西門子6ES7214-2BD23-0XB0西門子6ES7214-2BD23-0XB0

 由于工業(yè)生產(chǎn)過程是一個分散系統(tǒng)，因此過程控制的方式是分散進行，而監(jiān)視、操作和化管理應以集中為好。隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，控制管理的要求不斷提高，過程參數(shù)日益增多，控制回路越加復雜，在70年代中期產(chǎn)生了DCS/' target='_blank'>集散控制系統(tǒng)，他一經(jīng)出現(xiàn)就受到工業(yè)控制界的青睞。DCS是集計算機技術、控制技術、網(wǎng)絡通信技術和圖形顯示技術于一體的系統(tǒng)。與常規(guī)的集中式控制系統(tǒng)相比有如下特點：

    1、實現(xiàn)了分散控制。它使得系統(tǒng)控制危險性分散、可靠性高、投資減小、維護方便。  
    2、實現(xiàn)集中監(jiān)視、操作和管理。使得管理與現(xiàn)場分離，管理更能綜合化和系統(tǒng)化，  
    3、采用網(wǎng)絡通信技術，這是DCS的關鍵技術，它使得控制與管理都具實時性，并解決系統(tǒng)的擴充與升級問題。

    目前，由于PLC把的數(shù)據(jù)高速公路（HIG HWAY）改成通用的網(wǎng)絡，并逐步將PLC之間的通信規(guī)約靠攏使得PLC 有條件和其它各種計算機系統(tǒng)和設備實現(xiàn)集成，以組成大型的控制系統(tǒng)，這使得PLC 系統(tǒng)具備了DCS的形態(tài)，這樣，基于PLC的DCS系統(tǒng)目前在國內外都得到了廣泛的應用。　

    可編程序控制器（PLC）及集散控制系統(tǒng)（DCS）是目前工業(yè)控制領域較廣泛使用的兩種控制技術， 它們各自具有明顯的優(yōu)勢及劣勢， 如PLC在高速的順序控制中占主導地位， 而DCS則在復雜的過程控制中占優(yōu)勢； PLC體積小， 使用靈活， 價格相對較低， 但在通訊功能及管理能力方面不及DCS，  DCS雖然通訊及管理能力較強， 但體積大， 價格相對較高. 在這種情況下， 用戶期望得到一種集PLC與DCS優(yōu)點于一體的控制系統(tǒng)， 這種混合式控制系統(tǒng)（以下簡稱HCS）應既能*地實現(xiàn)邏輯及順序控制， 又能很好地完成過程控制， 同時還應具有管理功能， 且體積小， 價格較低， 可靠性高。一些自控設備生產(chǎn)廠商已有產(chǎn)品問世， Rockwell公司新近推出的Allen-Bradley（A-B）品牌ProcessLogix過程控制系統(tǒng)便是其中一例。

    本文將介紹一種混合式控制系統(tǒng)， 既吸取傳統(tǒng)DCS“管理集中， 控制分散”的設計精髓， 又保留傳統(tǒng)PLC所固有的靈活性及低價位等優(yōu)點， 適用于離散控制、順序控制及連續(xù)控制場合， 以低成本來完成高技術的自動化。

一、PLC與DCS比較

    如果按從弱至強將PLC與DCS的性能劃分為1至10個等級， 則可將它們的對比列于表1  
 

表1　PLC與DCS的比較

    早期的PLC以數(shù)字量的順序控制為主。隨著PLC功能不斷擴充，PLC增加了模擬量控制功能、PID調節(jié)功能、通訊聯(lián)網(wǎng)功能及分級控制功能等，在過去DCS占統(tǒng)治地位的化工、冶金等行業(yè)也可由PLC進行控制。但PLC難以組成大型、復雜、綜合的系統(tǒng)，如果過多的PC企圖通過網(wǎng)絡與過多的 PLC通訊，則可能導致瓶頸現(xiàn)象及計時上的困難。

    DCS是由模擬儀表控制系統(tǒng)發(fā)展而來，初期的功能以回路調節(jié)為主，之后又加入了順序控制的功能。DCS的設計思想是操作管理集中，控制分散以提高整個系統(tǒng)的可靠性及管理能力。DCS的上述優(yōu)勢使它在控制系統(tǒng)的市場仍占主流。  但DCS比PLC價位高，對一些資金有限的中小型企業(yè)有時難以承受。

