DCS、FCS、CIPS 3種系統的集成與應用

1　引　言

　　隨著生產由簡單過程向大型化、連續化、集成化和復雜化方向發展，與之相應的控制技術、控制理論、控制系統和控制工具都發生了很大的變化。即控制技術由單變量控制技術發展到多變量協調控制技術；控制理論由經典控制理論（基于頻域法）發展到現代控制理論（基于時域法）和智能控制理論（基于規則、知識）；控制系統由簡單控制系統（如：PID控制、串級、比值、前饋、Smith等）發展到先進控制系統（如：預測、推斷、模糊、神經、魯棒等控制）和綜合自動化系統（控制、管理與決策一體化）；控制工具由常規儀器儀表發展到計算機及其網絡。

　　計算機技術的發展為先進控制的實現奠定了物質基礎，而控制技術的應用又促進了計算機技術的發展，兩者密切相關。以計算機為主的控制系統經歷了DDC（Direct Digital Control—單機控制系統）、DCS（Distributed Control System—集散控制系統）、FCS（Field Bus Control System—現場總線控制系統）和CIPS（ComputerIntegrated Process System—計算機集成過程控制系統）四個發展階段。

　　DDC控制集中、危險也集中，一般采用雙機／多機系統冗余結構，來保證控制系統的可靠性。為進一步提高控制系統的可靠性，70年代中推出了DCS系統。80年代中～90年代初是DCS發展的頂峰時期，DCS應用廣泛，技術成熟。國內企業紛紛引進各種成套的DCS產品，如Honywell的TDC－3000／S9000、WestingHouse的WDPFⅡ／Ⅲ、Bailey的INFI－90、Foxboro的I／AS系、橫河的Centum－XL／μXL等。但各廠家的DCS自成封閉的通信體系，難以實現企業內各種DCS系統的集成與綜合。

　　90年代出現的新型FCS則突破了DCS系統中通信由專用網絡的封閉系統來實現所造成的缺陷，把基于封閉、專用的解決方案變成了基于公開化、標準化的解決方案。FCS及其應用是當今研究的熱點。

　　以現場總線／DCS為基礎的綜合自動化系統CIPS集過程控制與綜合管理（經營決策、管理、計劃、調度等）于一體，便于企業能快速適應風云變換的市場，以增強企業的競爭力。CIPS的實現是未來追求的目標。

2　DCS、FCS、CIPS的體系結構與特點

2．1　DCS

　　典型DCS系統的體系結構一般為三層，即管理級、監控級（工程師站／操作站）和過程控制級，有三DCS過程控制器與現場變送器、執行器之間的連接采用一對一的設備連接方式，需消耗大量的連接電纜且安裝和維護費時費力，如圖2—1所示。DCS屬“半數字”系統，還需大量的AI／AO、DI／DO和PI／PO等中間模板來完成模擬量與數字量間的信息轉換。

2．2　FCS

　　FCS系統由于采用了智能現場設備和現場總線，具有以下優點：

①采用一對N的設備連接方式，成本低

　　FCS屬“純數字”系統，無需AI／AO、DI／DO和PI／PO中間模板。基于現場總線的現場設備與操作站之間是一種全數字化、串行、雙向、多站的通信模式，系統的可靠性高。而且，用數字信號替代模擬信號傳輸，在一對雙絞線或一條電纜上可掛接多個現場設備，節省硬件數量與投資，節省安裝費用，系統的成本低，如圖2—2所示。

②實現了徹底的分散控制

　　能夠將原先DCS系統中處于控制室的控制功能置入現場設備，直接在現場完成，即就地采集信息、就地處理、就地控制。上位機主要對其進行總體監督、協調、優化控制與管理，實現了徹底的分散控制。

③開放性與互操作性簡化了系統的集成　　現場總線的最大特點是采用統一的協議標準，使之具有開放性和互操作性，不同廠家的現場設備可方便地接入同一網絡中，且可相互訪問，簡化了系統的集成。

④信息綜合，組態靈活

　　通過數字化傳輸現場數據，FCS能獲取現場設備的各種狀態、診斷信息，實現實時的系統監控和管理。FCS引入了功能塊概念，使得組態十分方便、靈活，不同現場設備中的功能塊可以構成完整的控制回路；可在上位機上進行組態，完成之后再下裝至現場設備；用戶根據標識符來指定某一設備，不需考慮設備地址、存儲地址等。

　　總之，現場總線具有全分散、全數字化、智能、雙向、多變量、多點、多站、互操作的特點，是過程控制系統實現的基礎，也是綜合自動化系統CIPS數據信息流的起點。

2．3　CIPS

　　集常規控制、先進控制、在線優化、生產調度、企業管理、經營決策等功能于一體的綜合自動化系統CIPS是當前自動化發展的趨勢和熱點。CIPS是在計算機通信網絡和分布式數據庫的支持下，實現信息與功能的集成、綜合管理與決策，最終形成一個能適應生產環境不確定性和市場需求多變性的全局最優的高質量、高柔性、高效益的智能生產系統。

