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[技术]分散型控制系统技术发展趋势分析

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文章出处: [2007/2/9 1]
责任编辑:上仪营销中心技术部
作者:
    与Foxboro公司一样, ABB 公司的分散型控制系统也支持Windows NT 和UNIX 操作系统平台。
    其基于UNIX 操作系统平台的AdvaCommand 版本117 满足于食品和药品行业管理部门对于电子签名的安全性要求。该软件包括了一系列新的安全性特点,使其完全适合于制药和其它管理工业的需要。
    许多制药公司的一部分生产工艺已经采用了基于UNIX 操作系统的分散型控制系统。过程数据的安全性和对大量数据的处理能力在UNIX 操作系统平台上得到充分体现。增强型工业控制软件为工业用户的行为通过一种外部稽查跟踪方式提供了系统安全性,自动注销处于停止运行状态的工作站, 以便让具有只读权限的操作员重新设置功能特性。注册限制包括操作员口令加密技术和口令失效期管理等。
    此外, ABB 公司与Pavilion 软件公司合作采用神经网络模型为历史数据的分析和处理提供了智能化软件系统。ABB 公司自动控制分公司的企业版历史数据分析软件与Pavilion 公司的Insight 分析软件充分集成在一起。企业版历史数据分析软件让生产管理者能够访问整个工厂范围内生产数据, 以便为商务、生产和控制系统的管理提供服务, 更好地作出商务决策。Insight 分析软件允许工业用户处理大量的历史过程数据, 通过对历史过程数据的分析可以快速建立正确的过程控制模型。它也提供了对过程数据无风险的完全离线化诊断和测试, 还可以进一步提供对过程数据从基本到高级别的统计分析, 确定变量之间的关键变量和隐藏的相互关系。
基于Web技术的过程控制
    目前, 比较流行的商品交易方式是通过互联网( Internet) 技术来实现的, 消费者和供应商之间可以很快在网上达成商品买卖的协议。但是, 为什么不将互联网( Internet ) 技术应用于过程控制领域呢? 最近几年, Moore 过程自动化公司(现在已经成为Sie2mens 公司的一部分) 已经推出了一套基于互联网( Internet) 技术的分散型控制系统Procidia , 自从该系统的推出, 并经过多次调整和改进, 现在已经成为一种混合型过程控制系统。Procidia 采用了开放性技术, 支持IEC 1131 - 3 标准、OPC 连接技术、Mod2bus 现场总线、HART 现场总线、标准互联网( Internet) 技术等, 完全适合于生产过程控制领域内的各种应用场合。
    由于Procidia 需要通过环球网(Web) 技术对所有系统进行编址操作, 如前面所提到的例子一样, 工业用户通过利用该公司的Web 站点可以进行定制、配置和维护系统。工业用户也可通过互联网( Internet) 配置、购买以及跟踪他们的购买工作。一旦系统运行起来, 工业用户通过一个内藏有安全性能的Web 服务器在互联网( Internet ) 和企业内部互联网( Intranet) 上可以观察生产工艺过程, 修改过程控制参数, 采集所存储的历史数据信息。因而, 工业用户只要通过任何Web 浏览器就可以安全地访问重要的过程控制信息, 除传统工厂环境以外, 并不需要将控制系统操作员界面(OI) 软件安装到宿主工业PC上。
    互联网( Internet ) 技术对于Procidia 系统是非常根本的东西, 它能够为工业用户提供没有任何偏见的建议, 在工厂过程控制各个领域提供了控制选择,以满足工业用户的特殊需求, 同时为控制系统配置提供一个出发点, 最终将扮演一个用于操作和维护信息交换的场所。系统的基本特点包括: 适合于一种控制设备连续和离散需求的混合型控制器; 具有智能和自动配置的在线模件; 包含功能模块和梯形逻辑程序设计语言的IEC 1131 - 3 图形化控制策略组态软件; 安装有监控和组态软件的操作员界面(OI) 工作站;为整个控制系统提供全局数据库信息服务的OPC 服务器。

