計算機控制系統(tǒng)

一、信息和控制通訊網(wǎng)絡(luò)

DCS控制系統(tǒng)信息和控制通訊網(wǎng)絡(luò)早期常單獨采用IEEE802．4令牌總線網(wǎng)或IEEE802．5令牌環(huán)網(wǎng)等實時性較好的局域網(wǎng)。但是不論國內(nèi)還是國外，目前使用最多的卻是IEEE802．3CSMA/CD以太網(wǎng)，尤其是在事務(wù)處理、辦公自動化領(lǐng)域內(nèi)，受Intel、SUN、HP、DEC、Xerox等諸多信息產(chǎn)業(yè)*公司青睞的以太網(wǎng)的應(yīng)用更加廣泛。TCP/IP是一套定義各計算機如何通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊的協(xié)約。TCP傳輸控制協(xié)議對應(yīng)于ISO/OSI模型中的傳輸層，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)消息分組成將被IP層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，以及將從IP層接收的數(shù)據(jù)包重新組合為完整的消息并進(jìn)行校驗的協(xié)議。TCP可提供在連至網(wǎng)絡(luò)上不同計算機上運行的進(jìn)程間的可靠、面向連接的通訊。IP網(wǎng)際協(xié)議對應(yīng)于ISO/OSI模型中的網(wǎng)絡(luò)層，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)消息拆分為包，并將這些包從發(fā)送者按一定路徑傳輸?shù)侥康木W(wǎng)絡(luò)或站點，然后在目的地將包重新組合成原始的數(shù)據(jù)消息。TCP/IP是目前所實現(xiàn)的最成功的網(wǎng)絡(luò)協(xié)約，是Internet互連網(wǎng)的基礎(chǔ)。對該通訊協(xié)約的支持內(nèi)置于所有操作系統(tǒng)中。在數(shù)據(jù)鏈路中所用硬件對TCP/IP應(yīng)用均是透明的。TCP/IP已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)（包括Internet)上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖聦崢?biāo)準(zhǔn)。該協(xié)約的全球標(biāo)準(zhǔn)化確保了系統(tǒng)的耐久性和互用性（interoperability,即計算機系統(tǒng)組件能在不同的環(huán)境中使用的能力）。鑒于此，為解決系統(tǒng)開放性問題，DCS制造商在原專用網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上另加上一條TCP/IP以太網(wǎng)，以實現(xiàn)互用性、數(shù)據(jù)和資源的共享。如此一來，DCS網(wǎng)絡(luò)變得更為復(fù)雜起來。

IT(信息技術(shù)）潛在的巨大效益已廣為人知，迫切需要將電站控制系統(tǒng)和精尖信息技術(shù)集成一體。一體化的系統(tǒng)要求采用能滿足數(shù)據(jù)吞吐量更大，且數(shù)據(jù)傳輸速率更高的通訊網(wǎng)絡(luò)，但是控制系統(tǒng)對通訊網(wǎng)絡(luò)實時性的要求也要同時得到保證。符合IEEE802.3μ標(biāo)準(zhǔn)的100Base-T快速以太網(wǎng)和符合ANSI X3T12標(biāo)準(zhǔn)的FDDI（光纖分布數(shù)據(jù)接口）是市面上可見的較為成熟的高速網(wǎng)絡(luò)，其傳輸速率均高達(dá)100Mbps。但是，快速以太網(wǎng)仍然采用CSMA/CD介質(zhì)訪問方式，由于共享介質(zhì)，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加，出現(xiàn)沖突的概率增大，傳輸延遲也隨著變長，并帶有明顯的隨機性和不確定性。據(jù)有關(guān)測試報告證實，快速以太網(wǎng)的傳輸延遲具有抖動大和隨機的特點，這是將快速以太網(wǎng)應(yīng)用于實時控制系統(tǒng)領(lǐng)域的一個潛在不利因素。FDDI技術(shù)比快速以太網(wǎng)技術(shù)成熟，是當(dāng)今最為成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（FDDI國際標(biāo)準(zhǔn)化已有6年）。FDDI采用的傳輸介質(zhì)是光纖。最基本的FDDI網(wǎng)絡(luò)是由兩個相互獨立的環(huán)（稱為雙環(huán)）構(gòu)成。雙環(huán)連接到網(wǎng)絡(luò)中的每一個站上,如圖1所示。

