DCS、FCS、CIPS 3种系统的集成与应用

1　引　言

随着生产由简单过程向大型化、连续化、集成化和复杂化方向发展，与之相应的控制技术、控制理论、控制系统和控制工具都发生了很大的变化。即控制技术由单变量控制技术发展到多变量协调控制技术；控制理论由经典控制理论（基于频域法）发展到现代控制理论（基于时域法）和智能控制理论（基于规则、知识）；控制系统由简单控制系统（如：PID控制、串级、比值、前馈、Smith等）发展到先进控制系统（如：预测、推断、模糊、神经、鲁棒等控制）和综合自动化系统（控制、管理与决策一体化）；控制工具由常规仪器仪表发展到计算机及其网络。

计算机技术的发展为先进控制的实现奠定了物质基础，而控制技术的应用又促进了计算机技术的发展，两者密切相关。以计算机为主的控制系统经历了DDC（Direct Digital Control—单机控制系统）、DCS（Distributed Control System—集散控制系统）、FCS（Field Bus Control System—现场总线控制系统）和CIPS（ComputerIntegrated Process System—计算机集成过程控制系统）四个发展阶段。

DDC控制集中、危险也集中，一般采用双机／多机系统冗余结构，来保证控制系统的可靠性。为进一步提高控制系统的可靠性，70年代中推出了DCS系统。80年代中～90年代初是DCS发展的顶峰时期，DCS应用广泛，技术成熟。国内企业纷纷引进各种成套的DCS产品，如Honywell的TDC－3000／S9000、WestingHouse的WDPFⅡ／Ⅲ、Bailey的INFI－90、Foxboro的I／AS系、横河的Centum－XL／μXL等。但各厂家的DCS自成封闭的通信体系，难以实现企业内各种DCS系统的集成与综合。

90年代出现的新型FCS则突破了DCS系统中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案。FCS及其应用是当今研究的热点。

以现场总线／DCS为基础的综合自动化系统CIPS集过程控制与综合管理（经营决策、管理、计划、调度等）于一体，便于企业能快速适应风云变换的市场，以增强企业的竞争力。CIPS的实现是未来追求的目标。

2　DCS、FCS、CIPS的体系结构与特点

2．1　DCS

典型DCS系统的体系结构一般为三层，即管理级、监控级（工程师站／操作站）和过程控制级，有三DCS过程控制器与现场变送器、执行器之间的连接采用一对一的设备连接方式，需消耗大量的连接电缆且安装和维护费时费力，如图2—1所示。DCS属“半数字”系统，还需大量的AI／AO、DI／DO和PI／PO等中间模板来完成模拟量与数字量间的信息转换。



2．2　FCS

FCS系统由于采用了智能现场设备和现场总线，具有以下优点：

①采用一对N的设备连接方式，成本低

FCS属“纯数字”系统，无需AI／AO、DI／DO和PI／PO中间模板。基于现场总线的现场设备与操作站之间是一种全数字化、串行、双向、多站的通信模式，系统的可靠性高。而且，用数字信号替代模拟信号传输，在一对双绞线或一条电缆上可挂接多个现场设备，节省硬件数量与投资，节省安装费用，系统的成本低，如图2—2所示。



②实现了彻底的分散控制

能够将原先DCS系统中处于控制室的控制功能置入现场设备，直接在现场完成，即就地采集信息、就地处理、就地控制。上位机主要对其进行总体监督、协调、优化控制与管理，实现了彻底的分散控制。

③开放性与互操作性简化了系统的集成现场总线的最大特点是采用统一的协议标准，使之具有开放性和互操作性，不同厂家的现场设备可方便地接入同一网络中，且可相互访问，简化了系统的集成。

④信息综合，组态灵活

通过数字化传输现场数据，FCS能获取现场设备的各种状态、诊断信息，实现实时的系统监控和管理。FCS引入了功能块概念，使得组态十分方便、灵活，不同现场设备中的功能块可以构成完整的控制回路；可在上位机上进行组态，完成之后再下装至现场设备；用户根据标识符来指定某一设备，不需考虑设备地址、存储地址等。

总之，现场总线具有全分散、全数字化、智能、双向、多变量、多点、多站、互操作的特点，是过程控制系统实现的基础，也是综合自动化系统CIPS数据信息流的起点。

2．3　CIPS

集常规控制、先进控制、在线优化、生产调度、企业管理、经营决策等功能于一体的综合自动化系统CIPS是当前自动化发展的趋势和热点。CIPS是在计算机通信网络和分布式数据库的支持下，实现信息与功能的集成、综合管理与决策，最终形成一个能适应生产环境不确定性和市场需求多变性的全局最优的高质量、高柔性、高效益的智能生产系统。

根据连续生产过程控制与工程总体优化、信息集成的需求，CIPS工程可由生产过程控制分系统、企业综合管理分系统、集成支持分系统、人与组织分系统4个分系统及相应的下层子系统组成，如图2—3所示。