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探析FCS与DCS混合式集成控制系统

  集散控制系统DCS由操作站、控制站(监视站)、应用模件与历史模件、通讯网络和工程师站等组成。DCS除采用高可靠性的软硬件以及通信网络、控制站等冗余措施外,还使用故障检测与诊断工程软件,可对生产工况进行监测,从而及早发现故障,及时采取措施,提高了生产的安全性。
  上世纪80年代后期,在DCS的基础上开始开发一种适用于工业环境的网络结构和网络协议,并实现传感器、控制器层的通信,这就是现场总线。但研究工作进展缓慢,而且无国际标准可遵守。国际电工委员会( IEC)于2000年1月正式公布了IEC61158现场总线全部技术标准。但此标准中容纳了8种互不兼容的通信协议。由于是妥协于各方面的既有利益,并没有实现完全统一国际标准的初衷。
  CAN(ControllerArea Network)总线是现场总线的一种,它一般采用典型的串行总线拓扑结构进行通讯,这种方式的位速率低于环形结构,但是结构简单、成本低、而且通信可靠。CAN总线因传输时间短,受干扰的概率低,保证了通信的实时性。CAN能对错误的来源进行正确定位,将永久的硬件错误从软件错误中独立出来,其协议采用CRC检验,并提供相应的错误处理功能,同时保证了数据通信的可靠性。
  混合式控制系统的提出
  现场总线控制系统FCS应该与集散控制系统DCS相互兼容。首先从工程成本与效益看,现场总线的优势是良好的互操作性,结构简单,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,倘若企业建立有完善的DCS,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是首选之途。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比较大。再者,从技术的继承及控制手段上,也要求FCS与DCS应相互兼容。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。
  FCS和DCS的集成主要包括三个方面:
  (1)FCS和DCS输入输出总线的集成
  DCS的控制站主要由控制单元(Control Unit,CU)和输入输出单元( Input Output Unit,IOU)组成,这两个单元之间通过I/O总线连接。在I/O总线上挂接现场总线接口板或现场总线接口单元(Field bus Interface Unit,FIU),如图1所示。现场仪表或现场设备通过现场总线与HU 通信,FIU 再通过I/O总线与DCS的控制单元通信。这样便实现了现场总线和DCS输入输出总线的集成,即现场总线和DCS控制站的集成。


  现场总线和DCS输入输出总线的集成具有以下3个特点:
  ①除了安装现场总线接口板或现场总线接口单元外,不用对DCS再做其它变更;
  ②充分利用DCS控制站的运算和控制功能块,因为初期开发的现场总线仪表中的功能块数量和种类有限;
  ③利用已有DCS的技术和资源,投资少,见效快,便于推广现场总线的应用。
  (2)FCS和DCS网络的集成
  在DCS控制站的I/O总线上集成现场总线是一种最基本的初级集成技术,还可以在DCS的更高一层集成,即在DCS网络(DCSnet)上集成现场总线,如图2所示。现场总线服务器(FieldbuSServer,FS)挂接在DCS网络上,FS是一台完整的计算机,并安装了现场总线接口卡和DCS网络接口卡。


  现场设备或现场仪表通过现场总线与其接口卡通信,现场仪表中的输入、输出、控制和运算等功能块可以在现场总线上独立构成控制回路,而不必借用DCS控制站的功能。现场总线服务器通过其DCS网络接口卡与DCS网络(DCSnet)通信,也可以把FCS看作DCS网络上的一个节点或DCS的一台设备。这样FCS和DCS之间可以互相共享资源。FCS直接借用DCS的操作员站或工程师站。