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从工业控制系统的角度理解现场总线

DCS | 发布时间:2017-11-01 | 人气: | #评论# |本文关键字:总线,PLC
摘要:场总线对于工业控制系统来说,因为现场总线导致控制方式的改变。现如今大家经常提到所谓“PROFIBUS系统”的提法,就属于现场总线控制系统(FCS),而FCS也成为了新一代的工业控制

场总线对于工业控制系统来说,因为现场总线导致控制方式的改变。现如今大家经常提到所谓“PROFIBUS系统”的提法,就属于现场总线控制系统(FCS),而FCS也成为了新一代的工业控制系统,正在逐步融合SCADA、DCS和PLC技术。

1.工业控制技术的发展

工业控制技术的重要性不言而喻,控制方式也是从开环控制到闭环控制,满足连续过程、离散过程等自动化应用不断变化的技术需求。控制算法越来越复杂,这就离不开计算机技术的引入,于是离散控制的所需要的输入输出。

众所周知,第三次工业革命最显著的特点就是了自动化的生产模式,最显著的技术就是大量运用计算机技术,在产品生产的设计、制造、工程、质量控制等各个环节运用计算机技术,也就是计算机辅助设计CAD、计算机辅助制造CAM、CAE、CAQ等概念。

体现在过程控制行业的传感器和执行器,比如说油、气、水、化工包括电力的控制方式,从一开始属于集中式,最需要的就是信号传输,原来是气动,后来控制器+信号的控制方式就促使CCS和SCADA的出现,对信号线连接提出要求,4-20ma模拟信号传输成为标准。工厂规模的扩大意味着生产区域的扩大,要求控制区域也增大。生产环境越来越复杂,接线成本越来越高,要求用数字通信取代模拟信号,于是在4-20双线的基础上发展新的数字传输技术,这决定了现场总线的基本形态,作为通信的要求,主要是决定了物理层。而后来随着计算机技术深入到传感器、执行器,成为智能仪器仪表,它们之间的通信就逐渐成为局域网的模样,进一步提高工业过程自动化的网络能力系统已成为过程自动化开发的主要趋势之一,先从集中式转变成分布式控制方式,DDC逐渐进化成DCS。

 

体现在制造行业,尤其是汽车制造,原来的继电器控制由于计算机技术的引入被PLC控制方式取代,制造业分步骤、顺序的特点决定了每个工序或者环节就是一个控制单元,就需要PLC控制,从而形成了一个一个的自动化信息孤岛,需要解决各个控制单元直接的通信问题,从而决定了控制方式属于分布式。各个单元连接在同一个网络中,众多节点既要正确通信,又不互相冲突,这就是局域网的数据链路层的功能。

不管是过程控制还是制造控制,不仅如此,作为工厂管理者来说,由于管理、设计等都开始使用计算机技术,那么从上至下的信息通信同样重要,都需要从上到下的工厂通信系统架构,使用统一的制造信息传输协议满足各个环节数据通信的要求,这主要决定了现场总线应用层的内容。

2.网络控制的金字塔架构

CIM是指自动生产、自动运料,从产品的设计、制造到质量控制等各个环节使用计算机技术。随着CAD与CAM技术的发展,在信息技术、自动化技术与制造的基础上,CIM通过计算机技术把分散在产品设计制造过程中各种孤立的自动化子系统有机地集成起来,形成了集成化和智能化制造系统。

经过多年的总结发现,以等级制度为特征的机构管理模式是一种有效的管理体系,这种模式被称为金字塔结构,包括政府、政党、军队和企业四个标准的金字塔结构。对于工业企业来说,为了集成企业管理、制造控制、产品设计等子系统,需要让各个子系统直接相互通信,可以根据不同的通信要求采用分层方法将企业的通信结构分成若干抽象层,这就是大家经常会看到的工业通信系统的金字塔架构。

 

ERP是一种业务管理系统,通过处理信息以优化资源利用率来集成业务功能,运行在企业级,集中管理业务活动,MES的目标是在车间管理和监控实际生产过程。而MES是“保证制造有效执行的动态信息系统”,将ERP系统与实际生产过程的工业控制系统(ICS)联系起来,ICS通过传感器获取过程信息,并用执行器控制过程。常见的ICS工业控制系统是SCADA、DCS和PLC。