Profibus 现场总线与Ethernet 的结合使用
 
    Rayonier 公司是美国一家国际性木材制品加工公司, 其主要产品和市场范围是专业木质纸浆和木材产品。同时它也是美国第7 大私人森林地业物主。另外, 该公司在新西兰也有大约22 万英亩的长期木材股权。
    当升级这些控制系统成为工厂必需的时候,Rayonier 公司的工程师希望能够减少设备停机时间,简化控制系统程序设计并提高工厂的经济效益。现有的基于可编程控制器( PLC) 的控制系统不能满足工厂当前的需要, 因此, 决定采用基于工业PC 的控制系统来替代原来的PLC 控制系统, 新系统采用了Think & Do 公司的Think &Do 工控组态软件、Pro2fibus 现场总线、I/O 设备和操作员界面(OI) 面板。
    作出这一决定的主要因素在于Think & Do 工控组态软件的开放式结构体系和标准化接口, 可以顺利连接到诸如MS Excel 等这样的其它Windows 应用程序。因此Rayonier 公司在控制室就很快便完成了所有系统的集成和培训工作, 安装容易, 简化编程和运行也是非常重要的。Profibus 现场总线的选择主要用于高速通信, Profibus 现场总线有12Mbaud 的总线速度和122bytes/ms 的数据传输速率。操作员界面(OI) 容易安装, 以及较低的工程费用也大大超过了传统的控制系统。
    在工厂内的每个干燥窑炉有21 个热电偶测点,控制系统负责6 个干燥窑炉的生产工艺过程控制, 还包括68 台日本东芝公司的变频调速装置, 整个控制系统大约有3000 个Profibus 现场总线I/O 测点。变频调速装置采用Think & Do 工控组态软件来控制,控制面板则通过Profibus 现场总线网络来连接。
    由于要求对锅炉和干燥窑炉的控制操作能够达到100 % , Rayonier 公司采用了两台运行相同应用程序并挂靠在同样的Profibus 现场总线网络链路上的工业PC 控制站作为双冗余主系统。工业PC 控制站之间通过以太网( Ethernet) 链路交换过程数据, 处于备用状态的工业PC 控制站通过事件方式可以确认在主工业PC 控制站发生硬件故障后立即接替它的工作。

系统安全性与数据记录同等重要
    与Foxboro公司一样, ABB 公司的分散型控制系统也支持Windows NT 和UNIX 操作系统平台。
    其基于UNIX 操作系统平台的AdvaCommand 版本117 满足于食品和药品行业管理部门对于电子签名的安全性要求。该软件包括了一系列新的安全性特点,使其完全适合于制药和其它管理工业的需要。
    许多制药公司的一部分生产工艺已经采用了基于UNIX 操作系统的分散型控制系统。过程数据的安全性和对大量数据的处理能力在UNIX 操作系统平台上得到充分体现。增强型工业控制软件为工业用户的行为通过一种外部稽查跟踪方式提供了系统安全性,自动注销处于停止运行状态的工作站, 以便让具有只读权限的操作员重新设置功能特性。注册限制包括操作员口令加密技术和口令失效期管理等。
    此外, ABB 公司与Pavilion 软件公司合作采用神经网络模型为历史数据的分析和处理提供了智能化软件系统。ABB 公司自动控制分公司的企业版历史数据分析软件与Pavilion 公司的Insight 分析软件充分集成在一起。企业版历史数据分析软件让生产管理者能够访问整个工厂范围内生产数据, 以便为商务、生产和控制系统的管理提供服务, 更好地作出商务决策。Insight 分析软件允许工业用户处理大量的历史过程数据, 通过对历史过程数据的分析可以快速建立正确的过程控制模型。它也提供了对过程数据无风险的完全离线化诊断和测试, 还可以进一步提供对过程数据从基本到高级别的统计分析, 确定变量之间的关键变量和隐藏的相互关系。

