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0 引言

　　DCS/' target='_blank'>集散控制系統(tǒng)（DCS）由于其操作簡(jiǎn)便、穩(wěn)定可靠而被廣泛地用于生產(chǎn)過(guò)程控制領(lǐng)域，其主要特點(diǎn)是管理集中、控制分散。DCS雖然在控制功能上實(shí)現(xiàn)了分散，但在物理上仍是集中式控制系統(tǒng)，仍采用傳統(tǒng)的集中式I/O系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）。圖1中DCS的信號(hào)采用一對(duì)一的物理連接，有專門的I/O處理模塊和端子板，這造成電廠電纜龐雜，工程周期長(zhǎng)，安裝調(diào)試費(fèi)用高，維護(hù)困難。各DCS制造商通常采用自己定義的專用網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議，使不同廠家的設(shè)備或系統(tǒng)之間的互聯(lián)存在很多困難，整個(gè)DCS系統(tǒng)成為一個(gè)封閉的“信息孤島”[1]。并且DCS的現(xiàn)場(chǎng)儀表仍采用只能單向傳輸4～20mA模擬信號(hào),不僅速度慢、精度低、易受到電磁干擾，而且已經(jīng)越來(lái)越成為限制DCS功能發(fā)揮的瓶頸。

　　現(xiàn)場(chǎng)總線是將現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制室內(nèi)儀表連接起來(lái)的全數(shù)字化、雙向、串行通訊網(wǎng)絡(luò)，它的本質(zhì)優(yōu)點(diǎn)在于全數(shù)字化，實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)是徹底分散，更深層次的優(yōu)點(diǎn)在于它的開(kāi)放性[2]。現(xiàn)場(chǎng)總線采用分布式I/O系統(tǒng)（見(jiàn)圖2），可以真正的實(shí)現(xiàn)控制功能和物理上的全分散性。圖2中的PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)使用智能傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備, 采用數(shù)字信號(hào)傳輸，只需一對(duì)線就能將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)傳輸?shù)竭^(guò)程級(jí)控制計(jì)算機(jī)，它突破了傳統(tǒng)4～20mA模擬傳輸信號(hào)在精度、功能上的限制，能在控制室對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程在線診斷、調(diào)試、操作。由于功能進(jìn)一步分散到現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備中，使風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步分散，從而提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

圖1 基于DCS的集中式I/O系統(tǒng)

圖2 基于PROFIBUS的分布式I/O系統(tǒng)

1 基于PROFIBUS的集散控制系統(tǒng)

　　目前國(guó)際上有多種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，如PROFIBUS、FF、HART和CAN等。在眾多的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)中，PROFIBUS應(yīng)用最廣泛，并且在我國(guó)眾多領(lǐng)域獲得成功應(yīng)用。在眾多的DCS廠家中，ABB貝利公司的Industrial IT Symphony系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛。因此，選擇PROFIBUS總線和Symphony系統(tǒng)研究基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的集散控制系統(tǒng)，是具有代表性的。

　　基于PROFIBUS的DCS采用一種分層體系結(jié)構(gòu)，如圖3所示，從下至上系統(tǒng)可以分為過(guò)程I/O層、過(guò)程控制層、過(guò)程管理層和企業(yè)管理層，對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)分別為PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)、控制通道Control Way（C.W）、控制網(wǎng)絡(luò)Control Network（Cnet）和企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)MIS。

圖3 基于PROFIBUS的分散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

　　PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，使用RS485傳輸技術(shù)，其傳輸速率為9.6K bit/s～12M bit/s。主站之間采用令牌傳送方式，主站與從站之間采用主從方式。令牌傳遞程序保證每個(gè)主站在一個(gè)確切規(guī)定的時(shí)間內(nèi)得到總線存取權(quán)。令牌在所有主站中循環(huán)一周的最長(zhǎng)時(shí)間是根據(jù)主站多少事先規(guī)定的。主從方式允許主站在得到總線存取令牌時(shí)可與從站通信，每個(gè)主站均可向從站循環(huán)查詢。主站決定總線的數(shù)據(jù)通信，當(dāng)主站得到總線控制權(quán)時(shí)，沒(méi)有外界請(qǐng)求也可以主動(dòng)發(fā)送信息。從站為外圍設(shè)備，如閥門、驅(qū)動(dòng)器和輸入輸出裝置，沒(méi)有總線控制權(quán)，僅對(duì)接收到的信息給予確認(rèn)或當(dāng)主站發(fā)出請(qǐng)求時(shí)向主站發(fā)送信息。

