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作者： 来源： 发布时间：2018/2/11 16:12:47  点击数：350

新型电站控制系统至少应当实现以下功能：信息访问更加便利；增加自动化程度；减少操作失误和主、辅机维修量；提高机组可利用率。采用开放性、标准化、流行的硬件／操作系统／网络技术，尽可能利用广泛使用的各种计算机技术，有效地减少对专用产品的依赖，减少备品备件数量，降低运行和维护(o&m)成本。降低污染物排放量。缩短机组启动时间。提高市场竞争力。
为了满足以上要求，国外dcs制造商已捷足先登，近两、三年来已相继开发研制出新一代的计算机控制／信息系统，消除或至少是大大减少了专有化结构，充分考虑了互用性和开放性，如1996年霍尼韦尔工业自动化和控制公司提出了全厂一体化的新概念，把过程控制网络、实时操作网络和工厂信息网络融为一体，率先推出了tps (total plant solution)全厂一体化控制系统。tps是第一个采用微软windows nt操作系统的dcs (分散控制系统)。利用微软的ole(对象链接和嵌入)技术，tps可以使用户直接将过程控制画面链接或插入至数据库、字处理程序或其它与windows nt兼容的应用软件中。横河工业自动化公司新推出的centum cs 3000系统，也是一个以windows nt为基础的过程控制系统。另外还有西屋过程控制公司的ovation系统、elsag/bailey控制公司的symphony系统等。这些系统的共同目的均是：将遍布电站全范围内的各个过程控制和车间／公司／商业信息系统集成在一起，同时为老系统提供一条移值通路。如有制造商声称其已有20年寿命的老式基本控制器将可和新系统实现完美的接口。可实现对intemet和intranet的访问是这些新系统的重要特征。
控制系统一般由五部分组成，即通讯网络、控制器、人机接口站、i/o、编程和系统组态工具。本文将将就这五部分分别进行分析探讨，着重点放在信息和控制网络的一体化和互用性上。
1信息和控制通讯网络
dcs控制系统信息和控制通讯网络早期常单独采用ieee802.4令牌总线网或ieee802. 5令牌环网等实时性较好的局域网。但是不论国内还是国外，目前使用最多的却是ieee8 02.3 csma／cd以态网，尤其是在事务处理、办公自动化领域内，受intel、sun、hp、de c、xerox等诸多信息产业巨头公司青睐的以态网的应用更加广泛。tcp／ip是一套定义各计算机如何通过网络进行通讯的协约。tcp传输控制协议对应于iso／osi模型中的传输层，负责将数据消息分组成将被ip层传输的数据包，以及将从ip层接收的数据包重新组合为完整的消息并进行校验的协议。tcp可提供在连至网络上不同计算机上运行的进程间的可靠、面向连接的通讯。ip网际协议对应于iso/osi模型中的网络层，负责将数据消息拆分为包，并将这些包从发送者按一定路径传输到目的网络或站点，然后在目的地将包重新组合成原始的数据消息。tcp／ip是目前所实现的最成功的网络协约，是internet互连网的基础。对该通讯协约的支持内置于所有操作系统中。在数据链路中所用硬件对tcp／ip应用均是透明的。tcp／ip已经成为网络(包括internet)上进行数据传输的事实标准。该协约的全球标准化确保了系统的耐久性和互用性(interoperability，即计算机系统组件能在不同的环境中使用的能力)。鉴于此，为解决系统开放性问题，dcs制造商在原专用网络的基础上另加上一条tcp／ip以态网，以实现互用性、数据和资源的共享。如此一来，dcs网络变得更为复杂起来。
it (信息技术)潜在的巨大效益已广为人知，迫切需要将电站控制系统和精尖信息技术集成一体。一体化的系统要求采用能满足数据吞吐量更大，且数据传输速率更高的通讯网络，但是控制系统对通讯网络实时性的要求也要同时得到保证。符合ieee802.3μ标准的100 b ase-t快速以太网和符合ansi x3t12标准的fddi(光纤分布数据接口)是市面上可见的较为成熟的高速网络，其传输速率均高达100 mbps。但是，快速以态网仍然采用csma／cd介质访问方式，由于共享介质，随着网络负载的增加，出现冲突的概率增大，传输延迟也随着变长，并带有明显的随机性和不确定性。据有关测试报告证实，快速以态网的传输延迟具有抖动大和随机的特点，这是将快速以态网应用于实时控制系统领域的一个潜在不利因素。fd di技术比快速以态网技术成熟，是当今最为成熟的网络技术(fddi国际标准化已有6年)。fd di采用的传输介质是光导纤维，光纤维较之常用的铜介质具有更多的优点：带宽容量更宽、信号衰减极小、高水平的数据完整性、对电磁波及射频干扰具有天然免疫力、防泄露、防窃听、保密性好、耐更高的温度、抗腐蚀性强、使用寿命长、本安型防爆、体积小、重量轻、安装灵活性强等。最基本的fddi网络是由两个相互独立的环(称为双环)构成。双环连接到网络中的每一个站上，如下图1所示。
