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1、控制系统发展综述作发布时间：2009-10-14 10:37:01者：史珺控制系统发展综述关键词： 控制系统 集散控制系统 可编程控制器 工控机 现场总线 开放式控制系统1 引言 控制系统其实从20世纪40年代就开始使用了，早期的现场基地式仪表和后期的继电器构成了控制系统的前身。现在所说的控制系统，多指采用电脑或微处理器进行智能控制的系统，在控制系统的发展史上，称为第三代控制系统，以PLC和DCS为代表，从70年代开始应用以来，在冶金、电力、石油、化工、轻工等工业过程控制中获得迅猛的发展。从90年代开始，陆续出现了现场总线控制系统、基于PC的控制系统等，本文将简要介绍各种常见的控制系统，并分析
2、控制系统的演进过程和发展方向。2 集散控制系统DCS2.1 DCS的发展历程 70年代中期，由于设备大型化、工艺流程连续性要求高、要控制的工艺参数增多，而且条件苛刻，要求显示操作集中等，使已经普及的电动单元组合仪表不能完全满足要求。在此情况下，业内厂商经过市场调查，确定开发的DCS产品应以模拟量反馈控制为主，辅以开关量的顺序控制和模拟量开关量混合型的批量控制，它们可以覆盖炼油、石化、化工、冶金、电力、轻工及市政工程等大部分行业。 1975年前后，在原来采用中小规模集成电路而形成的直接数字控制器(DDC)的自控和计算机技术的基础上，开发出了以集中显示操作、分散控制为特征的集散控制系统 (DCS)
3、。由于当时计算机并不普及，所以开发DCS应强调用户可以不懂计算机就能使用DCS;同时，开发DCS还应强调向用户提供整个系统。此外，开发的DCS应做到与中控室的常规仪表具有相同的技术条件，以保证可靠性、安全性。 在以后的近30年间，DCS先与成套设备配套，而后逐步扩大到工艺装置改造上，与此同时，也分成大型DCS和中小型DCS两类产品，使其性能价格比更具有竞争力。DCS产品虽然在原理上并没有多少突破，但由于技术的进步、外界环境变化和需求的改变，共出现了三代DCS产品。1975年至80年代前期为第一代产品，80年代中期至90年代前期为第二代产品，90年代中期至21世纪初为第三代产品。2.2 DCS控
4、制站 DCS系统中，控制站作为一个完整的计算机，它的主要I/O设备为现场的输入、输出处理设备，以及过程输入/输出(PI/O)，包括信号变换与信号调理，A/D、D/A转换。控制站是整个DCS的基础，它的可靠性和安全性最为重要，死机和控制失灵的现象是绝对不允许的，而且冗余、掉电保护、抗干扰、构成防爆系统等方面都应很有效而可靠，才能满足用户要求。 关于DCS控制站的系统软件，包括实时操作系统、编程语言及编译系统、数据库系统、自诊断系统等，只是完善程度不同而已。第二代DCS控制站开始有面向过程语言和高级语言；第三代DCS控制站的系统软件可以完成离线组态及在线修改控制策略。为了完成控制策略，目前典型的D
5、CS具有各种功能模块，这是DCS 厂家的专有技术。对于顺序控制和批量控制组态编程，各种DCS控制站采用不同的方法，直到近年来才向IEC 61131-3编程语言标准靠拢。2.3 DCS操作站 DCS操作站具有操作员功能、工程师功能、通信功能和高级语言功能等，其中工程师功能中包括系统组态、系统维护、系统通用(Utility)功能，还有系统配置、操作标记、趋势记录、历史数据管理、总貌画面组态、控制站组态、工艺单元或区域组态等。 实际的DCS操作站是典型的计算机，它与控制站不同，有着丰富的外围设备和人机界面。在人机界面方面，逐渐过渡为以GUI图形用户界面为平台并采用鼠标，组态时制作流程图和控制回路图等