 基于Web技术的过程控制
 
    目前, 比较流行的商品交易方式是通过互联网( Internet) 技术来实现的, 消费者和供应商之间可以很快在网上达成商品买卖的协议。但是, 为什么不将互联网( Internet ) 技术应用于过程控制领域呢? 最近几年, Moore 过程自动化公司(现在已经成为Sie2mens 公司的一部分) 已经推出了一套基于互联网( Internet) 技术的分散型控制系统Procidia , 自从该系统的推出, 并经过多次调整和改进, 现在已经成为一种混合型过程控制系统。Procidia 采用了开放性技术, 支持IEC 1131 - 3 标准、OPC 连接技术、Mod2bus 现场总线、HART 现场总线、标准互联网( Internet) 技术等, 完全适合于生产过程控制领域内的各种应用场合。
    由于Procidia 需要通过环球网(Web) 技术对所有系统进行编址操作, 如前面所提到的例子一样, 工业用户通过利用该公司的Web 站点可以进行定制、配置和维护系统。工业用户也可通过互联网( Internet) 配置、购买以及跟踪他们的购买工作。一旦系统运行起来, 工业用户通过一个内藏有安全性能的Web 服务器在互联网( Internet ) 和企业内部互联网( Intranet) 上可以观察生产工艺过程, 修改过程控制参数, 采集所存储的历史数据信息。因而, 工业用户只要通过任何Web 浏览器就可以安全地访问重要的过程控制信息, 除传统工厂环境以外, 并不需要将控制系统操作员界面(OI) 软件安装到宿主工业PC上。
    互联网( Internet ) 技术对于Procidia 系统是非常根本的东西, 它能够为工业用户提供没有任何偏见的建议, 在工厂过程控制各个领域提供了控制选择,以满足工业用户的特殊需求, 同时为控制系统配置提供一个出发点, 最终将扮演一个用于操作和维护信息交换的场所。系统的基本特点包括: 适合于一种控制设备连续和离散需求的混合型控制器; 具有智能和自动配置的在线模件; 包含功能模块和梯形逻辑程序设计语言的IEC 1131 - 3 图形化控制策略组态软件; 安装有监控和组态软件的操作员界面(OI) 工作站;为整个控制系统提供全局数据库信息服务的OPC 服务器。

Profibus 现场总线与Ethernet 的结合使用
 
    Rayonier 公司是美国一家国际性木材制品加工公司, 其主要产品和市场范围是专业木质纸浆和木材产品。同时它也是美国第7 大私人森林地业物主。另外, 该公司在新西兰也有大约22 万英亩的长期木材股权。
    当升级这些控制系统成为工厂必需的时候,Rayonier 公司的工程师希望能够减少设备停机时间,简化控制系统程序设计并提高工厂的经济效益。现有的基于可编程控制器( PLC) 的控制系统不能满足工厂当前的需要, 因此, 决定采用基于工业PC 的控制系统来替代原来的PLC 控制系统, 新系统采用了Think & Do 公司的Think &Do 工控组态软件、Pro2fibus 现场总线、I/O 设备和操作员界面(OI) 面板。
    作出这一决定的主要因素在于Think & Do 工控组态软件的开放式结构体系和标准化接口, 可以顺利连接到诸如MS Excel 等这样的其它Windows 应用程序。因此Rayonier 公司在控制室就很快便完成了所有系统的集成和培训工作, 安装容易, 简化编程和运行也是非常重要的。Profibus 现场总线的选择主要用于高速通信, Profibus 现场总线有12Mbaud 的总线速度和122bytes/ms 的数据传输速率。操作员界面(OI) 容易安装, 以及较低的工程费用也大大超过了传统的控制系统。
    在工厂内的每个干燥窑炉有21 个热电偶测点,控制系统负责6 个干燥窑炉的生产工艺过程控制, 还包括68 台日本东芝公司的变频调速装置, 整个控制系统大约有3000 个Profibus 现场总线I/O 测点。变频调速装置采用Think & Do 工控组态软件来控制,控制面板则通过Profibus 现场总线网络来连接。
    由于要求对锅炉和干燥窑炉的控制操作能够达到100 % , Rayonier 公司采用了两台运行相同应用程序并挂靠在同样的Profibus 现场总线网络链路上的工业PC 控制站作为双冗余主系统。工业PC 控制站之间通过以太网( Ethernet) 链路交换过程数据, 处于备用状态的工业PC 控制站通过事件方式可以确认在主工业PC 控制站发生硬件故障后立即接替它的工作。