fddi传输介质使用多模光纤时，两站间不需中继器其最大间距为2 km；若使用单模光纤，站间最大传输距离则高达60 km。fddi的环形距离最大为200 km，可连接站点数达500个之多。其特有的双环技术支持双环的备份，即在正常情况下，只有主环(primary ring)在工作，另一环作备份(backup ring)，当主环发生故障时备份环能及时启动，保证fddi网络继续运行，用户网络传输因而不受影响，大大提高了网络的可靠性。并且这种双环的故障检测和主副环的切换对用户是完全透明的。即从用户的角度看仅仅是一个网络。fddi本身所具有的容错特性和冗余的网络设备保证了网络的高可靠性，令牌传送保证了实时性。fddi以其内在的可靠性机制、高速和技术成熟等特点，在高可靠性的网络工程中发挥着越来越重要的作用，已成为要求实时、安全处理数据量大的要害部门的商业和信息网络应用中最为广泛采用的网络结构，如美国海军军舰和商用航空器航空电子设备系统等专用系统也是采用了fddi。各主要系统制造商都为其主机提供了fddi网络接口，如ibm、dec、hp、sun、sgi等公司的主机都能提供fddi接口连接设备。
fddi是普通控制网络速率和容量的10～20倍，全冗余结构，以100 mpbits/s速率工作，可在长达200 km距离范围内每秒实时处理200 000点。
正是基于fddi的可靠、冗余、实时和容错等特性考虑，西屋过程控制公司在其新一代的d csovation系统中采用高速fddi作为其标准通讯主干，构成新型计算机控制系统的信息和控制网络的基础。
fddi网络用于控制系统领域的重要意义远远超出了其出色的性能特性。这是因为fddi业已成为商业标准，许多商用信息系统都用的是这一通讯协约，因而不必象常规的控制高速公路还需通过桥接器和众多的信息网络相连。在控制系统网络结构上的这点突破，可使最终用户不需用常规dcs结构中所必须的专用网关和复杂的网络接口协约，就可轻易地将多个网络互连在一起。如ovation的fddi网络允许公司内部及过程控制网络无缝的共享有价值的实时信息，而不会有任何限制。因而其信息系统和控制系统合二为一、二位一体，省去了这两个功能集成的开销，消除了影响企业内部信息有效流动和运用上的传统障碍，使用户可以实现国际水准的企业运作和竞争力。该系统确保多年的信息技术规划不会受到兼容性或过时问题的阻碍困扰，电站用户可以随时选用最好的技术产品，并将它集成在系统中。用市面上常见的安全路由器和桥接器，通过标准internet和intranet通讯协约，可以在lan／wa n (局域网／广域网)和电站控制系统fddi间建立通讯。如此，电站用户就可以和全球任何公司、任一地点的专家进行信息交流，实现系统远方诊断等多种功能。网络安全可由包过滤、应用网关、代理服务、身份验证等防火墙技术的实施来保障。
2多功能控制器
全球pc的发展日新月异，大约每六个月左右就有新一代pc问世。目前的pc在工业控制领域极富竞争力，其产品价格更低、鲁棒性更好、运算处理速度更快。现在许多商业化的计算平台，如带紧凑型pci总线的工业pc，其mtbf已达10年以上，其运行性能和可靠性等于甚至超过了普通的dcs和plc硬件。奔腾硬件的性能甚至超出最快的plc达20倍之多。由于pc价格性能比优越，可靠性又强，所以pc在控制领域中又卷土重来而东山再起，在控制方面又已崭露了头角，螺旋式上升到了一个新的水平。如美国olin公司化工厂就用pc作为控制器直接控制生产过程，节省了很多投资，据其公司介绍，一个2 592个模拟输入、484个模拟输出、656个数字输入及1 088个数字输出的系统，如用常规dcs，则d cs厂家的报价为220万美元，而用以pc(486)为基础的控制网络系统进行直接控制，包括软件在内仅需50万美元，其投资比为4：1。另如ovation系统中控制器采用的是带标准3 2位pci扩展总线的冗余奔腾pc控制器。控制器结构即是标准的英特尔奔腾个人计算机结构，背板为pci总线，不含任何一种用户设计的硬件在内。控制器处理容量为4 000点，扫描时间快5 ms。