(fā)展態(tài)勢。本文將針對以上的動向談?wù)勛髡叩南敕ā? 控制系統(tǒng)類型的多元化20世紀(jì)70年代中期

3、，DCS剛剛問世一兩年就開始進(jìn)入中國，作為一種全新的控制模式和方便實用的CRT顯示手段，很快為中國用戶所接受，而在國外出現(xiàn)更早的PLC卻遲至 80 年代初才為中國技術(shù)人員所知曉。不久因單回路可編程序控制器的普及，又出現(xiàn)了 PC單回路可編程序控制器組合的計算機控制系統(tǒng)，由于此方案的數(shù)據(jù)采集、控制功能均 由單回路可編程序控制器完成，集中管理在 PC機上實現(xiàn)，系統(tǒng)組成靈活、規(guī)?？勺?、危 險分散、費用不高，所以當(dāng)時就有學(xué)者指出這是最符合中國國情的一種控制系統(tǒng)選型方 案。在中國市場上影響最大的日本山武公司的 KMMSDC-40B日本橫河公司的SLPCYS17Q 美國?？怂共_公司的 MICRO76、0

4、761、 762，美國霍尼韋爾公司的 UDC600、0 6300及國 產(chǎn)DTZB-2310A等均可以這種方式構(gòu)成計算機控制系統(tǒng)。進(jìn)入 90年代，單回路可編程序控制器向多回路及可附加 I/O 方向發(fā)展，一臺盤裝儀 表形式的可編程序控制器可以完成雙回路、 4回路、8回路甚至24個回路的PID控制， I/O 點總數(shù)可達(dá)數(shù)十點乃至上百點，非常適合小型裝置使用。一些生產(chǎn)大型DCS的廠商也開始推出中型化、小型化、微型化的DCS例如美國霍尼 韋爾公司就先后推出 MICRO TDC-3000 S9000 SCAN3000 UMC800等控制系統(tǒng)，系統(tǒng)經(jīng) 濟(jì)規(guī)模從數(shù)千點可減少到數(shù)十點。北京和利時公司在推出 HS

5、2000系統(tǒng)之后，也曾推出過 100點以下規(guī)模的mCS微型控制系統(tǒng)和稍大規(guī)模的FOCS系統(tǒng)。甚至連記錄儀、數(shù)字顯示儀類的產(chǎn)品也擴展了功能，廠家在為其配備通信接口后，也可以將它們作為數(shù)據(jù)采集器和后備儀表與PC構(gòu)成簡易型計算機控制系統(tǒng)（因某些記錄儀、數(shù)字顯示儀也帶控制功能）。當(dāng)系統(tǒng)工作正常時，可由PC機進(jìn)行集中管理，一旦PC 機出現(xiàn)故障，記錄儀或數(shù)字顯示儀可作為備用儀表顯示工藝參數(shù)。某些公司生產(chǎn)的記錄 儀不僅自身可與PC機組成控制系統(tǒng)，還可以與該公司生產(chǎn)的可編程序控制器等設(shè)備共同 組成控制系統(tǒng)，此時記錄儀以其點數(shù)多 （如 6、12、24、32、64 點） 的優(yōu)點彌補可編程序 控制器 I/O 點數(shù)較

6、少、單個 I/O 點采集成本高的缺陷，如瀘州天然氣化工廠 240kt/y 尿 素工程監(jiān)控系統(tǒng)就是由日本山武公司 SDC30/31/40B可編程序控制器、美國霍尼韋爾公司 DPF系列多點記錄儀及PC機組成。一些生產(chǎn)計算機的廠家不甘落后，近年來也推出一些 I/O 接口產(chǎn)品與其生產(chǎn)的計算 機配套，其中比較有影響的是研華公司的 ADAh模塊、研發(fā)公司的DAC莫塊，這也是一類 低成本的計算機控制系統(tǒng)。另外，還有近年來飛速發(fā)展的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS以及以PC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)PCBCS擺在控制系統(tǒng)選型者和用戶面前的方案令人眼花繚亂，甚至不知所措，這種多元化 的市場格局雖然會使用戶選型增加很多工作量，但較之

7、一兩個方案有充分的挑選余地。?二? 控制設(shè)備的一體化?按我國的體制，工程設(shè)計、施工安裝、現(xiàn)場維護(hù)通常都是分成自控儀表、電氣兩個 專業(yè)，模擬量控制選DCS開關(guān)量控制選PLC幾乎是80年代及90年代初期工業(yè)過程控制的通用模式。這種方案采用兩套控制設(shè)備，構(gòu)成兩個控制中心，帶來投資、操作、生產(chǎn) 管理上的大量問題，即使稍后采用接口讓 DCS PLC互相通信，上述問題并未得到根本解 決。所以不少用戶迫切希望工藝過程的所有控制要求應(yīng)該由一個控制系統(tǒng)來完成，至于 工藝過程是屬于連續(xù)過程、間斷過程還是批量過程，是以模擬量為主還是以開關(guān)量為主， 那只是控制系統(tǒng)選型應(yīng)該考慮的問題，其關(guān)鍵是控制設(shè)備應(yīng)一體化。冶金行業(yè)

