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案例頻道一、引言
目前，在過(guò)程控制領(lǐng)域中，DCS系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，占據(jù)了主導(dǎo)地位。但是從自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展來(lái)看，采用總線技術(shù)的FCS系統(tǒng)必將最終取代DCS系統(tǒng)。
不過(guò)經(jīng)長(zhǎng)期的研究和實(shí)踐，DCS系統(tǒng)已建立了一套標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和靈活化的成熟策略，為應(yīng)用企業(yè)帶來(lái)了明顯地整體效益。相比較而言，F(xiàn)CS系統(tǒng)正處于探索應(yīng)用階段，還未形成一種統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的體系。因而，控制界普遍認(rèn)為FCS系統(tǒng)完全替代DCS系統(tǒng)尚需經(jīng)歷一段較長(zhǎng)的過(guò)渡時(shí)期。同時(shí)，對(duì)于一些已經(jīng)投入巨資建立有完善DCS系統(tǒng)的企業(yè)，舍棄前期投入，重新建立新型FCS系統(tǒng)是不現(xiàn)實(shí)的。因此，筆者認(rèn)為，當(dāng)前找到一種合理的方案，在充分利用原有DCS資源地基礎(chǔ)上，少量投入，采用改造的手段，來(lái)實(shí)現(xiàn)FCS系統(tǒng)功能的方式更具有實(shí)際意義。
二、DCS系統(tǒng)改造中存在的主要問(wèn)題
1．直接向FCS系統(tǒng)改造經(jīng)濟(jì)代價(jià)高
目前工業(yè)控制中大量的現(xiàn)場(chǎng)控制儀表為模擬儀表，不具備控制和通信功能，而現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS則要求現(xiàn)場(chǎng)儀表是自身帶有微處理器的數(shù)字式智能儀表。但徹底替換低層儀表進(jìn)行，花費(fèi)是驚人的，也是不現(xiàn)實(shí)的。當(dāng)然，目前市場(chǎng)上也有各種各樣的智能節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換裝置，不過(guò)這些裝置為了適應(yīng)各種不同的應(yīng)用環(huán)境，一般都是集成有多路輸入和輸出的通用型結(jié)構(gòu)。不但價(jià)格相對(duì)較高，而且使用時(shí)比較適用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控點(diǎn)集中的地方，如果測(cè)控點(diǎn)距離較大時(shí)，還是需要很長(zhǎng)的接線，體現(xiàn)不出總線的優(yōu)勢(shì)。
2．FCS系統(tǒng)的功能模塊和組態(tài)控制功能還不完善
作為FCS系統(tǒng)的主體的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控節(jié)點(diǎn)，其組態(tài)功能模塊太少且不能執(zhí)行快速?gòu)?fù)雜的算法。在石油、化工等行業(yè)則存在有很多的多變量控制要求，對(duì)這類多輸入、多輸出點(diǎn)的情形，F(xiàn)CS系統(tǒng)尚無(wú)良好的解決方法。然而，具有成熟策略的DCS則有上百種功能塊，具有方便、靈活、豐富的組態(tài)能力。故就目前情況而言，存在復(fù)雜控制要求的場(chǎng)合，F(xiàn)CS系統(tǒng)還暫時(shí)無(wú)法完全勝任。
3．各種形式的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議并存
在控制領(lǐng)域，當(dāng)前存在著40多種現(xiàn)場(chǎng)總線，每一類總線都有自己的總線協(xié)議，在其特定領(lǐng)域內(nèi)具有一定的優(yōu)勢(shì)，但還沒(méi)有一種現(xiàn)場(chǎng)總線能覆蓋所有的應(yīng)用范圍。而現(xiàn)在各異構(gòu)網(wǎng)要真正做到互可操作和互用，并不是一件容易的事情。因此，F(xiàn)CS強(qiáng)調(diào)的開(kāi)放性就受到了限制。
三、DCS系統(tǒng)向FCS系統(tǒng)過(guò)渡的改造設(shè)想