由于控制器为一个pc，以后英特尔公司的新一代pc产品可实现“即插即用”。更重要的是用户可以随时随意更新控制器，简单地将cpu模块替换为利用最新技术生产的最新一代微处理器即可。以pc为基础的控制器可以执行简单或复杂的模拟或顺序控制策略，完成数据采集功能，在处理重要任务时可实现全冗余。采用以pc为基础的控制器，其最大优势之一是其较专用化的控制器硬件有着更多的灵活性，如可以实现灵活组态。pc硬件组态的改变极其容易，从而使第三方设备的安装简单可行。此外，采用开放的pci总线结构可以使用户选取许多设计运行于标准pc总线上的系列设备。由此可见，传统的d cs控制器向pc的过渡转换是不可逆转的趋势。
3人机接口站
人机接口站应集成商业信息，改善操作性能，应建立功能强大、直观、高效的人机界面。具体说，应达到减少工程时间和成本、信息开放通畅、改善操作员的劳动生产率和工作效率、操作环境直观且一致以简化培训要求、保护用户投资的目的。计算机控制系统的人机界面主要有两种，一是以pc为基础的接口站，另一是unix型工作站。这两种平台都具有良好的性能，具有先进的多任务处理能力。pc型平台主要采用应用较广的微软windows nt或win dows 95/98真正32位操作系统，具有实用化的“对象链接和嵌入”(ole)、“拖-拽”(drag-drop)等功能。如霍尼韦尔工业自动化和控制公司的plantscapetm/s9000系统和tps系统均采用此类平台。工作站型平台主要采用sun微系统公司强大的solaris操作系统。64位的工作站已面市多年，技术成熟，其处理能力更加强大，已逐渐成为操作员站的首选，如最近foxboro公司正式选用sun公司ultra sparcⅱrisc cpu型64位工作站作为其i／a series系统的操作员站。
java是由sun微系统公司开展研制的新型编程语言，采用解释性语言。它不仅具有面向对象、结构中立、平台无关性、多线程、图形界面友好、交互性能强、支持多媒体信息、良好的可移植性、可靠、稳固、安全等特性，还支持数据分布和操作分布两种分布性，具有适合于分布式计算环境的网络特性，能以独立于平台的形式支持对internet和world wide we b的编程，是网络时代最重要的语言之一。java接口独立于各种平台，允许诸如windows3x、windows 95、unix或macintosh os等各种操作系统访问电站控制中的过程图形和数据，与java兼容的web服务器提供了与internet等网络的极佳接口。ovation的用户接口采用的是各种不同的硬件结构和操作系统，均需运行在网络环境下。为此，ovation采用j ava型用户接口，消除了二进制分布和软件冲突，使其用户接口具有结构中立、可移植性，从而允许通过公司的intranet网将ovation的模拟图、趋势图或历史数据以只读的格式在任一计算机平台上实时显示，而不在乎该计算机采用的是何种操作系统。综上所述，java服务器应用的前景广阔，必将在控制信息系统中大显身手。
4i/o及编程和系统组态工具
i/o子系统应具有快速安装、易于组态、运行和维修成本低的基本特点。此外，应采用先进的电子元器件和生产工艺，降低功耗，减少发热量，延长寿命，降低能量和hvac成本。随着现场总线技术的发展，商业化的扩展，标准的统一，以及智能化现场仪表与智能化执行终端的普及，i/o子系统将会完成自身的历史使命，逐渐消失。
编程和系统组态工具应对用户友好，功能组态软件模块化，软件透明度高，提供功能强大的软件工具包、使用方便，符合相关国际标准，如iec 1131等。采用嵌入式的关系数据库管理软件以确保全系统范围内数据的一致性和数据访问的便利性。数据库管理应采用现成的、流行的数据库管理软件，如oracle、infomix、sysbase等。
参考文献
1robert swanekamp.users demandget more interoperability from 1t.power ,1998,5/6,61-74
2donald b loftis,david w cawlfield.direct contrl of large process usinga micro computer.isa 1993-paper 93－304 1054-0032/93/603-612
3杨洪.100baset快速以太网实时性测试与分析［j］.计算机工程，1998，3，6 5-67

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