8、較早提出EIC（電氣、儀表、計算機）一體化，建材行業(yè)也如此，電力行業(yè)更 希望用一套控制設(shè)備完成以下多類控制功能：DAS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）、CCS協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)）、SCS順序控制系統(tǒng)）、FSSS爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)）、ECS電氣控制系統(tǒng)）、DEH汽輪機數(shù)字 電液控制系統(tǒng)）、MEH給水泵數(shù)字電液控制系統(tǒng)）、ETS（汽機聯(lián)鎖系統(tǒng)），這些都說明很多 行業(yè)都在提倡控制設(shè)備一體化?？刂葡到y(tǒng)的生產(chǎn)廠家早就看到了這一點，他們也不斷地改進(jìn)自己的產(chǎn)品，如霍尼韋爾公司的TDC-3000 DCS原來對大量的開關(guān)量控制采用 IPC620-35 PLC，它通過PLC接口接入系統(tǒng)，這屬于 DCS+PL方式。后來該公司將IPC620-

9、35與PLC接口 LMM邏輯管理 器組件）組合成LM（邏輯管理器），作為大量開關(guān)量的控制設(shè)備，而大量的模擬量控制則先 后采用PM過程管理器）、APM高級過程管理器）、HPM高性能過程管理器）來完成，這些 設(shè)備通過UCN通用控制網(wǎng)絡(luò)）接入LCN局部控制網(wǎng)絡(luò)），進(jìn)入管理網(wǎng)絡(luò)。這樣的變化對用 戶來說感覺就不一樣了，會認(rèn)為它是一個一體化的、具有強大開關(guān)量控制功能的 DCS所 以LM的銷售量遠(yuǎn)高于IPC620-35。再如西門子公司，PLC是其強項，S5 S7系列PLC產(chǎn)品早已風(fēng)靡全球。該公司在1996 年推出的PCS7號稱是過程控制系統(tǒng)，但其硬件部分仍是原有PLC系統(tǒng)的部件，如自動 化控制系統(tǒng)（即現(xiàn)場控

10、制站）的中央處理器采用的是S7-414以上的CPU其分布式I/O仍 沿用S7 PLC中使用的ET200遠(yuǎn)程I/O，只是控制軟件選用了帶更多模擬量控制功能的 WinCC所以其模擬量處理功能、控制功能及網(wǎng)絡(luò)功能大大增強，也更容易滿足工藝過程 控制系統(tǒng)一體化的需求。制造廠家在擴展功能方面的努力， 為用戶實現(xiàn)工藝過程控制系統(tǒng)一體化創(chuàng)造了條件。 中小型生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)一體化較早得到順利實施，大型生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)一體化的進(jìn) 展也很快。以煉鐵高爐為例，近年來國內(nèi)大型高爐所采用自動化系統(tǒng)的實例有關(guān)資料中 共列舉了 19套，在1994年以前投運的有8套，其中DCS+PL占大多數(shù)，一體化的控制 系統(tǒng)僅占 25%；

11、1994年及以后投運的有 11 套，一體化的控制系統(tǒng)則占 73%。?三？向國產(chǎn)DCS轉(zhuǎn)移?國產(chǎn)DCS雖然誕生于20世紀(jì)80年代，但取得實質(zhì)性進(jìn)展則是在 90年代中期，目前令中國儀器儀表行業(yè)引以為豪的浙江浙大中控公司、北京和利時公司、上海新華控制工 程公司均從這一時期起步，目前都達(dá)到 23 億元的年產(chǎn)值和每年數(shù)十至上百套系統(tǒng)的業(yè) 績。在與國外DCST家的競爭中，目前還不好說國產(chǎn) DCS全面占有優(yōu)勢，但至少在一部 分行業(yè)、在中小型企業(yè)能打成平手甚至略占優(yōu)勢。國產(chǎn)DCS從中小型企業(yè)開始，從輔助工序開始，現(xiàn)已逐步進(jìn)入大型、特大型企業(yè)，進(jìn)入主體工序。以電力系統(tǒng)為例，國產(chǎn) DCS生產(chǎn)廠從中小機組開始，在

