企业简介

作为中国自动化领域的权威旗舰网络媒体，控制网创立于1999年7月，是中国举行的第十四届IFAC （International Federation of Automatic Control）大会的中国官方组织机构的唯一指定网站。控制网是中国自动化学会专家咨询工作 委员会（ECC）的秘书处常设之地。是北京自控在线文化传播有限公司开设的网站。

  • 公司类型：其他

联系方式
  • 控制网
  • 地址：北京市海淀区上地十街辉煌国际2号楼1504室
  • 邮编：100085
  • 电话：010-57116291 / 59813326
  • 传真：010-59813329
  • 网址：http://www.kongzhi.net
  • Email：mahongliang@kongzhi.net
  • 联系人：市场部
案例详细
标题DCS系统改造方案的设想
技术领域
行业
简介通过分析传统的DCS系统向新型的FCS系统过渡中存在的主要问题，提出一种立足于已有的DCS系统，只做少量投入即可完成改造的方案。并配合该方案，设计了一种现场总线转换器电路，此类转换器电路的硬件、软件均采用模块组合的结构，以此充分适应和利用原有DCS系统的布局和资源。
内容
一、引言
        目前，在过程控制领域中，DCS系统已经得到了广泛的应用，占据了主导地位。但是从自动控制系统的发展来看，采用总线技术的FCS系统必将最终取代DCS系统。
        不过经长期的研究和实践，DCS系统已建立了一套标准化、通用化和灵活化的成熟策略，为应用企业带来了明显地整体效益。相比较而言，FCS系统正处于探索应用阶段，还未形成一种统一、标准的体系。因而，控制界普遍认为FCS系统完全替代DCS系统尚需经历一段较长的过渡时期。同时，对于一些已经投入巨资建立有完善DCS系统的企业，舍弃前期投入，重新建立新型FCS系统是不现实的。因此，笔者认为，当前找到一种合理的方案，在充分利用原有DCS资源地基础上，少量投入，采用改造的手段，来实现FCS系统功能的方式更具有实际意义。
二、DCS系统改造中存在的主要问题
1．直接向FCS系统改造经济代价高
        目前工业控制中大量的现场控制仪表为模拟仪表，不具备控制和通信功能，而现场总线控制系统FCS则要求现场仪表是自身带有微处理器的数字式智能仪表。但彻底替换低层仪表进行，花费是惊人的，也是不现实的。当然，目前市场上也有各种各样的智能节点转换装置，不过这些装置为了适应各种不同的应用环境，一般都是集成有多路输入和输出的通用型结构。不但价格相对较高，而且使用时比较适用于现场测控点集中的地方，如果测控点距离较大时，还是需要很长的接线，体现不出总线的优势。
2．FCS系统的功能模块和组态控制功能还不完善
        作为FCS系统的主体的现场测控节点，其组态功能模块太少且不能执行快速复杂的算法。在石油、化工等行业则存在有很多的多变量控制要求，对这类多输入、多输出点的情形，FCS系统尚无良好的解决方法。然而，具有成熟策略的DCS则有上百种功能块，具有方便、灵活、丰富的组态能力。故就目前情况而言，存在复杂控制要求的场合，FCS系统还暂时无法完全胜任。
3．各种形式的现场总线协议并存
        在控制领域，当前存在着40多种现场总线，每一类总线都有自己的总线协议，在其特定领域内具有一定的优势，但还没有一种现场总线能覆盖所有的应用范围。而现在各异构网要真正做到互可操作和互用，并不是一件容易的事情。因此，FCS强调的开放性就受到了限制。
三、DCS系统向FCS系统过渡的改造设想
        由以上分析不难看出，尽管FCS的先进性是无庸置疑的，然而指望短时间内在控制领域中完全替代DCS系统是不可能的。推广FCS系统应因企业实际情况来定。具体在我国，新建企业可以优先考虑采用FCS；但对于一个已拥有了投入运行且行之有效的DCS系统的企业来说，是没有必要投入大量资金去更新它的。企业可以通过技术改造和升级系统的做法，循序渐进地向FCS系统过渡。
        过渡过程的具体改造做法可以是：利用现场总线将DCS系统的现场级彻底开放，实现总线控制的功能。然后，将一定区域的低层测控点作为原DCS系统的一个节点“挂接”到DCS系统中。充分利用DCS的丰富组态和完善的策略解决复杂的控制要求以及不同总线系统并存的难题，使FCS系统和DCS系统进行有机的结合。也就是说，在现场利用一些小型的测控转换电路实现现场数据的采集和实时控制。然后通过一块支持这些节点的现场协议转换器，使FCS成为DCS的一个节点。让DCS控制站负责进行各种复杂的运算、控制及建模。
        在这一改造设想中，所采用的测控点转换器电路有别于目前市面供应的现成的智能节点转换装置。本设计方案中的智能转换电路是一个具有模块结构的电路构形。采用一块带有某种总线通信接口的单片机最小系统板为核心，根据实际情况，设计不同类型的输入输出的电路模块，然后根据现场测控点的布局的实际情况来决定使用哪种电路进行连接使用。同样，将单片机系统程序也设计为模块结构，根据不同的硬件结构装入不同的程序块。这种设计成本低，投入代价小，组合灵活。能够真正做到从原DCS系统结构出发，分析系统特点，用灵活多变的转换器去适应DCS系统原有的变送器、执行器等装置，而不是通过改变低层仪表和设备来适应转换装置的方法来达到系统改造的目的。这种做法更有利于对原有DCS系统资源的运用。
        同时，将FCS系统作为DCS系统的一个节点使用，这样只要每个节点中的遵循同样的总线协议，而不同的节点可以有着不同的总线协议。DCS系统可通过支持这些节点的现场网卡，有机地将这些节点构成一个大系统使用，因此实现了不同总线协议在同一系统中的使用了。
四、测控转换器电路硬件的设计
        本方案中测控转换器电路设计分为4类模块电路：CPU系统板、数据采集输入板、控制输出板和电源板。并可按需要外加单片机的显示键盘电路。其中，输入板还可分为模拟量输入和数字量输入两种；同样，输出板也有模拟量和数字量之分。其结构如图1所示。


