現(xiàn)場總線系統(tǒng)（PLC）的發(fā)展探討

王德生 李文靜

（哈爾濱啤酒有限公司，黑龍江 哈爾濱 150046）

1 概述

現(xiàn)場總線技術(shù)順應(yīng)了“智能化，數(shù)寧化，信息化，網(wǎng)絡(luò)化，分散化”的當(dāng)今自控技術(shù)發(fā)展的主流，是當(dāng)今自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)，代表了工業(yè)控制領(lǐng)域今后的一種發(fā)展方向，使傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)無論在結(jié)構(gòu)上還是在性能上出現(xiàn)巨大的飛躍，形成廠新型的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(Fieldbus Control System)，對傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)Dcs(Distribution Control System)造成了沖擊?，F(xiàn)場總線正逐步在過程自動(dòng)化，制造自動(dòng)化，智能樓宇，交通等各行業(yè)得到推廣應(yīng)用。

2 現(xiàn)場總線

2.1 Fieldbus技術(shù)特點(diǎn)

2.1.1 開放性、互操作性和互換性

遵循公開統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備互操作性和互換性。也就是說，用戶可以把遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的不同廠家、不向品牌、功能相同的產(chǎn)品集成在同一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，構(gòu)成FCS，并可在同功能的產(chǎn)品之間進(jìn)行相互替換，使用戶具有了自控設(shè)備選擇、集成的主動(dòng)權(quán)。

2.1.2 數(shù)字化通信

現(xiàn)場設(shè)備具有數(shù)字通信功能。利用數(shù)字信號(hào)代替模擬信號(hào)，其傳輸抗干擾性強(qiáng)，測量精度高，大大提高了系統(tǒng)性能。

2.1.3 智能化與功能自治性

智能化的現(xiàn)場設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)多種先進(jìn)的功能，如簡單控制功能、檢測、變換、診斷和運(yùn)算等，可現(xiàn)場就地及時(shí)處理信息，不使信息過多地往返于網(wǎng)絡(luò)上傳遞，提高傳輸速度和減小控制響應(yīng)時(shí)間。

2.1.4 高度分散性

現(xiàn)場設(shè)備智能化，實(shí)現(xiàn)徹底的分散控制，位控制系統(tǒng)功能不依賴控制室的計(jì)算機(jī)或控制儀表，而在現(xiàn)場完成，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。

2.1.5 適應(yīng)性

指對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性，含電磁環(huán)境，氣候環(huán)境，機(jī)械環(huán)境。大部分現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)是線狀的，且采用兩線制實(shí)現(xiàn)供電和通信，易解決網(wǎng)絡(luò)供電、本安防爆等問題，具有較強(qiáng)抗干擾能力。

3 DCS

3.1 DCS的產(chǎn)生

70年代工業(yè)的發(fā)展使生產(chǎn)過程日益復(fù)雜，規(guī)模更加擴(kuò)大，在生產(chǎn)中采用原來的集中控制系統(tǒng)，可靠性差，出現(xiàn)事故時(shí)會(huì)中斷生產(chǎn)，為提高可靠性，滿足生產(chǎn)過程控制要求，70年代初，美國日本利歐洲等國開始研制集散型控制系統(tǒng)(DCS)。DCS是計(jì)算機(jī)、通信、CRT和控制技術(shù)的結(jié)合。

3.2 DCS的技術(shù)特點(diǎn)

系統(tǒng)的-些主要特點(diǎn)為：(1)控制功能強(qiáng)。可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，如串級(jí)、前饋、解耦、自適應(yīng)、最優(yōu)和非線性控制等，也可實(shí)現(xiàn)順序控制。(2)系統(tǒng)可靠性高。(3)采用CRT操作站有良好的人機(jī)交互接口。(4)軟硬件采用模塊化積木式結(jié)構(gòu)。(5)系統(tǒng)容易開發(fā)。(6)用組態(tài)軟件，編程簡單，操作方便。(7)具有良好的性價(jià)比。在DCS系統(tǒng)中，測量變送，執(zhí)行器一般由模擬儀表來完成，他們與控制室的監(jiān)控計(jì)算機(jī)共同構(gòu)成控制系統(tǒng)，是模擬和數(shù)字混合系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)高級(jí)復(fù)雜規(guī)律的控制。