    本文探討的這種混合式控制系統(tǒng)整合了PLC與DCS的優(yōu)勢，對需要實現(xiàn)低成本自動化（LCA）的場合尤為適用。

二、混合式控制系統(tǒng)結構 
 

    圖1所示為混合式控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要以DCS的設計思想為基礎，綜合PLC與DCS的各自優(yōu)勢。它主要由系統(tǒng)網(wǎng)絡、 操作員工作站、服務器、控制器及輸入/輸出（I/O）模塊等部分組成。

1、系統(tǒng)網(wǎng)絡

    對DCS而言，系統(tǒng)網(wǎng)絡是整個系統(tǒng)的基礎和核心，對整個系統(tǒng)的實時性、可靠性和可擴充性起著決定性的作用。對混合式控制系統(tǒng)也是如此。

    如圖1所示，HCS是分級控制系統(tǒng)，共分兩級：操作管理級及過程控制級。操作管理級的各項設備——操作員工作站及服務器由N1網(wǎng)連接。N1網(wǎng)是一局域網(wǎng)（LAN），對它的要求是能以較高的速率傳輸大量數(shù)據(jù)，可選用Ethernet（以太網(wǎng)）或ARCNET。Ethernet采用載波偵聽/多路訪問協(xié)議，具有10Mbps及100Mbps的通訊速度，但它不具備實時性；ARCNET采用令牌傳輸協(xié)議，具有2.5Mbps的通訊速度，具有好的實時性。 N1網(wǎng)的網(wǎng)絡拓樸結構可采用星形、總線形、混合形等。總線結構的網(wǎng)絡技術比較成熟，施工相對簡單，節(jié)點的加入或退出也無需中止網(wǎng)絡運行，是工業(yè)控制網(wǎng)常用的網(wǎng)絡結構。N1網(wǎng)的傳輸介質可使用雙絞線、同軸電纜或光纖。

    N2網(wǎng)將過程控制級的控制器與控制器、控制器與遠程I/O、遠程I/O與遠程I/O連接起來，并使之與服務器相連. 對N2網(wǎng)的要求是實時性，即一旦N2網(wǎng)上某節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，則該網(wǎng)絡上所連接的各節(jié)點應能同時接收到該數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。這一點對實時性很強的過程控制十分重要。N2網(wǎng)還具有其它特性，如給網(wǎng)絡添加新設備不會造成網(wǎng)絡通訊擁塞，*消除系統(tǒng)瓶頸現(xiàn)象；開放式體系結構使它與PLC、智能馬達驅動器等其它設備相兼容。

    A-B的ProcessLogix過程控制系統(tǒng)N1網(wǎng)采用總線結構的Ethernet，N2網(wǎng)采用A-B自己的ControlNet網(wǎng)絡，如果采用中繼器，傳輸距離可達30km。

2、操作員工作站

    操作員工作站是HCS與用戶進行信息交換的設備，其主要功能是為運行操作人員提供人機界面，使操作人員及時全面地了解系統(tǒng)運行情況，并對生產(chǎn)過程進行調節(jié)和控制。隨著微型計算機性能的不斷提高，操作員工作站可由PC機承擔，由于操作員工作站與服務器通過局域網(wǎng)相連，所以欲添加一個操作員工作站十分容易，只要在N1網(wǎng)上增加一個PC機并讓服務器為新添加的操作員工作站提供客戶軟件即可。

3、服務器

    所有的系統(tǒng)信息、報告及總數(shù)據(jù)庫由服務器統(tǒng)一管理，以實現(xiàn)信息集中管理。服務器用Windows NT為操作系統(tǒng)，配以系統(tǒng)應用軟件，還可與企業(yè)管理系統(tǒng)相連。DCS的組態(tài)功能在HCS中也由服務器提供。工程師可利用服務器的系統(tǒng)應用軟件來修改或添加控制配置并下載至控制器中。

4、控制器

    控制器為自動控制系統(tǒng)中的控制中樞。HCS的控制器與PLC一樣采用了典型的計算機結構，主要包括處理器、內存、I/O接口，外加通訊接口。HCS控制器的框架沿襲了傳統(tǒng)PLC的框架尺寸結構，因而體積比DCS小得多。雖然從尺寸與外形上看，HCS控制器與PLC極其相似，但它絕不是PLC的簡單翻版。 HCS控制器在過程控制中執(zhí)行閉環(huán)及順序控制，能勝任DCS所承擔的過程控制任務。HCS控制器采用模塊化結構形式，處理器模塊、本地I/O模塊、通訊接口模塊等均插入同一框架中，通過數(shù)據(jù)總線相連，實現(xiàn)“軟接線”，另外，通過N2網(wǎng)還可擴展遠程I/O模塊。