增强应用能力
    为了增强现有系列产品在过程控制领域内的应用能力, Siemens 公司不久前收购了Moore 过程自动化公司。此外, Siemens 公司还进一步增强了其主要面向过程控制的系统, 能够同时处理批量和连续过程控制的数据信息。最近, Siemens 公司推出了PCS 7 系统版本510 , PCS 7 系统采用了一种柔性化分布式服务器和多客户, 结合开放式总线结构体系。PCS 7 系统从工厂现场底层到企业办公级的数据传输采用了基于Profibus 现场总线和HART 现场总线的现场设备的集成; Profibus 现场总线, 工业以太网( Ethernet) , 或者TCP/IP 传输协议用于系统总线; 以太网( Ethernet ) TCP/IP 和快速100Mbps 以太网( Ethernet) 用于终端总线和企业办公级的通信连接。
    Siemens 公司为了能够适应更加广泛的工程应用环境, 在其PCS 7 系统中也增加了复制/粘贴和输入/输出编辑实用程序, 这些功能有助于进一步减少控制系统的组态时间。利用SFC、CFC 和SCL 等程序设计语言可以对相同的程序结构体系进行组态, 这些程序设计语言所编写的程序很容易复制(包括操作系统显示画面) , 可以对标识符进行自动重赋值。在PCS 7 系统中冗余特性也得到增强, 其中包括通信、控制、操作系统服务器和客户的双重冗余特性, 其510 版本就增加了对新的SIMA TIC AS - 417H 自动化系统过程控制器的冗余连接, 让其能够进行控制系统的热备份。

 性能扩展
 
    GE Fanuc 公司也扩展其CIMPL ICITY系列集成了相应工业过程控制组态软件包的过程控制系统产品的应用范围, 其中包括部分软件工具和具有互补性的硬件产品。CIMPL ICITY 系列OpenProcess 工业过程控制组态软件能够提供所有分散型过程控制系统(DCS) 的功能, 并运行于Microsoft 公司的Windows NT 操作系统平台; 提供高级过程控制策略组态, 包括类似于AutoCAD 编辑器的图形化功能模块图表编程; 提供了60 种面向过程控制的类似于智能SAMA 的控制图表功能模块; 为处于临界控制应用的工程提供了热备份过程控制器; 提供了可以从几个到数百个过程控制回路的系统升级结构体系; CIM2PL ICITY人机界面( HMI) 软件为工业用户提供了在线调整和诊断的功能。
    GE Fanuc 公司的CIMPL ICITY系列OpenProc2ess 工业过程控制组态软件支持所有CIMPL ICITY系列产品的特点, 包括互联网( Internet ) 和企业内部互联网( Intranet) 连接性能。每个CIMPL ICITY服务器能够被组态作为一个环球网(Web) 服务器, 可以采用PocketView 软件进行无线监控, 该软件是基于Windows CE 操作系统和便携式工业PC 平台。
    在硬件方面, 工业用户可以选择几个OpenProc2ess 过程控制器。PA - 30 适合于在350ms 内完成100 个过程控制回路的应用场合, 并且还提供了Pro2fibus 现场总线和DeviceNet 现场总线的连接特性。
    PA - 70 适合于在60ms 内完成100 个过程控制回路的高速应用场合, 并且为处于临界应用工程提供了热备份功能。其它硬件还包括工程师工作站、操作员控制台、以及操作员观察站。
    Azonix 公司推出的μDCS 系统, 现在被称为μDCS2000 系统。该系统是一个小型化成套分散型控制系统(DCS) , 通常应用于飞机制造工厂, 小型机械制造业工厂和实验室控制等领域。其最新版本支持500MHz 奔腾处理器或者AMD K6/500 MHz CPU ,并且具有足够的空间让内存可以达到128Mbyte 。
    μDCS2000 系统内藏10/100Mbps 以太网( Ethernet )连接功能, 每秒钟能够支持400 个过程控制回路。
    μDCS2000 系统集成有TestMaster 2000 过程控制组态软件, 工业用户可以通过简单的拖放技术进行修改测量值和控制策略组态。μDCS2000 系统另外还提供了5 个标准串行通信(COM) 接口。