FDDI傳輸介質(zhì)使用多模光纖時，兩站間不需中繼器，其最大間距為2km；若使用單模光纖，站間最大傳輸距離則高達(dá)60km。FDDI的環(huán)形距離最大為200km，可連接站點數(shù)達(dá)500多個。其*的雙環(huán)技術(shù)支持雙環(huán)的備份，即在正常情況下，只有主環(huán)（Primary Ring)在工作，另一環(huán)作備份（Backup Ring),當(dāng)主環(huán)發(fā)生故障時備份環(huán)能及時啟動，保證FDDI網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)運行，用戶網(wǎng)絡(luò)傳輸因而不受影響，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。并且這種雙環(huán)的故障檢測和主副環(huán)的切換對用戶是*透明的，即從用戶的角度看僅僅是一個網(wǎng)絡(luò)。FDDI本身所具有的容錯特性和冗余的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備保證了網(wǎng)絡(luò)的高可靠性，令牌傳送保證了實時性。FDDI以其內(nèi)在的可靠性機制、高速和技術(shù)成熟等特點，在高可靠性的網(wǎng)絡(luò)工程中發(fā)揮著越來越重要的作用，已成為要求實時、安全、處理數(shù)據(jù)量大的要害部門的商業(yè)和信息網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中最為廣泛采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，商用航空器航空電子設(shè)備系統(tǒng)等專用系統(tǒng)也是采用了FDDI。各主要系統(tǒng)制造商都為其主機提供了FDDI網(wǎng)絡(luò)接口，如IBM、DEC、HP、SUN、SGI等公司的主機都能提供FDDI接口連接設(shè)備。

FDDI速率和容量是普通控制網(wǎng)絡(luò)的10~20倍，全冗余結(jié)構(gòu)，以100Mbits/s速率工作，可在長達(dá)200km距離范圍內(nèi)每秒實時處理2×105點。

正是基于FDDI的可靠、冗余、實時和容錯等特性考慮，西屋過程控制公司在其新一代的DCS－Ovation系統(tǒng)中采用高速FDDI作為其標(biāo)準(zhǔn)通訊主干，構(gòu)成新型計算機控制系統(tǒng)的信息和控制網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。

FDDI網(wǎng)絡(luò)用于控制系統(tǒng)領(lǐng)域的重要意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了其出色的性能特性。這是因為FDDI業(yè)已成為商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，許多商用信息系統(tǒng)都用的是這一通訊協(xié)約，因而不必象常規(guī)的控制高速公路還需通過橋接器和眾多的信息網(wǎng)絡(luò)相連。在控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上的這點突破，可使最終用戶不需用常規(guī)DCS結(jié)構(gòu)中所必須的專用網(wǎng)關(guān)和復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)約，就可輕易地將多個網(wǎng)絡(luò)互連在一起。如Ovation的FDDI網(wǎng)絡(luò)允許公司內(nèi)部及過程控制網(wǎng)絡(luò)無縫的共享有價值的實時信息，而不會有任何限制。因而其信息系統(tǒng)和控制系統(tǒng)合二為一、二位一體，省去了這兩個功能集成的開銷，消除了影響企業(yè)內(nèi)部信息有效流動和運用上的傳統(tǒng)障礙，使用戶可以實現(xiàn)國際水準(zhǔn)的企業(yè)運作和競爭力。該系統(tǒng)確保多年的信息技術(shù)規(guī)劃不會受到兼容性或過時問題的阻礙困擾，電站用戶可以隨時選用技術(shù)產(chǎn)品，并將它集成在系統(tǒng)中。用市面上常見的安全路由器和橋接器,通過標(biāo)準(zhǔn)Internet和Intranet通訊協(xié)約，可以在LAN/WAN（局域網(wǎng)/廣域網(wǎng)）和電站控制系統(tǒng)FDDI間建立通訊。如此，電站用戶就可以和全球任何公司、任一地點的專家進(jìn)行信息交流，實現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)方診斷等多種功能。網(wǎng)絡(luò)安全可由包過濾、應(yīng)用網(wǎng)關(guān)、代理服務(wù)、身份驗證等防火墻技術(shù)的實施來保障。

二、多功能控制器

全球PC的發(fā)展日新月異，大約每6個月左右就有新一代PC問世。目前的PC在工業(yè)控制領(lǐng)域極富競爭力，其產(chǎn)品價格更低、魯棒性更好、運算處理速度更快?，F(xiàn)在許多商業(yè)化的計算平臺，如帶緊湊型PCI總線的工業(yè)PC，其MTBF已達(dá)10年以上，其運行性能和可靠性等于甚至超過了普通的DCS和PLC硬件。奔騰硬件的性能甚至超出最快的PLC達(dá)20倍之多。由于PC價格性能比*，可靠性又強，所以PC在工業(yè)控制領(lǐng)域中又卷土重來，在控制方面又已嶄露了頭角，螺旋式上升到了一個新的水平。如美國Olin公司化工廠就用PC作為控制器直接控制生產(chǎn)過程，節(jié)省了很多投資，據(jù)其公司介紹，一個2592個模擬輸入、484個模擬輸出、656個數(shù)字輸入及1088個數(shù)字輸出的系統(tǒng)，如用常規(guī)DCS，則DCS廠家的報價為220萬美元，而用以PC（486）為基礎(chǔ)的控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行直接控制，包括軟件在內(nèi)僅需50萬美元，其投資比為4：1。另如Ovation系統(tǒng)中控制器采用的是帶標(biāo)準(zhǔn)32位PCI擴展總線的冗余奔騰PC控制器?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)即是標(biāo)準(zhǔn)的英特爾奔騰個人計算機結(jié)構(gòu)，背板為PCI總線，不含任何一種用戶設(shè)計的硬件在內(nèi)。控制器處理容量為4000點，掃描時間快達(dá)5ms。由于控制器為一個PC，以后英特爾公司的新一代PC產(chǎn)品可實現(xiàn)“即插即用"。更重要的是用戶可以隨時隨意更新控制器,簡單地將CPU模塊替換為利用生產(chǎn)的最新一代微處理器即可。以PC為基礎(chǔ)的控制器可以執(zhí)行簡單或復(fù)雜的模擬或順序控制策略，完成數(shù)據(jù)采集功能，在處理重要任務(wù)時可實現(xiàn)全冗余。采用以PC為基礎(chǔ)的控制器,其之一是其較專用化的控制器硬件有著更多的靈活性，如可以實現(xiàn)靈活組態(tài)。PC硬件組態(tài)的改變極其容易，從而使第三方設(shè)備的安裝簡單可行。此外，采用開放的PCI總線結(jié)構(gòu)可以使用戶選取許多設(shè)計運行于標(biāo)準(zhǔn)PC總線上的系列設(shè)備。由此可見，傳統(tǒng)的DCS控制器向PC的過渡轉(zhuǎn)換已是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。