　　控制通道采用的是1 Mbit/s的串行冗余總線網(wǎng)絡(luò)，支持32個(gè)智能處理模件。智能處理模件包括通信模件對(duì)INNIS和INNPM、橋控制器BRC。通過(guò)通信模件對(duì)，控制通道可以實(shí)現(xiàn)與控制網(wǎng)絡(luò)的通信。每一塊橋控制器BRC通過(guò)I/O擴(kuò)展總線（X.B）可以掛64個(gè)子模件，在這一層網(wǎng)絡(luò)中，提供了與PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)接口——現(xiàn)場(chǎng)總線子模件（FBS）。因此，每一塊BRC都可以掛64個(gè)FBS。通過(guò)FBS，可以實(shí)現(xiàn)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)與Symphony控制通道的通信。控制通道采用的通信協(xié)議是IEEE802.3的以太網(wǎng)協(xié)議。

　　控制網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)著過(guò)程管理、操作等數(shù)據(jù)傳遞的任務(wù)，采用的是速率為10 M bit/s的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括中心環(huán)Central Ring和子環(huán)Ring，最多支持250個(gè)節(jié)點(diǎn)。使用的通信協(xié)議為多點(diǎn)、多目標(biāo)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議。由于沒(méi)有通信指揮器，網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點(diǎn)沒(méi)有主從之分，是獨(dú)立的、帶有緩沖寄存器的信息轉(zhuǎn)發(fā)器。同一時(shí)刻內(nèi)所有的節(jié)點(diǎn)均能點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地發(fā)送、轉(zhuǎn)發(fā)、接收數(shù)據(jù)，并且使用了信息打包技術(shù)，因此，具有較高的通信效率。

　　企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)采用的是標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)，用于管理整個(gè)企業(yè)的各種數(shù)據(jù)。

2 PROFIBUS-DP的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　由于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)適合于分散的、具有通信接口的現(xiàn)場(chǎng)受控設(shè)備系統(tǒng)，對(duì)于具有集中I/O的單機(jī)控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)，而且目前開(kāi)發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備和軟件系統(tǒng)的品種還不是很多，價(jià)格也偏高。因此針對(duì)不同的特點(diǎn)應(yīng)該選用不同的方案。

　　（1）對(duì)一些相對(duì)集中的模擬量參數(shù)，如鍋爐管壁溫度、金屬溫度、發(fā)電機(jī)靜子線圈溫度、轉(zhuǎn)機(jī)的軸承溫度等，可采用分散式I/O或遠(yuǎn)程智能I/O。如果對(duì)這些集中的測(cè)點(diǎn)都采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，不僅發(fā)揮不了現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，而且還會(huì)增加成本。

　　（2）對(duì)單參數(shù)調(diào)節(jié)回路的設(shè)備和分布廣泛較獨(dú)立的測(cè)點(diǎn)，都采用智能變送器或智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)接入現(xiàn)場(chǎng)總線。

　　根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是否具備PROFIBUS接口，系統(tǒng)有三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

　　（1）總線接口型:現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備不具備PROFIBUS接口，采用分散式I/O作為總線接口與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接。

　　（2）單一總線型:現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備為都具備PROFIBUS接口的智能型設(shè)備。這是一種理想情況，可使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)完全的分布式結(jié)構(gòu)，能充分享受這一先進(jìn)技術(shù)所帶來(lái)的利益。新建項(xiàng)目可能具有這種條件，就目前來(lái)看，這種方案設(shè)備成本會(huì)較高。

　　（3）混合型：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備部分具備PROFIBUS接口，這時(shí)應(yīng)采用PROFIBUS+分散式I/O混合使用的辦法。