以太网( Ethernet) 在工厂底层的应用
 
    以太网( Ethernet ) TCP/IP 在企业过程和制造业领域得到稳定增长应用的现实已经并不是什么秘密的事情了。以太网( Ethernet) 是将办公环境迁移到工厂现场的桥梁, 开发式网络的采用将为过程控制和制造业带来新的动力。以太网( Ethernet ) 物理连接电缆对于许多工程师来讲是再熟悉不过的了, 它为分散型过程控制提供了诊断功能, 同时也降低了电缆使用费用。最近推出的Ethernet/IP 得到了一些国际性标准化组织机构的认可, 如开放式DeviceNet 现场总线制造商协会(ODVA) , Cont rolNet 现场总线国际性组织和工业以太网( Ethernet ) 协会等, 以便以太网( Ethernet) 能够在工业自动化领域得到很好的应用。
几年前, Intelligent 仪器仪表公司推出了它的以太网( Ethernet) 数据采集系统( EDAS) , 该系统通过以太网( Ethernet) TCP/IP 数据传输协议能够有效和安全地从现场传感器设备采集数据信息。当前大多数派生出来的以太网( Ethernet) 数据采集系统主要用于信息工厂(iFactory) 监控。信息工厂(iFac2tory) 监控依靠标准以太网( Ethernet ) 技术为工业用户的本地或者远程监控提供了完全可组态、具有较强实时性能的解决方案。它围绕环球网(Web) 服务器而构建, 采用了动态HTML 页面和脚本(Script )程序设计语言, 这样可以直接访问数字量I/O 设备、模拟量I/O 设备、串行通信接口、以及OBDC 数据库等。只要通过标准Web 浏览器, 工业用户可以直接进行安装, 组态和观察实时过程数据和事件。进一步将以太网( Ethernet) 数据采集系统与工业PC 结合起来, 信息工厂(iFactory) 监控是一种很好的监控系统解决方案, 只要具备使用互联网( Internet )和企业内部互联网( Intranet ) 的任何地方均可以采用这种方案。
    通过以下两项事件表明, 以太网( Ethernet )TCP/IP 解决方案将会在过程控制和制造业生产两个领域中得到加速应用:(1) 在2000 年6 月, 众所周知的网络供应商Cisco 系统公司与从事工业过程控制系统的GE Fanuc公司联合组成了一个新公司, 即GE Cisco 工业网络系统工程公司。该公司将为工业用户提供评估, 设计和构建工业控制网络系统等服务, 有助于工矿企业中所有网络系统的安全, 完全集成在一起。对于这些网络系统的核心技术将会是以太网( Ethernet ) TCP/IP;(2) 同样在2000 年6 月, Schneider 公司宣布,他们开发的在PLC 上集成了Web 服务器的以太网( Ethernet) 接口模件已经获得了专利。该接口模件转化工业标准以太网( Ethernet ) , TCP/IP 传输协议和H TTP 协议, 利用它将互联网( Internet ) 上的数据信息转换成一个PLC 控制系统可以识别的数据格式。嵌入式Web 服务器几乎允许从工厂现场设备进行瞬间数据信息传输。
    更加流行的发展趋势是将一系列智能化I/O 设备直接连接到以太网( Ethernet ) 上。美国国家仪器仪表公司已经发布了ENET2485 和ENET2232 两种设备, ENET2485 用于将带有RS2485/422 接口的设备直接连接到以太网( Ethernet ) 网络系统, ENET2232 用于将带有RS2232C 接口的设备直接连接到以太网( Ethernet) 网络系统。同时, 该公司还为这两种设备提供了基于Windows 95/98 和Windows N T/2000 操作系统平台的系列设备驱动程序软件包。为什么要采取这种途径呢? 因为采取这种方式以后, 工业计算机不再必须放置于工厂过程控制系统的现场,放置于其它远程位置的工业计算机可以与现场控制设备进行通信, 进一步控制工厂内的生产工艺过程设备。通过工业计算机的ISA 或者PCI 总线插槽, 利用这些串行通信接口模板就可以连接到测量仪器仪表和自动化控制设备。
 