三、人機接口站

人機接口站應(yīng)集成商業(yè)信息，改善操作性能，應(yīng)建立功能強大、直觀、高效的人機界面。具體說，應(yīng)達(dá)到減少工程時間和成本、信息開放通暢、改善操作員的勞動生產(chǎn)率和工作效率，操作環(huán)境直觀且一致以簡化培訓(xùn)要求、保護(hù)用戶投資的目的。計算機控制系統(tǒng)的人機界面主要有兩種，一是以PC為基礎(chǔ)的接口站，另一是UNIX型工作站。這兩種平臺都具有良好的性能，具有*的多任務(wù)處理能力。PC型平臺主要采用應(yīng)用較廣的微軟Windows NT或Windows 95/98真正32位操作系統(tǒng)，具有實用化的“對象鏈接和嵌入"（OLE）、“拖－拽"（drag-drop)等功能。如霍尼韋爾工業(yè)自動化控制公司的PlantScapeTM/S9000系統(tǒng)和TPS系統(tǒng)均采用此類平臺。工作站型平臺主要采用SUN微系統(tǒng)公司強大的Solaris操作系統(tǒng)。64位的工作站已面市多年，技術(shù)成熟，其處理能力更加強大，如最近FOXBORO公司已正式選用SUN公司Ultra SPARCII RISC CPU型64位工作站作為其I/A Series 系統(tǒng)的操作員站。

Java是由Sun微系統(tǒng)公司開發(fā)研制的新型編程語言，采用解釋性語言。它不僅具有面向?qū)ο蟆⒔Y(jié)構(gòu)中立、平臺無關(guān)性、多線程、圖形界面友好、交互性能強、支持多媒體信息、良好的可移植性、可靠、穩(wěn)固、安全等特性，還支持?jǐn)?shù)據(jù)分布和操作分布兩種分布性，具有適合于分布式計算環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)特性，能以獨立于平臺的形式支持對Internet和World Wide Web的編程，是網(wǎng)絡(luò)時代最重要的語言之一。Java接口獨立于各種平臺，允許諸如Windows 3x、Windows 95、

UNIX或Macintosh OS等各種操作系統(tǒng)訪問電站控制系統(tǒng)中的過程圖形和數(shù)據(jù)，與Java兼容的Web服務(wù)器提供了與Internet等網(wǎng)絡(luò)的接口。Ovation的用戶接口采用的是各種不同的硬件結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)，均需運行在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下。為此，Ovation采用Java型用戶接口，消除了二進(jìn)制分布和軟件沖突，使其用戶接口具有結(jié)構(gòu)中立、可移植性，從而允許通過公司的Intranet網(wǎng)將Ovation的模擬圖、趨勢圖或歷史數(shù)據(jù)以只讀的格式在任一計算機平臺上實時顯示，而不在乎該計算機采用的是何種操作系統(tǒng)。綜上所述，Java服務(wù)器應(yīng)用前景廣闊，必將在控制信息系統(tǒng)中大顯身手。

四、I/O及編程和系統(tǒng)組態(tài)工具

I/O子系統(tǒng)應(yīng)具有快速安裝、易于組態(tài)、運行和維修成本低的基本特點。此外，應(yīng)采用*的電子元器件和生產(chǎn)工藝，降低功耗，減少發(fā)熱量，延長壽命，降低能量和HVAC成本。隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，商業(yè)化的擴展，標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，以及智能化現(xiàn)場儀表與智能化執(zhí)行終端的普及，I/O子系統(tǒng)將會完成自身的歷史使命，逐漸消失。

編程和系統(tǒng)組態(tài)工具應(yīng)對用戶友好，功能組態(tài)軟件模塊化，軟件透明度高，提供功能強大的軟件工具包，使用方便，符合相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)，如IEC1131等。采用嵌入式的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理軟件以確保全系統(tǒng)范圍內(nèi)數(shù)據(jù)的一致性和數(shù)據(jù)訪問的便利性。數(shù)據(jù)庫管理應(yīng)采用現(xiàn)成的、流行的數(shù)據(jù)庫管理軟件，如Oracle、Informix、DB2等。