    每個HCS可支持多個控制器，而每個控制器又可支持多達上百個控制回路。這樣由HCS便可組成較大型的控制系統(tǒng)，且控制是分散的。如ProcessLogix控制系統(tǒng)多可支持16個控制器，每個控制器可支持125～150個控制回路。

5、輸入/輸出（I/O）模塊

    HCS提供了能與工業(yè)現(xiàn)場I/O信號直接相連的各種規(guī)格的I/O模塊， 如模擬量/數(shù)字量、 直流/交流、電壓/電流及不同電壓等級的I/O模塊等。這些I/O模塊可與工業(yè)現(xiàn)場的按鈕、變送器、傳感器、電磁閥門及馬達控制器等設備元件直接相連，使用靈活方便。

三、混合式控制系統(tǒng)特點

1、分級分散控制， 集中管理

    HCS保留了DCS信息集中，控制分散的優(yōu)勢。系統(tǒng)按功能在垂直方向分為兩級：操作管理級及過程控制級。各級之間既有分工，又有，在系統(tǒng)的協(xié)調下運行。同時，按生產(chǎn)過程作水平分解，以滿足控制遍布整個廠區(qū)的需要。采用該分散控制結構，將多個控制器及I/O框架分散后進行聯(lián)網(wǎng)，一方面可將生產(chǎn)過程的全部信息通過網(wǎng)絡傳送至服務器以實現(xiàn)信息集中，另一方面避免因個別設備出現(xiàn)故障殃及整個系統(tǒng)而造成的危險，提高可靠性。

2、靈活性高及可擴展性強

    HCS 采用模塊化及積木化的結構形式，用戶可選擇不同數(shù)量、不同規(guī)格的單元設備以組成不同要求、不同規(guī)模的硬件系統(tǒng)。例如，控制器及其遠程I/O均采用PLC式的模塊結構，用戶可根據(jù)不同應用場合選用不同規(guī)格的模塊；整個系統(tǒng)采用分級分散的網(wǎng)絡結構形式，使增加或去除某些單元不會影響整個系統(tǒng)的性能，這種靈活的組裝方式使系統(tǒng)擴展變得容易，有利于工廠按當前規(guī)模配置系統(tǒng)，提高設備的利用效率。

3、可靠性高

    （1）冗余技術

    HCS允許用戶在任何需要的關鍵部分擴充冗余部件，以免由于某個部件失效而影響系統(tǒng)運行。如在控制器中加入冗余的處理器，加入冗余的服務器及冗余的傳輸介質（如同軸電纜）等。

    （2）自診斷功能

    HCS系統(tǒng)軟件可在線監(jiān)視整個系統(tǒng)的軟硬件狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，可立即采取有效措施，以防止故障擴大。

    （3）斷電保護功能

    HCS控制器的處理器模塊內裝有鋰電池，以防止掉電而造成數(shù)據(jù)丟失。

四、混合式控制系統(tǒng)的展望

    1、體積更小、價格更低、功能更強

    隨著超大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，HCS的控制器將采用更高性能的微處理器作為處理器，使控制功能大大增強；隨著安裝布線技術的發(fā)展，HCS可采用表面安裝及扁平封閉技術，使HCS的體積更小，價格更低。

    2、I/O模塊更豐富多樣

    由于I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場設備直接相連，所以I/O模塊功能的強弱直接影響系統(tǒng)控制能力。為此，各生產(chǎn)廠商競相研制各種豐富多樣的I/O模塊，如定位控制模塊、CRT模塊、數(shù)控模塊、計算模塊、語音處理模塊、模糊模塊等。它們大多是自帶處理器的智能型I/O模塊，可滿足不同場合的復雜控制。如果HCS采用這些智能I/O模塊，將大大增強其控制功能。

    3、引入人工智能技術

    （1）在系統(tǒng)應用軟件中采納智能控制算法，如模糊邏輯、專家系統(tǒng)、遺傳算法、神經(jīng)元網(wǎng)絡等高級控制算法，形成具有人工智能的控制模塊及網(wǎng)絡系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的控制水平。

    （2）利用人工智能技術進行自診斷及故障的早期預測。由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡具有自組織自學習自適應的能力及并行處理能力等，經(jīng)過訓練可對HCS進行監(jiān)控和故障檢測，并對故障作出早期預測，優(yōu)化過程控制，提高系統(tǒng)的工作可靠性。