12、50、100、125、200MW機組上積累了豐富的經(jīng)驗，目前已在300MW機組上采用了 25套（每一套的I/O總點數(shù)約5000,是一個非常大的系統(tǒng)）DCS新華公司總承包了安徽平圩電廠 2X 600MW機組、天津大唐盤山發(fā)電公司 2X 600MW機組的 部分控制系統(tǒng)。核電站是公認(rèn)的控制要求最為嚴(yán)格的行業(yè),而和利時公司已先后有 7 套 DCS應(yīng)用于核電站。2001年7月，和利時公司為秦山核電站二期工程 2X 600MW壓水堆電 站提供的成套設(shè)備儀表及控制系統(tǒng) （物理量點數(shù)超過 10000）已通過由信息產(chǎn)業(yè)部科技司 組織的技術(shù)鑒定。由于三大國產(chǎn)DCS公司不凡的業(yè)績，作者認(rèn)為這些公司的產(chǎn)品已從成長期進(jìn)

13、入成熟 期。幾年來，我院在幾個工程項目中選用了浙大中控公司、和利時公司的多套系統(tǒng)，這 些系統(tǒng)在投運后均工作正常，尚未發(fā)現(xiàn)因硬件、軟件原因造成系統(tǒng)不能正常使用的問題， 用戶對系統(tǒng)也比較滿意。遺憾的是國內(nèi)PLC行業(yè)非常蕭條，一直未有能與國外 PLC相抗衡的產(chǎn)品問世。北京 和利時公司在其產(chǎn)品FOCS系統(tǒng)中除有FODCS卜，還有一款FOPLC意欲在PLC產(chǎn)品領(lǐng)域 與國外產(chǎn)品競爭。和利時公司的FOCS系統(tǒng)采用的是一種新的產(chǎn)品開發(fā)思路，用德國VIPA 公司的I/O模塊OEM FOCS SOFT HM人機界面軟件構(gòu)成中小規(guī)模的 PLC類產(chǎn)品。?四？向PLC控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)移?早期的DCS PLC各自為政，兩者相安

14、無事，而進(jìn)入互相融合時期，其競爭非常激烈。PLC以其產(chǎn)品應(yīng)用廣泛、產(chǎn)量大、價格稍低的優(yōu)勢逐漸擠占了DCS原有的市場。如在90 年代初期，美國德州儀器公司的 PLC產(chǎn)品PM550 TI650不僅在冶金工廠需要開關(guān)量控制的工序中大量得到使用，而且也進(jìn)入了化工行業(yè)，如新疆化肥廠、湖南資氮集團(tuán)；日本 歐姆龍公司的PLC在長山化肥廠、南化氮肥廠、三明化工廠、浩良河化肥廠也有成功應(yīng) 用。據(jù)介紹，在國內(nèi)水泥行業(yè)控制系統(tǒng)20余年的應(yīng)用中，DCS PLC大體上各占半壁江山， 其中80年代中后期及90年代初期以傳統(tǒng)的DCS應(yīng)用較多，而在此之后，是以PLC型 DCS即卩 PLC+微機組成的DCS系統(tǒng)）的應(yīng)用較多，世

15、界著名的水泥公司設(shè)計或建設(shè)的大型水泥廠的 控制系統(tǒng)也是以PLC型DCS為多。近年來，水泥工廠以及一些水廠、污水處理廠的招標(biāo) 書上往往注明DCS但實際來投標(biāo)的多是 PLC廠商或系統(tǒng)集成商，中標(biāo)的系統(tǒng)也往往是 PLC型 DCS1993年，全球PLC+DCS勺銷售額是億美元，其中 PLC占% 2000年，全球PLC+DCS 的銷售額是117億美元，比1993年增長了 %其中PLC占%市場份額上升了 %比1993 年P(guān)LC的銷售額增長了 % DCS市場份額從減少到%銷售額僅增長了 還有一個現(xiàn)象也說明PLC的影響越來越大，為PLC制定的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61131,不僅 在PLC產(chǎn)品中全面得到推廣，而且眾

16、多 DCS產(chǎn)品也競相采用，比如組態(tài)方式采用 IEC 61131-3 中規(guī)定的 5 種語言：梯形圖、順序功能圖、 功能塊圖、 指令表和結(jié)構(gòu)化文本語言。五? 向現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)移現(xiàn)場總線具有以下特點：開放性、可互操作性與可互換性、全數(shù)字化、雙向通信、 智能化現(xiàn)場儀表，而以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的開放式、全數(shù)字化的控制系統(tǒng)稱為現(xiàn)場總線控 制系統(tǒng)。在國家經(jīng)貿(mào)委行業(yè)規(guī)劃司的“儀器儀表行業(yè)十五規(guī)劃”中，工業(yè)自動化儀表技 術(shù)結(jié)構(gòu)調(diào)整目標(biāo)的第一項為“開發(fā)基于現(xiàn)場總線技術(shù)的智能化現(xiàn)場儀表新產(chǎn)品，并逐漸 成為主流產(chǎn)品”，在關(guān)鍵技術(shù)中列出了“現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)技術(shù)”，在重點支持建設(shè)科 研和開發(fā)中心內(nèi)容中第一項為“建立現(xiàn)場總

