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1、计算机控制系统发展动向的思索计算机控制系统发展动向的思索 Post By：2009-7-7 9:41:37 方原柏方原柏前言前言20 世纪后半叶，由于计算机、通信、控制、仪表、软件等技术的飞速发展，不仅产生了多种多样的自控产品，也丰富了人们进行自控设计的思路与方案。在工业生产过程中，1969 年问世的 PLC 和 1975 年问世的 DCS 可能是两类影响最为深远的计算机控制系统。PLC 的问世取代了继电器之类的器件，实现了开关量的联锁控制、程序控制；DCS 的问世取代了显示仪、调节器之类的仪表，实现了模拟量的指示、记录和 PID 回路调节等功能。随着计算机、通信、网络技术的发展，PLC、DC
2、S 互相融合，互相渗透，取长补短。PLC 吸取了吸取了 DCS 在回路控制功能在回路控制功能、CRT 显示功能、网络功能等方面的长处，显示功能、网络功能等方面的长处，DCS 吸取了吸取了 PLC 在联锁控制功能、程序控制功能、梯形图在联锁控制功能、程序控制功能、梯形图及功能块图编程功能等方面的长处，两者之间的差别越来越小，分界线也越来越模糊了。及功能块图编程功能等方面的长处，两者之间的差别越来越小，分界线也越来越模糊了。另外，随着其他计算机控制系统的不断出现，控制系统的产品早已呈现出多元化的发展格局，而针对某一具体用户来说，DCS+PLC 的控制方案不再受青睐，控制系统设备一体化的呼声越来越高
3、。近年来，控制系统的发展还出制系统的发展还出现这样一些趋势：向国产现这样一些趋势：向国产 DCS 系统转移，向系统转移，向 PLC 转移，向现场总线控制系统转移，向现场总线控制系统 FCS 转移，而以转移，而以 PC 为基为基础的控制系统础的控制系统(PC-Based Control System, PCBCS)也呈现良好的发展态势。也呈现良好的发展态势。本文将针对以上的动向谈谈作者的想法。一一 控制系统类型的多元化控制系统类型的多元化20 世纪 70 年代中期，DCS 刚刚问世一两年就开始进入中国，作为一种全新的控制模式和方便实用的 CRT 显示手段，很快为中国用户所接受，而在国外出现更早的
4、 PLC 却迟至 80 年代初才为中国技术人员所知晓。不久因单回路可编程序控制器的普及，又出现了 PC+单回路可编程序控制器组合的计算机控制系统，由于此方案的数据采集、控制功能均由单回路可编程序控制器完成，集中管理在 PC 机上实现，系统组成灵活、规模可变、危险分散、费用不高，所以当时就有学者指出这是最符合中国国情的一种控制系统选型方案。在中国市场上影响最大的日本山武公司的 KMM、SDC-40B，日本横河公司的 SLPC、YS170，美国福克斯波罗公司的 MICRO760、761、762，美国霍尼韦尔公司的 UDC6000、6300 及国产 DTZB-2310A 等均可以这种方式构成计算机控
5、制系统。进入 90 年代，单回路可编程序控制器向多回路及可附加 I/O 方向发展，一台盘装仪表形式的可编程序控制器可以完成双回路、4 回路、8 回路甚至 24 个回路的 PID 控制，I/O 点总数可达数十点乃至上百点，非常适合小型装置使用。一些生产大型 DCS 的厂商也开始推出中型化、小型化、微型化的 DCS，例如美国霍尼韦尔公司就先后推出 MICRO TDC-3000、S9000、SCAN3000、UMC800 等控制系统，系统经济规模从数千点可减少到数十点。北京和利时公司在推出 HS2000 系统之后，也曾推出过 100 点以下规模的 mCS 微型控制系统和稍大规模的 FOCS 系统。甚
