（信号与信息处理专业论文）新型dcs系统集成及其在油田原油综合处理站的应用.pdf

摘要 新型d c s 系统集成及其在油田原油 综合处理站的应用 作者简介：杨水林，男，1 9 7 9 年1 1 月生，师从成都理工大学王绪本教授和 郭勇教授，2 0 1 1 年6 月毕业于成都理工大学信号与信息处理专业，获得工学硕 士学位。 摘要 d c s 是分布式控制系统的英文缩写( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) ，在国 内自控行业又称之为集散控制系统。d c s 在工业控制领域应用广泛，尤其是在电 力、石化、水处理等行业受到用户的青睐。但是，早期的d c s 系统提供商为了在 市场竞争中处于一定的垄断地位，采用了专用的硬件产品和不开放的内部数据总 线，导致不同厂商的系统或设备之间缺少互操作性和互换性，难以实现设备与设 备之间以及系统与外界之间的信息交换。因此，在早期d c s 系统的基础上，找出 在信息化和集成化方面的不足，通过使用新技术新方法对系统的性能进行提升是 十分必要的。 本文提出利用新型d c s 系统，也就是第四代d c s 系统，采用现场总线底层网 络集成和基于o p c 技术的系统集成方法，通过“企业局域网+ 工业以太网+ 现场总 线的系统集成模式来解决早期d c s 系统存在的问题，实现现场测控层、过程监 控层和数据管理层不同系统层面的集成。本课题总体目标是采用和利时公司第四 代d c s 产品构建油田原油综合处理站d c s 系统。首先，根据该d c s 系统现场测控 层的特点，采用现场总线集成技术把原油综合处理站的智能仪器和仪表设备无缝 接入d c s 系统，为用户选择性价比高的设备、打破设备提供商垄断起到积极的作 用。然后，结合该d c s 系统数据管理层的实际情况，采用o p c 技术把d c s 数据无 缝接入油田信息网络，为油田信息化进程起到巨大的推动作用。 新型d c s 系统由现场测控层、过程监控层和数据管理层三部分组成。现场测 控层不仅仅可以接入传统的模拟仪表，而且可以接入现场总线型设备和仪表。数 据管理层可以将d c s 现场数据实时传输给油田信息网络，实现远程监测功能。 在本设计中，主要对d c s 的发展现状进行了了解，对现场总线和o p c 技术进 行了学习，并完成了d c s 系统的设计，实现了在不同层面上的集成，系统的开放 性得到了很大的提高。 关键词：d c s 现场总线集成智能仪表 成都理工人学硕士学位论文 n e wd c s s y s t e mi n t e g r a t i o na n d t h ea p p l i c a t i o nt o c r u d eo i lc o m p r e h e n s i v ep r o c e s s i n gs t a t i o n i n t r o d u c t i o no ft h ea u t h o r ：y a n gs h u i l i n ，m a l e ，w a sb o r ni nn o v e m b e r , 19 7 9w h o s e t u t o rw a sp r o f e s s o rw a n gx u b e na n dp r o f e s s o rg u oy o n g h eg r a d u a t e df r o m c h e n g d uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yi ns i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n gm a j o ra n d w a sg r a n t e dt h em a s t e r sd e g r e ei nj u n e ，2 011 a b s t r a c t d c si st h ea b b r e v i a t i o no fd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mw h i c hi sa l s ok n o w na s c e n t r a l i z e da n dd e c e n t r a l i z e dc o n t r o ls y s t e mi na u t o m a t i o ni n d u s t r y o ft h e c o u n t r y d c si sw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a lc o n t r o lf e l d ，e s p e c i a l l yi nt h ep o w e rp l a n t ， p e t r o c h e m i c a l w a t e rt r e a t m e n ta n do t h e ri n d u s t r i e s h o w e v e r , i no r d e rt ob ei na m o n o p o l i s t i cp o s i t i o n ，s y s t e mp r o v i d e ru s e dad e d i c a t e dh a r d w a r ea n dn o t - o p e n i n t e r n a ld a t ab u si nt h ee a r l yd a y so fd c sw h i c hh a v er e s u l t e di nt h el a c ko f i n t e r o p e r a b i l i t y a n di n t e r c h a n g e a b i l i t yb e t w e e ns y s t e m so rd e v i c e si nd i f f e r e n t m a n u f a c t u r e r s a sar e s u l t ，i ti sd i f f i c u l tt oa c c o m p l i s ht h ee x c h a n g eo fi n f o r m a t i o n b e t w e e ne q u i p m e n t sa n dd e v i c e s ，i n n e rs y s t e ma n dt h eo u t s i d e t h e r e f o r e ，i ti s n e c e s s a r yt h a tt h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e mc a nb ee l e v a t e dt h r o u g ht h eu s eo fn e w t e c h n i q u e sa n dm e t h o d sb a s e do nt h ee a r l yd a y so fd c st of i n dq u e s t i o ni n t h e i n t e g r a t i o na n di n f o r m a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o np u tf o r w a r dan e wd c ss y s t e m ，w h i c hi st h ef o u r t hg e n e r a t i o no f d c s b ym e t h o d so f b o t t o m l a y e rf i e l d b u sn e t w o r ki n t e g r a t i o na n ds y s t e mi n t e g r