由以上分析不難看出，盡管FCS的先進(jìn)性是無(wú)庸置疑的，然而指望短時(shí)間內(nèi)在控制領(lǐng)域中完全替代DCS系統(tǒng)是不可能的。推廣FCS系統(tǒng)應(yīng)因企業(yè)實(shí)際情況來(lái)定。具體在我國(guó)，新建企業(yè)可以優(yōu)先考慮采用FCS；但對(duì)于一個(gè)已擁有了投入運(yùn)行且行之有效的DCS系統(tǒng)的企業(yè)來(lái)說(shuō)，是沒(méi)有必要投入大量資金去更新它的。企業(yè)可以通過(guò)技術(shù)改造和升級(jí)系統(tǒng)的做法，循序漸進(jìn)地向FCS系統(tǒng)過(guò)渡。
過(guò)渡過(guò)程的具體改造做法可以是：利用現(xiàn)場(chǎng)總線將DCS系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)徹底開(kāi)放，實(shí)現(xiàn)總線控制的功能。然后，將一定區(qū)域的低層測(cè)控點(diǎn)作為原DCS系統(tǒng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)“掛接”到DCS系統(tǒng)中。充分利用DCS的豐富組態(tài)和完善的策略解決復(fù)雜的控制要求以及不同總線系統(tǒng)并存的難題，使FCS系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合。也就是說(shuō)，在現(xiàn)場(chǎng)利用一些小型的測(cè)控轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和實(shí)時(shí)控制。然后通過(guò)一塊支持這些節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器，使FCS成為DCS的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。讓DCS控制站負(fù)責(zé)進(jìn)行各種復(fù)雜的運(yùn)算、控制及建模。
在這一改造設(shè)想中，所采用的測(cè)控點(diǎn)轉(zhuǎn)換器電路有別于目前市面供應(yīng)的現(xiàn)成的智能節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換裝置。本設(shè)計(jì)方案中的智能轉(zhuǎn)換電路是一個(gè)具有模塊結(jié)構(gòu)的電路構(gòu)形。采用一塊帶有某種總線通信接口的單片機(jī)最小系統(tǒng)板為核心，根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)不同類型的輸入輸出的電路模塊，然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控點(diǎn)的布局的實(shí)際情況來(lái)決定使用哪種電路進(jìn)行連接使用。同樣，將單片機(jī)系統(tǒng)程序也設(shè)計(jì)為模塊結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的硬件結(jié)構(gòu)裝入不同的程序塊。這種設(shè)計(jì)成本低，投入代價(jià)小，組合靈活。能夠真正做到從原DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析系統(tǒng)特點(diǎn)，用靈活多變的轉(zhuǎn)換器去適應(yīng)DCS系統(tǒng)原有的變送器、執(zhí)行器等裝置，而不是通過(guò)改變低層儀表和設(shè)備來(lái)適應(yīng)轉(zhuǎn)換裝置的方法來(lái)達(dá)到系統(tǒng)改造的目的。這種做法更有利于對(duì)原有DCS系統(tǒng)資源的運(yùn)用。
同時(shí)，將FCS系統(tǒng)作為DCS系統(tǒng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)使用，這樣只要每個(gè)節(jié)點(diǎn)中的遵循同樣的總線協(xié)議，而不同的節(jié)點(diǎn)可以有著不同的總線協(xié)議。DCS系統(tǒng)可通過(guò)支持這些節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)卡，有機(jī)地將這些節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)大系統(tǒng)使用，因此實(shí)現(xiàn)了不同總線協(xié)議在同一系統(tǒng)中的使用了。