 数据库互连性能
 
    Trihedral 工程公司最近推出了可视化标识符系统(V TS) 版本511 操作员界面软件。该版本软件引进了一些新工具和特性,专门为OEM 和系统集成商而设计,用于组建有许多远程工作站的大型网络系统。
    V TS 软件具有内藏调制解调器管理,远程组态和同步启动等一系列特点,同时为传统报警应用提供了语音合成功能。软件工具包括一套数据库转换器,性能剖析实用程序和可选择任意大小的动态窗口连接。
    可靠性对于基于工业PC 的控制系统永远是人们所关心的问题。怎样才能让基于工业PC 的控制系统能够变得可靠呢? 传统分散型控制系统(DCS) 网络的主要出发点就是在于可靠性问题, 从使用的角度出发, 人们采用了冗余以太网( Ethernet ) TCP/IP 传输协议的方法来进一步提高网络系统的可靠性。但是, 一旦冗余成为分散型控制系统(DCS) 领域唯一的方式, 则会带来巨大的系统投资费用。随着新的工业PC 软件技术的发展, 并能够支持传输媒体, 出现一系列可替换的基于工业PC 的低价格分散型控制系统。在这种情况下, 工业用户可以采用这种系统来替代传统的基于UNIX 操作系统平台的分散型控制系统(DCS) , 这也是工业用户正在寻找的具有相同性能和特点的低价格系统。以太网( Ethernet ) TCP/IP 传输协议的广泛应用为我们提供了一种很好的解决方案。
    此外, V TS 软件还增加了一系列新软件工具,包括一个数据库转换器, 该数据库转换器允许工业用户将一个ODBC 类型的数据库转换成不同的数据格式, 以便能够让象Excel 和Access 等这样来自于第三方的工具软件处理数据库。
    毫无疑问, 数据库互连性对于组建开放式过程控制系统是极其重要的。Ci technologies 公司已经推出了Plant2SQL 软件, 该软件为工业用户提供了一套完全集成化工业控制软件解决方案, 为工厂范围内数据信息的共享创造了条件。它提供了各种各样的事务服务, 包括采集历史数据信息(历史趋势记录) , 报警和过程数据管理, 并将其存储在Microsoft SQL 数据库中, 以便管理和观察所采集的数据信息。
    Plant2SQL 软件采用打包方式简化了数据信息的共享, 例如, Microsoft Access、Visual Basic 、互联网( Internet) 浏览器, 或者其它兼容于SQL 的应用程序。
    另外一个兼容于SQL 的应用程序是USDA TA公司的FactoryLink 7 组态软件。Microsoft 公司的SQL 7 已经被紧密地集成到FactoryLink 7 组态软件中, 利用该软件, 工业用户很容易组态控制系统, 并将其连接到数据库和更高级别的MES 或者ERP 应用程序。FactoryLink 7 软件也提供了基于对象的组态方式, 外部数据信息的输入, 多层通信结构体系, 允许集中化应用和维护, 以及在线组态管理等。该软件同样建立在Windows DNA 结构体系上, 对于一个客户和一个服务器两者均符合Windows DNA。
    借助于Windows DNA 对制造业生产管理的支持, Think & Do Live ! 过程控制组态软件是一套完全能够满足机械和过程控制需要的解决方案, 同时也提供了操作员人机界面, 产品监控以及对临界生产信息的管理。该软件还支持嵌入式Windows N T 和Windows CE 操作系统, 能够应用于集成控制、通信管理和监控系统。

 结束语

    由于当前的实际情况和开放式标准的广泛应用,工业用户可以采用工业PC、可编程控制器( PLC) 、分散型控制系统(DCS) 、智能化I/O 控制设备, 或者它们的混合体来组建自己的分散型过程控制系统。
    原先那种自成体系的分散型控制系统(DCS) 在现在, 乃至将来都不会有市场价值。因此, 分散型控制系统(DCS) 从技术上将会更加走向开放, 进一步容纳国际性标准化技术, 以便能够在过程自动化控制领域为自己占据一席之地。
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