　　無(wú)論是舊設(shè)備改造還是新建項(xiàng)目，希望全部使用具備PROFIBUS接口現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的場(chǎng)合可能不多，分散式I/O可作為通用的現(xiàn)場(chǎng)總線接口，是一種靈活的集成方案。因此，PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)采用混合型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖3中，PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)為多主多從結(jié)構(gòu)，對(duì)于無(wú)PROFIBUS接口的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)西門子公司的分布式I/O模塊ET200連接到PROFIBUS-DP總線上，帶PROFIBUS接口的智能設(shè)備就可以直接連到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)上。網(wǎng)絡(luò)中設(shè)計(jì)了兩類一類主站DPM1，它們分別通過(guò)兩種不同的方式與DCS集成的。

　　（1）以PLC或其它控制器組成的一類主站，監(jiān)控站通過(guò)PROFIBUS網(wǎng)卡連接到PROFIBUS總線上，作為二類主站。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)用于分散的輔助控制系統(tǒng)，如火電廠的水網(wǎng)、輸煤系統(tǒng)。DCS的監(jiān)控站可在集控室完成遠(yuǎn)程編程、參數(shù)化設(shè)置及在線監(jiān)控功能，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人值班。

　　（2） 以堅(jiān)固式PC機(jī)（COMPACT COMPUTER）+PROFIBUS接口+SOFTPLC的結(jié)構(gòu)組成一類主站。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)用于其它的獨(dú)立控制系統(tǒng)中，如火電廠的電氣控制系統(tǒng)ECS，是一種監(jiān)控站與一類主站一體化控制的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它可完成編程、故障報(bào)警、設(shè)備圖形監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)建立、設(shè)備狀態(tài)在線圖形監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及統(tǒng)計(jì)、報(bào)表等功能。

3 性能分析

　　DCS作為工業(yè)控制通信網(wǎng)絡(luò)，特別強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性和可靠性，在滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和可靠性的基礎(chǔ)上要充分考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

　　3.1 實(shí)時(shí)性

　　實(shí)時(shí)性是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)一項(xiàng)十分重要的指標(biāo)。要保證整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性必須滿足3個(gè)時(shí)間約束條件：

　　（1）限制每個(gè)節(jié)點(diǎn)每次取得通信權(quán)的時(shí)間上限值，若超過(guò)此值，無(wú)論本次通信任務(wù)是否完成，均應(yīng)立即釋放通信權(quán)。

　　（2）保證在某一固定的時(shí)間周期內(nèi)，通信子網(wǎng)上的每一個(gè)站都有機(jī)會(huì)取得通信權(quán)。

　　（3）對(duì)于緊急任務(wù)，當(dāng)其實(shí)時(shí)性要求臨時(shí)變得很高時(shí)，應(yīng)當(dāng)給以優(yōu)先服務(wù)。對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的站，也應(yīng)當(dāng)給予較高的優(yōu)先權(quán)。

　　工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)常用的協(xié)議有令牌總線、令牌環(huán)網(wǎng)和CSMA/CD。綜合比較這3種網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)缺點(diǎn)，作為工業(yè)過(guò)程通信網(wǎng)絡(luò)，令牌總線比較適宜，令牌環(huán)網(wǎng)次之，CSMA/CD以太網(wǎng)最差[3]。PROFIBUS采用的是令牌總線網(wǎng)絡(luò)，且有較高的通信速率，可以顯著的改善DCS的通信性能。

　　工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)對(duì)響應(yīng)時(shí)間的要求有時(shí)比普通局域網(wǎng)快幾百倍。由于在過(guò)程控制層采用了PROFIBUS的數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)，能大大縮短控制運(yùn)算周期。在一個(gè)有著32個(gè)站點(diǎn)的分布系統(tǒng)中，PROFIBUS-DP對(duì)所有站點(diǎn)傳送512 bit/s輸入和512 bit/s輸出，在12M bit/s時(shí)只需1毫秒。FCS設(shè)備對(duì)PID調(diào)節(jié)運(yùn)算可達(dá)10-20次/s，而目前DCS的運(yùn)算周期一般為4-5次/s[2]，這使系統(tǒng)調(diào)節(jié)特性得到很大的改善。在多主站PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)數(shù)量越多，實(shí)時(shí)性越差[4]。