6、至连记录仪、数字显示仪类的产品也扩展了功能，厂家在为其配备通信接口后，也可以将它们作为数据采集器和后备仪表与 PC 构成简易型计算机控制系统(因某些记录仪、数字显示仪也带控制功能)。当系统工作正常时，可由 PC 机进行集中管理，一旦 PC 机出现故障，记录仪或数字显示仪可作为备用仪表显示工艺参数。某些公司生产的记录仪不仅自身可与 PC 机组成控制系统，还可以与该公司生产的可编程序控制器等设备共同组成控制系统，此时记录仪以其点数多(如 6、12、24、32、64 点)的优点弥补可编程序控制器 I/O 点数较少、单个 I/O 点采集成本高的缺陷，如泸州天然气化工厂 240kt/y 尿素工程监控系统
7、就是由日本山武公司 SDC30/31/40B 可编程序控制器、美国霍尼韦尔公司 DPR 系列多点记录仪及 PC机组成。一些生产计算机的厂家不甘落后，近年来也推出一些 I/O 接口产品与其生产的计算机配套，其中比较有影响的是研华公司的 ADAM 模块、研发公司的 DAC 模块，这也是一类低成本的计算机控制系统。另外，还有近年来飞速发展的现场总线控制系统 FCS，以及以 PC 为基础的控制系统 PCBCS。摆在控制系统选型者和用户面前的方案令人眼花缭乱，甚至不知所措，这种多元化的市场格局虽然会使用户选型增加很多工作量，但较之一两个方案有充分的挑选余地。二二 控制设备的一体化控制设备的一体化按我国的
8、体制，工程设计、施工安装、现场维护通常都是分成自控仪表、电气两个专业，模拟量控制选 DCS、开关量控制选 PLC 几乎是 80 年代及 90 年代初期工业过程控制的通用模式。这种方案采用两套控制设备，构成两个控制中心，带来投资、操作、生产管理上的大量问题，即使稍后采用接口让 DCS、PLC 互相通信，上述问题并未得到根本解决。所以不少用户迫切希望工艺过程的所有控制要求应该由一个控制系统来完成，至于工艺过程是属于连续过程、间断过程还是批量过程，是以模拟量为主还是以开关量为主，那只是控制系统选型应该考虑的问题，其关键是控制设备应一体化。冶金行业较早提出 EIC(电气、仪表、计算机)一体化，建材行业
9、也如此，电力行业更希望用一套控制设备完成以下多类控制功能：DAS(数据采集系统)、CCS(协调控制系统)、SCS(顺序控制系统)、FSSS(炉膛安全监控系统)、ECS(电气控制系统)、DEH(汽轮机数字电液控制系统)、MEH(给水泵数字电液控制系统)、ETS(汽机联锁系统)，这些都说明很多行业都在提倡控制设备一体化。控制系统的生产厂家早就看到了这一点，他们也不断地改进自己的产品，如霍尼韦尔公司的 TDC-3000 DCS，原来对大量的开关量控制采用 IPC620-35 PLC，它通过 PLC 接口接入系统，这属于 DCS+PLC 方式。后来该公司将 IPC620-35 与 PLC 接口 LMM
10、(逻辑管理器组件)组合成 LM(逻辑管理器)，作为大量开关量的控制设备，而大量的模拟量控制则先后采用 PM(过程管理器)、APM(高级过程管理器)、HPM(高性能过程管理器)来完成，这些设备通过 UCN(通用控制网络)接入 LCN(局部控制网络)，进入管理网络。这样的变化对用户来说感觉就不一样了，会认为它是一个一体化的、具有强大开关量控制功能的 DCS，所以 LM 的销售量远高于 IPC620-35。再如西门子公司，PLC 是其强项，S5、S7 系列 PLC 产品早已风靡全球。该公司在 1996 年推出的 PCS7，号称是过程控制系统，但其硬件部分仍是原有 PLC 系统的部件，如自动化控制系统
11、(即现场控制站)的中央处理器采用的是 S7-414 以上的 CPU，其分布式 I/O 仍沿用 S7 PLC 中使用的 ET200 远程 I/O，只是控制软件选用了带更多模拟量控制功能的 WinCC，所以其模拟量处理功能、控制功能及网络功能大大增强，也更容易满足工艺过程控制系统一体化的需求。制造厂家在扩展功能方面的努力，为用户实现工艺过程控制系统一体化创造了条件。中小型生产过程控制系统一体化较早得到顺利实施，大型生产过程控制系统一体化的进展也很快。以炼铁高炉为例，近年来国内大型高炉所采用自动化系统的实例有关资料中共列举了 19 套，在 1994 年以前投运的有 8 套，其中 DCS+PLC 占大