6、采用菜单、窗口等，使人机界面友好。第三代DCS操作站是在个人计算机(PC)及Windows操作系统普及和通用监控图形软件已商品化的基础上诞生的。目前大多数DCS操作站已采用高档PC机或工控机，Windows NT(或Windows 98)操作系统，客户机/服务器(C/S)结构，DDE或OPC接口技术，以太网接口与管理网络相连。DCS系统组态、操作站组态、控制站组态均有相应软件，为DCS用户的工程设计人员提供人机界面。有的DCS的采用通用监控图形软件，或以此类软件为核心，进行二次开发。2.4 数据通信及网络 因为数据通信标准牵涉到网络结构、通信介质(信道)、通信协议、不同用户行业的行规等方面，所
7、以直至目前也没有工业(或过程工业)网络的完整的统一标准。到目前为止，IEEE802.4令牌总线传输方式和IEEE802.5令牌环网传输方式的通信协议在DCS系统中应用最广;现在第三代DCS通信均有向以太网开放的趋势，工业以太网的标准也在制订之中，是否能够成为今后DCS的通讯标准，还有待观察。2.5 DCS今后发展的几个问题 到目前为止，DCS所存在的问题，主要集中在3个方面：即系统开放性问题;与现场传感器、变送器、执行器的接线问题；价格较贵问题1。这些问题在第三代DCS中已开始得到解决。在21世纪，新一代的DCS应满足用户这方面的需求。 在DCS应用行业分布上，近年来DCS在钢铁、自来水厂及污
8、水处理厂等行业中的市场占有率下降，目前PLC已成为其主要选型对象，当然PLC的价格低也是原因之一。如对DCS产品进行改造，是可以保持其在这些行业中的地位的。3 PLC简介3.1 PLC的诞生和发展 1968年，通用汽车公司的油压部门确立了第一个可编程控制器的标准，他们的目的是消除既复杂又昂贵的继电器控制系统。该设计规格需要固态系统和电脑技术，并要求能够在工业环境中生存，也能够方便地编程，并且可以重复使用。到1969年，第一个PLC诞生。当时称为可编程控制器，英文是Programmable Controller，缩写为PC。由于第一代PLC是为了取代继电器的，因此，采用了梯形图语言作为编程方式，
9、形成了工厂的编程标准。这些早期的控制器满足了最初的要求，并且打开了新的控制技术的发展的大门。在很短的时间，PLC就迅速扩展到食品、饮料、金属加工、制造和造纸等多个行业。 PLC通常根据CPU所带的I/O点数的规模分为微型PLC、小型PLC、中型PLC、大型PLC、PC插卡式PLC以及PC兼容的PLC。各种规模分类标准如附表所示。 一套典型的PLC通常包括CPU模块、电源模块和一些输入/输出模块，这些模块被插在一块背板上。如果配置增加，可能会包括一个操作员界面、监控计算机、通讯模块、软件以及一些可选的特殊功能模块。可编程控制器不仅容易安装，占用空间小，能源消耗小，带有诊断指示器可以帮助故障诊断，
10、而且可以被重复使用到其它的项目中去。现在，尽管PLC的功能，如运行速度、接口种类、数据处理能力已经获得了很大的提高，但PLC的一直保持了其最初设计的原则，那就是简单至上的原则。3.2 今天的PLC PLC的技术从诞生之日起，就不停地发展。这些发展不仅改进了PLC的设计，也改变了控制系统的设计理念。过去，PLC适用于离散过程控制，如开关、顺序动作执行等场所，但随着PLC的功能越来越强大，PLC也开始进入过程自动化领域。附表 PLC分类(1) PLC的硬件进展以下列出了PLC的硬件进展：采用新的先进的微处理器和电子技术达到快速的扫描时间;小型的、低成本的PLC，可以代替四到十个继电器，现在获得更大
11、的发展动力;高密度的系统，以低成本提供了节省空间的接口;基于微处理器的智能I/O接口扩展了分布式控制能力，典型的接口如PID，网络，CAN总线，现场总线，ASCII通信，定位，主机通讯模块，和语言模块(如BASIC，PASCALC)等;包括输入输出模块和端子的结构设计改进，使端子更加集成;特殊接口允许某些器件可以直接接到控制器上，如热电偶、热电阻、应力测量、快速响应脉冲等;外部设备改进了操作员界面技术，系统文档功能成为了PLC的标准功能。 以上这些硬件的改进，导致了PLC的产品系列的丰富和发展，使PLC从最小的只有10个I/O点的微型PLC，到可以达到8000点的大型PLC，应有尽有。这些产品