17、線儀表及控制系統(tǒng)研究開發(fā)中心”，在重點 科技攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)化項目的建議中第一項也是“新型現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)智能儀表”和“現(xiàn) 場總線控制系統(tǒng)”，由此可見國家對現(xiàn)場總線及現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的重視。國內(nèi)已有眾多廠家推出現(xiàn)場總線儀表及現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，如冶金自動化院早在 90年代中期就推出Smar公司的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，國內(nèi)DCS生產(chǎn)廠近年來也大力推出帶現(xiàn) 場總線的控制系統(tǒng)，如北京和利時公司的可連接Profibus現(xiàn)場總線的FOCS系統(tǒng)，浙大中控公司的 Web Field ECS-100 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)等。當(dāng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的概念剛剛推出時，控制功能分散、現(xiàn)場儀表信息量增加、節(jié) 省電纜、減少安裝工作量等優(yōu)點

18、使用戶非常容易接受，經(jīng)過幾年來的輿論宣傳，現(xiàn)場總 線控制系統(tǒng)可以說已經(jīng)深入人心，人們追求新潮的心理再加上實實在在的好處，使控制 系統(tǒng)從常規(guī)的DCS PLC向現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)移是順理成章的事了。以筆者所在的云南 地區(qū)為例，采用現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)已有 10多個，應(yīng)用的現(xiàn)場總線類型有 Profibus 、FF、 Interbus 。就現(xiàn)場總線和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的推廣來說， 中國的步伐是比較快的。 據(jù) 2001年6月在青島召開的中國FF用戶組織會議上FF專家介紹：FF已在世界上56個國家1800 個系統(tǒng)中使用了 4萬多臺設(shè)備，其中中國約有 100 個系統(tǒng)、4000多臺設(shè)備 （包括演示系統(tǒng) 和設(shè)備）

19、，這個應(yīng)用規(guī)模在世界上排第 4 位。?六? PCBCS勺發(fā)展前景?近年來，有不少學(xué)者將PLC DCS PCBCS或者再加上FCS并稱為當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)過程三大（或四大）控制系統(tǒng)。甚至有人在兩年以前勺文章中就談到“多數(shù)人認(rèn)為在今后10年內(nèi)PC控制將逐步取代傳統(tǒng)的PLC或 DCS。市場要求自動化系統(tǒng)制造商提供開放的平臺，但是只有PC機才能提供一個真正的、完全開放的平臺，系統(tǒng)所有的功能集成于PC這個統(tǒng)一開放的平臺上，可以減少安裝空間、 節(jié)省電纜，將復(fù)雜的通信連接簡單化，還可通過 Internet 或 Intranet 得到重要的生產(chǎn) 信息，實現(xiàn)生產(chǎn)過程優(yōu)化。什么是PCBC呢？它是指將經(jīng)過加固的PC機硬件

20、與控制軟件相結(jié)合，實施通常由專 用PLC執(zhí)行的控制功能，或者說將PLC的控制功能“封裝在”軟件內(nèi)，運行在 PC的環(huán)境 中。PCBC淇有非常好的開放性，下層對I/O系統(tǒng)是開放的，可以支持多種I/O硬件，包 括很多PLC的遠(yuǎn)程I/O及I/O分站，上層對多種管理及通信軟件是開放的。PC控制的優(yōu)點可以概括為：價格較低；對各種控制及業(yè)務(wù)應(yīng)用、信息的存取均很簡 便；軟件向新的硬件平臺的可移植性優(yōu)良；控制、人機界面及編程功能易于集成；易于 將過程控制、邏輯控制、批量控制以及運動控制等合為一體；不依賴于各種專有的控制 系統(tǒng)。德國學(xué)者埃貝哈德格羅茨博士認(rèn)為，基于PC的自動化控制解決方案的7種趨勢是： 在自動化控制技術(shù)中越來越多地使用 pc pc專用軟件越來越多，人們可以在 pc機上編 程和操作，如同在可編程序控制器上一樣；可以在 PC機上完成實時控制任務(wù)的系統(tǒng)軟件 的應(yīng)用越來越廣泛；傳統(tǒng)的PC編程通過使用新的編程技術(shù)，極大地推進(jìn)了生產(chǎn)的進(jìn)步， 使得基于PC的自動化控制技術(shù)得到飛躍發(fā)展；基于PC的自動化標(biāo)準(zhǔn)越來越多；In ternet 技術(shù)在自動化控制技術(shù)中越來越重要；分布式系統(tǒng)將改變自動化控制方式。各大PLC制造廠商，如西門子、Rockwell Automation、GE Fanuc三菱電機，均推 出自己品牌的PC控制和軟邏輯系統(tǒng)產(chǎn)品，其特點是 CPU及其軟件改用