淺談汽輪機DCS集散控制系統產品開發

　　 摘要：隨著電力資源的不足，推動電站汽輪機、燃汽輪機市場的快速發展，新發電機組招標和老機改造正在緊鑼密鼓的蓄勢待發。而基于我們輕車熟路的DEH控制系統卻逐步將被DCS系統所取代。我們的生存面臨著嚴峻的挑戰。我們費盡心血設計、調試的多種DEH控制系統成功投入運行，卻沒有一個系統的知識產權是完全屬于自己的。業績被別人一個個地寫入產品樣本中，而配套產品成本完全受制于成套供應商，并且大有逐步蠶食我們打下的天下之勢。我們究竟是否需要開發自己DCS系統以完善配套DEH控制系統、逐步擴展我們的市場空間，還是維持現狀坐觀工控產業的日新月異的發展？下面我就針對以上情況談一點自己的看法，供領導和有識之士參考。 

　　關鍵詞：FCS (現場總線控制系統)、DCS (集散控制系統)、PCS(過程控制系統)、 PLC(可編程邏輯控制器)

　　1．集散控制系統DCS與現場總線控制系統FCS的比較

　　1．1 概述FCS、DCS

　　FCS是在DCS的基礎上發展起來的，FCS順應了自動控制系統的發展潮流，它必將替代DCS。這已是業內人士的基本共識。然而，任何新事物的發生，發展都是在對舊事物的揚棄中進行的，FCS與DCS的關系必然也不例外。FCS代表潮流與發展方向，而DCS則代表傳統與成熟，也是獨具優勢的事物。特別是現階段，FCS尚沒有統一的國際標準而呈群雄逐鹿之勢，DCS則以其成熟的發展，完備的功能及廣泛的應用而占居著一個尚不可完全替代的地位。本人認為：現場總線控制系統FCS應該與集散式控制系統DCS相互兼容。

　　無論是FCS或者是DCS，它們最終是為了滿足整個生產過程而進行的系統控制（PCS）。

　　首先以工程成本與效益看，現場總線的根本優勢是良好的互操作性；結構簡單，從而布線費用低；控制功能分散，靈活可靠，以及現場信息豐富。然而這些優勢是建立在 FCS系統初裝的前提下，倘諾企業建立有完善的DCS，現在要向FCS過渡，則必須仔細考慮現有投資對已有投資的回報率。充分利用已有的DCS設施，現有DCS的布線以及成熟的DCS控制管理方式來實現FCS是我們應選之途。

　　雖然現場總線對已有的數字現場協議有優勢可言，但向其過渡的代價與風險是必須分析清楚的。再者，從技術的繼承及控制手段上，也要求FCS與DCS應相兼容。FCS實現控制功能下移至現場層，使DCS的 多層網絡被扁平化，各個現場設備節點的獨立功能得以加強，因此，在FCS中有必要增加和完善現場子層設備間的數據通訊功能。

　　由于歷史的原因，DCS通常擁有大型控制柜用以協調各個設備，同時更強調層與層的數據傳輸。可見，兩種控制在策略上各具優勢。DCS適用于較慢的數據傳輸速率；FCS則更適用于較快的數據傳輸速率，以及更靈活的處理數據。然而，當數據量超過一定值過于偏大時，如果同層的設備過于獨立，則很容易導致數據網絡的堵塞。要解決這個問題，擬設立一個適當的監控層用以協調相互通訊的設備，必然是有益的，DCS就能輕松地勝任這一工作。可見，為使FCS的控制方式和手段完善化，是有必要借鑒DCS的一些控制思想的。

　　要把握新世紀工業過程控制的發展趨勢，無論在學術研究或是工程應用方面都有必要使FCS綜合與繼承DCS的成熟控制策略；與此同時，DCS的發展也應追尋FCS控制策略的新思想，使其具有新的生命力。DCS應能動地將底層控制權交付給FCS系統，將較高層的系統協調管理功能發揚光大，完成對新時代，新形勢的工業控制系統的智能設備集成。