12、系列，用普通的I/O系统和编程外部设备，可以组成局域网，并与办公网络相连。整个PLC的产品系列概念对于用户来说，是一个非常节约成本的控制系统概念。(2) PLC的软件进展与硬件的发展相似，PLC的软件也取得了巨大的进展，大大强化了PLC的功能:PLC引入了面向对象的编程工具，并且根据国际电工委员会的IEC61131-3的标准形成了多种语言; 小型PLC也提供了强大的编程指令，并且因此延伸了应用领域;高级语言，如BASIC，C在某些控制器模块中已经可以实现，在与外部通讯和处理数据时提供了更大的编程灵活性;梯形图逻辑中可以实现高级的功能块指令，可以使用户用简单的编程方法实现复杂的软件功能;诊断和错
13、误检测功能从简单的系统控制器的故障诊断扩大到对所控制的机器和设备的过程和设备诊断;浮点算术可以进行控制应用中计量、平衡和统计等所牵涉的复杂计算;数据处理指令得到简化和改进, 可以进行涉及大量数据存储、跟踪和存取的复杂控制和数据采集和处理功能。 尽管PLC比原来复杂了很多，但是，他们依然保持了令人吃惊的简单性，对操作员来说，今天的高功能的PLC与30年前的PLC一样那么容易操作，甚至更为简单。 目前在国内PLC的市场上，各供应商在产品规模上的组合定位是不同的。比如，三菱的重点定位是在微型和小型PLC的市场，而且试图以大规模的销售和广泛的服务网络来达成低廉的成本;而西门子重点在工厂集成能力、广泛的
14、产品范围、和电子商务能力的整合;欧姆龙则在中型以下的PLC市场取得了领先的位置;罗克韦尔瞄准大型高端市场，并把自己定位于从工厂底层到管理顶层的制造业解决方案提供商;日本光洋集中于微型和小型PLC，但在PC兼容的PLC也有不俗表现;施奈德则专注于为用户提供完整的集成方案，产品建立在中型和大型PLC上;ABB对于过程工业有深入的了解，并提供完整的解决方案。3.3 PLC的未来发展 PLC的未来发展不仅取决与产品本身的发展，还取决于PLC与其它控制系统和工厂管理设备的集成情况。PLC通过网络，被集成到计算机集成制造(CIM)系统中，把他们的功能和资源与数控技术、机器人技术、CAD/CAM技术、个人计
15、算机系统、管理信息系统以及分层软件系统结合起来，在工厂的未来发展中，将占据重要的地位。 新的PLC的技术进展包括，更好的操作员界面，图形用户界面（GUI），人机界面，也包括与设备、硬件和软件的接口，并支持人工智能比如逻辑I/O系统等。软件进展将采用广泛使用的通讯标准提供不同设备的连接，新的PLC指令将立足于增加PLC的智能性，基于知识的学习型的指令也将逐步被引入，以增加系统的能力。可以肯定的是，未来的工厂自动化中，PLC将肯定占据重要的地位，控制策略将被智能地分布开来，而不是集中，超级PLC将在需要复杂运算、网络通信和对小型PLC和机器控制器的监控的应用中获得使用2。4 现场总线控制系统4.1 现场总线的特点 现场总线的突出特点在于它把集中与分散相结合的DCS集散控制结构，变成新型的全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身实现基本控制功能。现场总线的特点主要表现在以下几个方面4:(1) 以数字信号完全取代传统的模拟信号 以数字信号完全取代传统DCS的420mA模拟信号，且双向传输信号。一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大为减少。同时，通信总线延伸到现场传感器、变送器、控制器和伺服机构，操作