所有车间级的控制器单元连接到工厂骨干网,而位于底层的机器控制网相当于一个小型的MAP,

3.工业控制系统分类

工业控制根据两大工业应用领域有不同的特点:能源控制与过程控制。

电力系统、天然气和水管道领域的控制,需要通过不停收集远程数据,使用的比较多的是SCADA,系统一般属于开环控制方式;而过程控制中使用较多的是DCS,满足大型工业连续过程的需要;而对于过程控制内部的单元控制,使用继电器实现逻辑控制的方式,则使用PLC进行控制。

3.1 SCADA

数据采集与监控系统(SCADA)是一种控制系统架构,使用计算机、网络数据通信和图形用户界面进行高级过程监控管理。SCADA系统用于地理范围较大的工业领域,如管线、电网、铁路系统,向单个控制中心收集数据,以便监视过程,并将数据呈现给最终用户。由HMI、主终端单元(MTU)、远程终端单元(RTU)和长距离通信介质组成,或者可以用PLC替换RTU,以便实现最佳功能和更好的成本效率。

SCADA软件仅存在于监控层,因为控制动作由RTU或PLC自动执行,现场总线位于现场层级,如图所示的汽车总线系统就是一个典型的传统SCADA,仪表盘作为上位机显示,通过CAN总线连接各种终端,其中的ABS、定速巡航、自动驻车等终端作为SCADA的RTU,又是下一级的控制系统。

 CAN总线网络图

3.2DCS

分布式控制系统(DCS)是用于过程控制或制造领域的计算机控制系统,其中控制元件(控制器)分布在整个系统中。在DCS中,控制器层级通过通信网络连接,DCS通常使用定制设计的处理器作为控制器,并使用专有互连或标准协议进行通信。处理器从输入模块接收信息,处理信息并决定要由输出模块执行的控制动作。输入模块在过程(或现场)中从感测仪器接收信息,并且输出模块将指令传送到诸如控制阀的最终控制元件。输入输出可以是4-20mA模拟信号,也可以数字信号。DCS系统通常还支持诸如基金会现场总线FF、Profibus、HART、Modbus、PC Link现场总线,不仅传输输入输出信号,而且还传输错误诊断等消息。

 

由于提到SCADA和DCS,大多数图上都会出现控制室,所以工程师们不太容易分清楚两者的区别。表简单描述了一下区别。


DCS

SCADA

控制方式

过程驱动

事件驱动

控制范围

小范围

大范围

典型应用

化工,过程控制

电力系统

数据质量

数据质量好

相对较差

侧重点

包含监视过程画面,更侧重控制尤其是闭环控制

侧重监视过程画面

3.3PLC

但在以顺序逻辑作为需求的行业中使用最多的是PLC(可编程逻辑控制器),这是从继电器和定时器演变而来的。以前的控制器难以组态和查找故障,并且PLC控制使得信号能够与具有电子显示器的中央控制区域联网。PLC首先开发用于汽车行业的车辆生产线,其中顺序逻辑变得非常复杂,然后是印刷机和水处理厂。

PLC可大可小,小的像砖块一样,将处理器集成在壳体中,数十个点数,大到数千个点,安装在机架上,并与其它PLC和SCADA相连。它们可以设计为多种布局的数字和模拟输入和输出(I/O),扩展的温度范围,抗电噪声和抗振动和冲击,控制程序通常存储非易失性存储器中。

 

PLC诞生于美国汽车工业,制造汽车的控制系统使用逻辑顺序和安全联锁,主要由继电器、凸轮定时器、磁鼓定序器和专用闭环控制器组成。由于这些可以数百或甚至数千,用于更新这种设施以用于年度模型转换的过程是非常耗时和昂贵的,因为电工需要单独地重新连接继电器以改变其操作特性。

4小结

其实一切是以需求为导向,为了解决工业控制不断增长的需要与落后的控制方式之间的矛盾,产生了不同的工业控制系统。现场总线的发展可以更好的满足不同控制方式不对于连通性、拓扑、通信距离、应用方面的要求。60年代早期就有SCADA,后来出现了DCS和PLC。过去SCADA更像是DCS的上层软件。SCADA主要侧重监视,DCS侧重于控制,PLC则是一种装置。

现如今由于技术的不断发展,这些系统在结构和功能上的差别越来越小。如何才能快速说清楚工业控制系统中DCS、PLC、SCADA、FCS、PAC、RTU的区别呢?

RTU没有Control,只是SCADA的组成部分,先被拎出来了;

FCS是采用现场总线的DCS,PAC是功能更加健壮的PLC,可谓是升级版;

剩下的请看图!

 


责任编辑:电气自动化网

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