12、多数，一体化的控制系统仅占 25%；1994 年及以后投运的有 11 套，一体化的控制系统则占 73%。三三 向国产向国产 DCS 转移转移国产 DCS 虽然诞生于 20 世纪 80 年代，但取得实质性进展则是在 90 年代中期，目前令中国仪器仪表行业引以为豪的浙江浙大中控公司、北京和利时公司、上海新华控制工程公司均从这一时期起步，目前都达到 23 亿元的年产值和每年数十至上百套系统的业绩。在与国外 DCS 厂家的竞争中，目前还不好说国产 DCS 全面占有优势，但至少在一部分行业、在中小型企业能打成平手甚至略占优势。国产 DCS 从中小型企业开始，从辅助工序开始，现已逐步进入大型、特大型企业，
13、进入主体工序。以电力系统为例，国产 DCS 生产厂从中小机组开始，在 50、100、125、200MW 机组上积累了丰富的经验，目前已在 300MW 机组上采用了 25 套(每一套的 I/O 总点数约 5000，是一个非常大的系统)DCS。新华公司总承包了安徽平圩电厂 2600MW 机组、天津大唐盘山发电公司 2600MW 机组的部分控制系统。核电站是公认的控制要求最为严格的行业，而和利时公司已先后有 7 套 DCS 应用于核电站。2001 年 7 月，和利时公司为秦山核电站二期工程 2600MW 压水堆电站提供的成套设备仪表及控制系统(物理量点数超过 10000)已通过由信息产业部科技司组织
14、的技术鉴定。由于三大国产 DCS 公司不凡的业绩，作者认为这些公司的产品已从成长期进入成熟期。几年来，我院在几个工程项目中选用了浙大中控公司、和利时公司的多套系统，这些系统在投运后均工作正常，尚未发现因硬件、软件原因造成系统不能正常使用的问题，用户对系统也比较满意。遗憾的是国内 PLC 行业非常萧条，一直未有能与国外 PLC 相抗衡的产品问世。北京和利时公司在其产品 FOCS 系统中除有 FODCS 外，还有一款 FOPLC，意欲在 PLC 产品领域与国外产品竞争。和利时公司的 FOCS 系统采用的是一种新的产品开发思路，用德国 VIPA 公司的 I/O 模块 OEM 及 FOCS SOFT
15、HMI 人机界面软件构成中小规模的 PLC 类产品。四四 向向 PLC 控制系统转移控制系统转移早期的 DCS、PLC 各自为政，两者相安无事，而进入互相融合时期，其竞争非常激烈。PLC 以其产品应用广泛、产量大、价格稍低的优势逐渐挤占了 DCS 原有的市场。如在 90 年代初期，美国德州仪器公司的 PLC 产品 PM550、TI650 不仅在冶金工厂需要开关量控制的工序中大量得到使用，而且也进入了化工行业，如新疆化肥厂、湖南资氮集团；日本欧姆龙公司的 PLC 在长山化肥厂、南化氮肥厂、三明化工厂、浩良河化肥厂也有成功应用。据介绍，在国内水泥行业控制系统 20 余年的应用中，DCS、PLC 大
16、体上各占半壁江山，其中 80 年代中后期及 90 年代初期以传统的 DCS 应用较多，而在此之后，是以 PLC 型 DCS(即 PLC+微机组成的 DCS 系统)的应用较多，世界著名的水泥公司设计或建设的大型水泥厂的控制系统也是以 PLC 型 DCS 为多。近年来，水泥工厂以及一些水厂、污水处理厂的招标书上往往注明 DCS，但实际来投标的多是 PLC 厂商或系统集成商，中标的系统也往往是 PLC 型 DCS。1993 年，全球 PLC+DCS 的销售额是 65.4 亿美元，其中 PLC 占 59.6%。2000 年，全球 PLC+DCS的销售额是 117 亿美元，比 1993 年增长了 78.9%；其中 PLC 占 65.0%，市场份额上升了 5.4%，比 1993 年 PLC 的销售额增长了 94.9%；DCS 市场份额从 40.4%减少到 35.0%，销售额仅增长了 55.3%。还有一个现象也说明 PLC 的影响越来越大，为 PLC 制定的国际标准 IEC 61131，不仅在 PLC 产品中全面得到推广，而且众多 DCS 产品也竞相采用，比如组态方式采