　　1．2現場總線傳輸特點

　　現場總線控制系統（FCS）是順應智能現場儀表而發展起來的。它的初衷是用數字通訊代替4－20mA模擬傳輸技術，但隨著現場總線技術與智能儀表管控一體化（儀表調校、控制組態、診斷、報警、記錄）的發展，在控制領域內引起了一場前所未有的革命。控制專家們紛紛預言：FCS將成為21世紀控制系統的主流。

　　然而就在人們沸沸揚揚的對FCS進行概念炒作的時候，卻沒有注意到它的發展在某些方面的不協調，其主要表現在迄今為止現場總線的通訊標準尚未統一，這使得各廠商的儀表設備難以在不同的FCS中兼容。此外，FCS的傳輸速率也不盡人意，以基金會現場總線（FF）正在制定的國際標準為例，它采用了ISO的參考模型中的3層（物理層、數據鏈路層和應用層）和極具特色的用戶層，其低速總線H1的傳輸速度為31.25kbps，高速總線H2的傳輸速度為1Mbps或2.5Mbps，就針對西門子推出的PROFIBUS總線而言：其市場站有率相對較大，但由于受通訊線路長度的影響，在100M線路長度下最高通訊速率為12Mbps，這在有些場合下仍無法滿足實時控制的要求。由于上述原因，使FCS在工業控制中的推廣應用受到了一定的限制。當人們冷靜下來對這些問題進行思考時，不禁想起了在商業網絡中廣泛應用的以太網。

　　以太網具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優勢，由于它支持幾乎所有流行的網絡協議，所以在商業系統中被廣泛采用。但是傳統以太網采用總線式拓樸結構和多路存取載波偵聽碰撞檢測（CSMA/CD）通訊方式,在實時性要求較高的場合下，重要數據的傳輸過程會產生傳輸延滯，這被稱為以太網的“不確定性”。研究表明：商業以太網在工業應用中的傳輸延滯在2～30ms之間，這是影響以太網長期無法進入過程控制領域的重要原因之一。因此對以太網的研究具有工程實用價值，從而產生了一種新型以太網。

　　1．3工業以太網的研究現狀

　　近年來控制與通訊工程師們致力于新型工業以太網的研究工作，其中有代表性的是FF制定的快速以太網標準，其傳輸速度為100Mbps。綜觀工業以太網的研究現狀，出現了兩個值得注意的發展方向：以太網集線器和具有實時功能的以太網的協議。

　　a、以太網集線器

　　FF將以太網技術加入到H2協議中，并以它作為H2的底層協議，其網絡采用星型拓樸結構。

　　集線器（HUB）置于網絡中心并通過以太網I/O接口掛接現場設備，其中實時現場儀表和普通現場儀表（通過通道組）分別掛接在不同的以太網I/O接口上。以太網I/O接口高速(約100 kHz)掃描所有實時現場儀表和通道組，然后傳送數據包到上層控制器。

　　通常普通控制算法在現場控制器中進行（可由上層控制器下載），而高級控制算法則在上層控制器中進行，其控制輸出經以太網集線器和以太網I/O接口傳輸到現場執行儀表。由于實時現場儀表掛接在專用的以太網入口地址，并用完全分離的線路傳輸數據，所以保證了實時數據不會產生傳輸延滯和線路阻塞。

　　集線器作為網絡的仲裁器，除了控制通信雙方的傳輸時間外，還對傳輸的數據包進行優先級設置，使每條信息都包含傳輸優先級等實時參數。此外智能化的集線器還可以動態檢測需要通訊的現場設備所在以太網I/O口，并為之提供數據緩沖區，這樣可大大縮短現場設備的響應時間和減少數據的重發次數。集線器與其它集線器相連可實現不同網絡之間的數據共享。 

　　經驗證這種采用以太網集線器技術的FCS可使實時數據的延遲時間控制在200納秒的范圍之內，這已足以滿足多數場合的實時控制要求。