　　3.2 可靠性

　　可靠性是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)另一個(gè)重要指標(biāo)。一般遵循三個(gè)準(zhǔn)則：

　　（1）系統(tǒng)運(yùn)行不受故障影響的準(zhǔn)則。即系統(tǒng)內(nèi)任一裝置發(fā)生故障，除故障裝置所涉及的功能外，不應(yīng)引起整個(gè)系統(tǒng)或其他功能的故障。采用冗余設(shè)計(jì)和多級(jí)操作可使故障的影響最小。

　　（2）系統(tǒng)不易發(fā)生故障的準(zhǔn)則。即從系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制層裝置的可靠性著手。

　　（3）迅速排出故障的準(zhǔn)則。即從故障診斷、在線監(jiān)視、易維護(hù)性著手。

　　目前DCS的可靠性都在99.99%～99.9999%[5]之間，已經(jīng)具有較高的可靠性。由于系統(tǒng)吸收了PLC和DCS技術(shù)成熟、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，并且在DCS的過(guò)程控制層中采用了PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線，在功能和設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了徹底的分散性，可以顯著地改善可靠性三個(gè)準(zhǔn)則中的 “系統(tǒng)運(yùn)行不受故障影響的準(zhǔn)則”。因此，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。

　　3.3 經(jīng)濟(jì)性

　　（1）PROFIBUS采用1對(duì)N接線結(jié)構(gòu)，一對(duì)傳輸線可以接N臺(tái)設(shè)備。火電廠主廠房?jī)?nèi)的熱工系統(tǒng)屬I/0點(diǎn)密集、立體布置的特殊大型系統(tǒng)，按目前DCS的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，300MW 機(jī)組熱工電纜約需360km。相對(duì)于集中控制方式能節(jié)約30%～40%的控制電纜，并且能節(jié)約昂貴的熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線。對(duì)主廠房外的輔助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控， 采用FCS能節(jié)約60%左右的電纜[2]。

　　（2）可減少電子設(shè)備間的機(jī)柜、聯(lián)系電纜數(shù)量,縮小電子間的面積數(shù)量,電纜夾層也將逐步走向消亡,為最終實(shí)現(xiàn)駕駛倉(cāng)式的控制室奠定了基礎(chǔ)。

　　（3）可簡(jiǎn)化系統(tǒng)，降低設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試和維護(hù)費(fèi)用。

　　由于系統(tǒng)吸收了DCS的優(yōu)點(diǎn)，具有以下FCS目前不可替代的優(yōu)勢(shì)：

　　（1）PLC和DCS可以組成大型的控制系統(tǒng)，F(xiàn)CS目前在這方面比較欠缺。

　　（2）PLC和DCS功能全面，可以有連續(xù)、順序、模擬量、數(shù)字量控制等，但是FCS的功能就不是很全面，特別是數(shù)字量方面。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已是一種成熟可靠的技術(shù)，隨著其應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，開(kāi)放的全數(shù)字化的時(shí)代必將到來(lái)。PROFIBUS總線技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用證明，使用全分布式I/O系統(tǒng)代替集中式I/O系統(tǒng)，不僅可以顯著降低成本，而且對(duì)于實(shí)現(xiàn)包括集基礎(chǔ)自動(dòng)化、管理自動(dòng)化和決策自動(dòng)化于一體的綜合信息自動(dòng)化有著十分重要的意義。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：

　　1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種基于PROFIBUS的集散控制系統(tǒng)，分析了這種集散控制系統(tǒng)的分層體系結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理和通信原理，可以顯著改善集散控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

　　2、論述了設(shè)計(jì)的集散控制系統(tǒng)的過(guò)程I/O層—PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，解決了集散控制系統(tǒng)采用集中式I/O的不足，能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，并對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線在集散控制系統(tǒng)的應(yīng)用有重要的指導(dǎo)意義。</