　　根據連續生產過程控制與工程總體優化、信息集成的需求，CIPS工程可由生產過程控制分系統、企業綜合管理分系統、集成支持分系統、人與組織分系統4個分系統及相應的下層子系統組成，如圖2—3所示。

3　DCS、FCS、CIPS的集成

　　計算機網絡技術的發展，解決了企業辦公自動化的問題，即企業高層的計算機設備互連問題較易實現。而企業過程控制級采用的設備可能是各個時期或各個廠家的產品，是個異構環境。考慮控制技術和生產的延續性與企業的投資效益，不可能完全擯棄原有可行系統，而采用全新技術和設備。企業現場控制網絡必將出現多種總線共存、多種系統集成和多種技術集成的局面。

3．1　FCS與DCS的集成

　　多種系統的集成是指現場總線控制系統FCS與傳統控制系統（DCS、PLC……）的集成及各種現場總線控制系統FCS之間的集成（因目前仍存在多種現場總線協議，如：FF、Profibus、CAN、LonWorks和HART等）。

　　FCS與DCS集成主要體現在現場通信協議的相容和組態、監控、操作軟件的統一。

　　DCS應用廣泛、技術成熟，尤其它在先進控制方面已有多年應用。現場總線的功能模塊一般只能解決基本的控制問題，而且在現有的技術條件和市場條件下，FCS還不能完全取代DCS，而應考慮兩者的集成，以綜合DCS和FCS的優勢。即FCS實現基本的測控回路，DCS作為高一層的管理協調者實現復雜的先進控制和優化功能。

　　目前，DCS和FCS可以在3個層次上實現集成，如圖3—1a、圖3—1b、圖3—1c所示；

　　a．現場總線集成在DCS的I／O層次上，即現場總線設備在DCS中作為I／O卡件的功能出現。

　　b．現場總線集成在DCS網絡上，即現場總線通過一個現場總線接口單元掛在DCS的通信網絡上。

　　c．DCS和FCS獨立工作，通過網關實現通信協議的轉換和信息的互訪。

　　以上3種集成途徑的應用中可能會遇到一些實際困難，因DCS的設計要素不同于FCS，DCS的封閉性限制了現場總線分散化、網絡化特點的實現。不同的DCS與不同的FCS集成需相應的轉換協議，會出現多種協議共存于現場控制網絡的局面。

3．2　基于現場控制網絡的CIPS

　　CIPS是集管理與控制于一體的綜合自動化系統，往往采用多級遞階控制體系結構（基本控制→先進控制→約束控制→局部優化→全局優化→綜合管理與決策）和“分解／綜合、協調”的方法。現場控制網絡是傳輸過程信息的基礎與關鍵，是CIPS數據信息流的起點。只有獲得過程的大量信息，CIPS才能進行系統的優化、綜合管理與決策。

　　通常大型CIPS網含有4類網：最上層采用廣域網（WAN）、上層采用辦公自動化局域網（TOP），中間層采用制造自動化協議MAP主干網，下層采用現場控制網（工廠底層控制網）。這4類網可通過網橋（Bridge）、路由器（Router）和網關（Gateway）互聯成CIPS網或Intranet網。

　　基于現場總線或DCS網絡的大中型CIPS網有WAN／TOP／MAP／Fieldbus or DCS網絡結構和TOP／MAP／Fieldbus or DCS網絡結構、小型CIPS網有LAN／Fieldbus or DCS網絡結構及LAN／DCS＋Fieldbus網絡結構（即現場控制網絡為DCS與FCS的集成）。

　　近兩年來許多控制系統設備供應商紛紛采用Ethernet作為工廠底層控制網絡的信息傳輸主干，用以連接系統監控設備和現場高級智能設備且TCP／IP進入現場，使得工廠的管理可以直接進入控制現場。在工業現場最為典型的應用形式是Ethernet＋TCP／IP，基于Ethernet＋TCP／IP的傳感器、變送器可以直接成為網絡的節點，其控制參數和它的狀態可以直接在企業信息網絡內傳輸和共享，從而避免了DCS和FCS因存在多種協議而難集成的局面。

4　結束語

　　DCS應用廣泛、技術成熟，但各廠家的DCS自成封閉的通信體系，難以實現全企業內信息的集成與綜合。

　　FCS具有全分散、全數字化、智能、雙向、多變量、多點、多站、互操作的特點。

　　FCS可視為DCS向下全數字開放的結果，CIPS可視為DCS向上擴展的產物。FCS和DCS側重于過程的監控與管理，CIPS側重于企業內信息集成、綜合管理與決策。DCS和FCS是CIPS數據信息流的起點。CIPS系統實現的關鍵技術是網絡技術，網絡是命脈。今后的自動化系統主要呈現出開放化、集成化、智能化、信息化和網絡化的特點。