本测控转换器硬件电路设计的主要特点有：
1．可以根据实际需要的输入、输出以及输入/出信号类型的不同，选择不同的模块电路与CPU系统板电路相连接，灵活组合成各类现场转换器。
2．模拟量输入模块电路可根据工业生产过程中有关物理参数的检测技术及特点设计，使之可以直接与现场变送器、传感器连接。
3．根据原DCS系统的现场布局，合理设置输入、输出通道数量，并可方便地进行扩展。
4．只要保证在同一区域中使用相同的总线和总线协议，即作为DCS系统的一个节点采用一种总线，通过针对该总线系统的网卡“挂接”入原DCS系统。就可以实现在同一套DCS系统中出现多种不同总线结构的情况，以此解决不同总线并存使用的问题。
5．由于采用了总线控制技术，各控制回路尤其是简单的、传统的控制回路可通过总线直接实现控制，而不需要像原来的DCS系统那样由上位机进行处理，不但可以作到真正的低层分散检测和控制，而且控制速度也可得到大幅度的提高，提升了整个系统的可靠性。
五、测控转换器的软件设计
        为了使得该测控电路具有更大的适应性和灵活度，将软件的设计也模块化。即将控制中所使用到的各类算法、I/O驱动程序等分别编写成小的程序块，在系统改造过程中，按实际情况灵活组合。例如：根据对不同采样信号的要求分析，适应不同的传感器，编写具有针对性的子程序块。然后，在硬件组合完成后，将适应该场合的子程序块进行组合调试后，写入单片机中。同理，根据不同的控制装置编写对应的子程序，和硬件组合后使用。
        具体而言，软件系统可分为两个部分：一是控制函数库，包含各类常用自动控制算法模块，根据实际控制要求组态使用；二是初始化和I/O驱动程序，根据具体使用场合，配合硬件，完成通道检测、中断处理、I/O驱动，以及网络通信等功能，如图2所示。


六、结束语
        本文作者的创新观点是：提出了一种针对现今已经存在的DCS系统进行改造的方案，不同于目前常采用的方法之处，就在于本方案是以最大限度地适应原有的DCS系统为立足点的。走一条低投入、高适用性的改造路线。为已具备有DCS系统的企业向FCS系统过渡，提供一套切实可行的改造方案。
 
 
 
参考文献：
1．阳宪惠  现场总线技术及其应用[M]，北京：清华大学出版社，1999
2．钟霖田  从FCS统一系统平台到石化ERP[J]，自动化博览，2003，6。
3．卢珏  现场总线系统存在的问题及解决方案研究[J]，福建电脑，2004，9：18-19。
4．王毅，曾华亮  新一代过程控制智能仪表――CX系列数据采集和控制站[J]。微计算机信息，2003，19（9）：51-51，53。