4 PLC

可編程控制器(PLC)是60年代發(fā)展起來的一種自動(dòng)控制裝置，是一種嵌入式的工控機(jī)，他以順序控制為主，回路調(diào)節(jié)為輔，能完成邏輯判斷、定時(shí)、計(jì)數(shù)、記憶和算術(shù)運(yùn)算功能，既能進(jìn)行開關(guān)量控制，又能進(jìn)行模擬量控制，還具有通信功能。隨著自動(dòng)控制技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，PLC的發(fā)展十分迅速，一方面繼續(xù)開發(fā)簡易，價(jià)格低廉，超小型產(chǎn)品，另一方面轉(zhuǎn)向大型、多功能、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化產(chǎn)品的研制。在單臺(tái)設(shè)備的自動(dòng)化、多臺(tái)設(shè)備自動(dòng)化和整個(gè)工廠的生產(chǎn)過程自動(dòng)化，PLC在其中充當(dāng)著重要作用。

5 發(fā)展應(yīng)用

當(dāng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，特別是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用后，人們對企業(yè)生產(chǎn)過程的控制提出了更高的要求，企業(yè)與外界信息溝通的范圍不斷擴(kuò)大，這就需要把大量的現(xiàn)場信息送到外面，又需要遠(yuǎn)程對現(xiàn)場進(jìn)行診斷、維護(hù)和服務(wù)，實(shí)現(xiàn)從現(xiàn)場控制到監(jiān)控、管理、決策等各層次的信息交換和集成。現(xiàn)場總線順應(yīng)了這種要求的發(fā)展。

現(xiàn)場總線的優(yōu)點(diǎn)為：(1)系統(tǒng)功能擴(kuò)充、結(jié)構(gòu)改型方便。(2)降低系統(tǒng)部分成木。節(jié)省控制柜，大幅度減少導(dǎo)線、電線橋架、接插件等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔。(3)系統(tǒng)可靠性高。由于全數(shù)字化信號(hào)精度比傳統(tǒng)的模擬信號(hào)高，高度分散控制使風(fēng)險(xiǎn)得到徹底分散。(4)系統(tǒng)可維護(hù)性好。智能化的現(xiàn)場設(shè)備具有自診斷功能，使設(shè)備的預(yù)防性診斷和維護(hù)得以實(shí)現(xiàn)。(5)用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)。在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)集成中遇到的不兼容協(xié)議、接口等問題得到了解決，用戶可以自由選擇不同廠商所提供的產(chǎn)品來集成系統(tǒng)。(6)提供更豐富的現(xiàn)場信息，能夠更深入地掌握現(xiàn)場生產(chǎn)過程情況、設(shè)備儀表信息。