四、測(cè)控轉(zhuǎn)換器電路硬件的設(shè)計(jì)
本方案中測(cè)控轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)分為4類模塊電路：CPU系統(tǒng)板、數(shù)據(jù)采集輸入板、控制輸出板和電源板。并可按需要外加單片機(jī)的顯示鍵盤(pán)電路。其中，輸入板還可分為模擬量輸入和數(shù)字量輸入兩種；同樣，輸出板也有模擬量和數(shù)字量之分。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
本測(cè)控轉(zhuǎn)換器硬件電路設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)有：
1．可以根據(jù)實(shí)際需要的輸入、輸出以及輸入/出信號(hào)類型的不同，選擇不同的模塊電路與CPU系統(tǒng)板電路相連接，靈活組合成各類現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換器。
2．模擬量輸入模塊電路可根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中有關(guān)物理參數(shù)的檢測(cè)技術(shù)及特點(diǎn)設(shè)計(jì)，使之可以直接與現(xiàn)場(chǎng)變送器、傳感器連接。
3．根據(jù)原DCS系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)布局，合理設(shè)置輸入、輸出通道數(shù)量，并可方便地進(jìn)行擴(kuò)展。
4．只要保證在同一區(qū)域中使用相同的總線和總線協(xié)議，即作為DCS系統(tǒng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)采用一種總線，通過(guò)針對(duì)該總線系統(tǒng)的網(wǎng)卡“掛接”入原DCS系統(tǒng)。就可以實(shí)現(xiàn)在同一套DCS系統(tǒng)中出現(xiàn)多種不同總線結(jié)構(gòu)的情況，以此解決不同總線并存使用的問(wèn)題。
5．由于采用了總線控制技術(shù)，各控制回路尤其是簡(jiǎn)單的、傳統(tǒng)的控制回路可通過(guò)總線直接實(shí)現(xiàn)控制，而不需要像原來(lái)的DCS系統(tǒng)那樣由上位機(jī)進(jìn)行處理，不但可以作到真正的低層分散檢測(cè)和控制，而且控制速度也可得到大幅度的提高，提升了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。
五、測(cè)控轉(zhuǎn)換器的軟件設(shè)計(jì)
為了使得該測(cè)控電路具有更大的適應(yīng)性和靈活度，將軟件的設(shè)計(jì)也模塊化。即將控制中所使用到的各類算法、I/O驅(qū)動(dòng)程序等分別編寫(xiě)成小的程序塊，在系統(tǒng)改造過(guò)程中，按實(shí)際情況靈活組合。例如：根據(jù)對(duì)不同采樣信號(hào)的要求分析，適應(yīng)不同的傳感器，編寫(xiě)具有針對(duì)性的子程序塊。然后，在硬件組合完成后，將適應(yīng)該場(chǎng)合的子程序塊進(jìn)行組合調(diào)試后，寫(xiě)入單片機(jī)中。同理，根據(jù)不同的控制裝置編寫(xiě)對(duì)應(yīng)的子程序，和硬件組合后使用。
具體而言，軟件系統(tǒng)可分為兩個(gè)部分：一是控制函數(shù)庫(kù)，包含各類常用自動(dòng)控制算法模塊，根據(jù)實(shí)際控制要求組態(tài)使用；二是初始化和I/O驅(qū)動(dòng)程序，根據(jù)具體使用場(chǎng)合，配合硬件，完成通道檢測(cè)、中斷處理、I/O驅(qū)動(dòng)，以及網(wǎng)絡(luò)通信等功能，如圖2所示。
六、結(jié)束語(yǔ)
本文作者的創(chuàng)新觀點(diǎn)是：提出了一種針對(duì)現(xiàn)今已經(jīng)存在的DCS系統(tǒng)進(jìn)行改造的方案，不同于目前常采用的方法之處，就在于本方案是以最大限度地適應(yīng)原有的DCS系統(tǒng)為立足點(diǎn)的。走一條低投入、高適用性的改造路線。為已具備有DCS系統(tǒng)的企業(yè)向FCS系統(tǒng)過(guò)渡，提供一套切實(shí)可行的改造方案。
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北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)