作為開放互連系統(tǒng)的現(xiàn)場總線，首先必須有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但由于諸多原因，已經(jīng)在不同領(lǐng)域形成了頗具影響的幾大總線系列，如基金會(huì)現(xiàn)場總線(FF)、LonWorks、PROF IBUS、CAN、HART等。當(dāng)然，多種現(xiàn)場總線之間的良性競爭，有利于FCS技術(shù)的提高和發(fā)展，也有利于產(chǎn)品價(jià)格的降低和用戶系統(tǒng)投資成本的減小，但是，發(fā)展共同遵從的統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，是現(xiàn)場總線的發(fā)展方向，也是廣大用戶的要求?，F(xiàn)場總線是工業(yè)過程控制技術(shù)的發(fā)展主流，可以說FCS的發(fā)展應(yīng)用是自動(dòng)化領(lǐng)域的一場革命，也既要“革”傳統(tǒng)儀表的命，同時(shí)向傳統(tǒng)DCS發(fā)出了挑戰(zhàn)。對于DCS的發(fā)展過程，因?yàn)槭苡?jì)算機(jī)系統(tǒng)早期存在的一些缺陷影響，造成各生產(chǎn)開發(fā)商的產(chǎn)品自成一體，較難實(shí)現(xiàn)互換和互操作，系統(tǒng)也難了與外界進(jìn)行信息交換，這樣對用戶來說，使企業(yè)的信息集成存在一定的困難；另外，DC3的控制分散也并不是徹底的分散，控制功能是通過各個(gè)集中的過程控制站如PLC來完成，許多方面的性能與FCS相比有較大差距。但是，DCS在當(dāng)前情況下仍具有較強(qiáng)的生命力，其理由為：(1)近年來DCS技術(shù)的成熟以及／'泛應(yīng)用，DCS在可靠性、開放性、標(biāo)準(zhǔn)化方面大大前進(jìn)了一步。(2)DCS的價(jià)格大幅度下降。(3)DCS能夠滿足目前的生產(chǎn)控制要求，用戶習(xí)慣容易接受。(4)FCS正在發(fā)展過程之中，某些方面還不是十分完美。比如說現(xiàn)場總線的線狀結(jié)構(gòu)，一旦總線某支路的電纜斷了，這條文路的運(yùn)行就癱瘓了。又如系統(tǒng)組態(tài)鉸復(fù)雜，不易將系統(tǒng)設(shè)置到最佳狀態(tài)等。(5)目前現(xiàn)場總線儀表與常規(guī)儀表相比價(jià)格仍然較貴，硬要去追求潮流，將企業(yè)現(xiàn)有的運(yùn)行良好的傳統(tǒng)儀器儀表更新成智能儀器儀表，以及將DCS改換成FCS不是很現(xiàn)實(shí)的。基于亡述原因，DCS現(xiàn)在仍是大多數(shù)用戶選擇的主流控制系統(tǒng)。FCS作為一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，也需要具有類似于DCS那樣的監(jiān)控管理系統(tǒng)，F(xiàn)CS的發(fā)展不是對DCS的絕對否定，既有在它們基礎(chǔ)上對優(yōu)點(diǎn)的繼承，又具有自己特色的變革部分。雖然傳統(tǒng)DCS屬非開放式專用網(wǎng)絡(luò)，但根據(jù)目前的實(shí)際情況，將出現(xiàn)通過特殊的網(wǎng)關(guān)將DC3掛接在現(xiàn)場總線網(wǎng)段上，或作為企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的-個(gè)特殊的子網(wǎng)，形成現(xiàn)場總線與DCS并存的局面。傳統(tǒng)的DCS在-個(gè)過渡階段內(nèi)，仍會(huì)在一個(gè)很長的時(shí)期內(nèi)在工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，而且，DCS如果能融合FCS的優(yōu)勢技術(shù)，將會(huì)是“柳暗花明又一春”。

6 結(jié)語

現(xiàn)場總線代表了一種有突破意義的新的控制思想，它開辟了控制領(lǐng)域的一個(gè)新時(shí)代。FCS是工控領(lǐng)域發(fā)展的主流，DC3在很長時(shí)期內(nèi)仍具有旺盛的生命力，而PLC通過不斷的發(fā)展，將在工控系統(tǒng)中繼續(xù)發(fā)揮它的強(qiáng)大的控制功能。作為最終用戶，希望的是選用順應(yīng)當(dāng)前技術(shù)發(fā)展潮流，系統(tǒng)投入、運(yùn)行成本低，可靠性高，管理維護(hù)容易，結(jié)構(gòu)簡單，易擴(kuò)充和具有高度系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)的控制系統(tǒng)。

[1]廖常初.可編程程序控制器應(yīng)用技術(shù)[M].重慶：重慶大學(xué)出版社.

[2]楊勁松,張濤.計(jì)算機(jī)工業(yè)控制[M].北京：中國電力出版社.