a t i o n b a s e do no p ct e c h n o l o g y , t h r o u g hs y s t e m si n t e g r a t i o nm o d e lo fe n t e r p r i s el a n ， i n d u s t r i a le t h e m e ta n df i e l d b u ss oa st os o l v et h et r a d i t i o n a lp r o b l e m so fd c s s y s t e ma n da c h i e v et h ei n t e g r a t i o nw i t hd i f f e r e n ts y s t e ml e v e l ，s u c ha s ，o n - s i t e m o n i t o r i n ga n dc o n t r o ll a y e r , p r o c e s sm o n i t o r i n ga n dd a t am a n a g e m e n tl a y e r t h e o v e r a l lo b j e c t i v eo ft h et h e s i si st h a tw eu t i l i z et h ef o u r t hg e n e r a t i o no fd c sp r o d u c t s t ob u i l td c ss y s t e mi nc r u d eo i lc o m p r e h e n s i v ep r o c e s s i n gs t a t i o n f i r s to fa l l ，i n a c c o r d a n c ew i t ht h ec h a r a c t e r i s t i e so fo n s i t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ll a y e r , u s i n g f i e l d b u si n t e g r a t e dt e c h n o l o g yt om a k ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t a t i o nd e v i c e sa c c e s st o d c ss y s t e m ss e a m l e s s l y t h en e wd c sh a sp l a y e dap o s i t i v er o l ef o ru s e r st os e l e c t g o o dc o s t e f f e c t i v ee q u i p m e n t , b r e a k i n gt h em o n o p o l yo fe q u i p m e n ts u p p l i e r s t h e n , c o m b i n e d 、析t l lt h ea c t u a ls i t u a t i o no fd a t am a n a g e m e n tl a y e ro ft h ed c ss y s t e m ， n a b s t r a c t u s i n go p ct e c h n o l o g yt om a k ed c sd a t aa c c e s st o o i l f i e l di n f o r m a t i o nn e t w o r k s e a m l e s s l y i tp l a y sa l li m p r o v i n gr o l ei np r o m o t i n gt h ei n f o r m a t i o np r o c e s so f o i l f i e l d n e wd c s s y s t e mc o n s i s t so ft h r e ep a r t s ，s u c ha s ，o n s i t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ll a y e r , p r o c e s sm o n i t o r i n ga n dd a t am a n a g e m e n tl a y e r o n - s i t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ll a y e r c a nn o to n l ya c c e s st ot r a d i t i o n a la n a l o gm e t e r sb u ta l s oa c c e s st h ef i e l d b u se q u i p m e n t a n di n s t r u m e n t a t i o n d a t am a n a g e m e n tl a y e rc a nt r a n s m i t t e dt h ed a t at oo i l f i e l d i n f o r m a t i o nn e t w o r ki nr e a lt i m et or e a l i z er e m o t em o n i t o r i n gc a p a b i l i t i e s i nt h ed e s i g n ，im a i n l yu n d e r s t a n d e dt h ed e v e l o p m e n ts t a t u so fd e s ，t h ef i e l d b u sa n d o p c t e c h n o l o g y t h e nic o m p l e t e dt h ed e s i g no fd c ss y s t e ma td i f f e r e n tl e v e l so f i n t e g r a t i o n o p e n n e s so ft h es y s t e mh a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e d k e y w o r d s ：d c s f i e l d b u s i n t e g r a t i o ni n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t a t i o n 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 1 1 1 课题研究的背景 集散控制系统( d c s ) 在工业控制领域应用广泛，尤其是在电力、石化、水 处理等行业受到用户的青睐。但是，早期的d c s 系统提供商为了在市场竞争中处 于一定的垄断地位，采用了专用的硬件产品和不开放的内部数据总线，工业现场 的传感器和执行器一般都是与d c s 现场控制站实现点对点的连接，传递信号一般 采用电压或电流的模拟信号。这样，现场控制站与现场仪表之间的连线非常多， 不同厂商的系统或设备之间缺少互操作性和互换性，难以实现设备与设备之间以 及系统与外界之间的信息交换，导致d c s 系统成为“信息孤岛 险】。图卜1 是早 期d c s 的体系结构，现场模拟仪表与主控单元之间是通过专用i o 模块采用不开 放的内部数据总线进行通信。 操作员站工程师站 图1 - 1 早期d o s 系统体系结构 放的内部 总线 成都理t 大学硕士学位论文 随着计算机技术和网络通信技术的不断发展，用户需求也在不断提高。对于 已经在工业现场使用的数字式智能设备和仪表，比如可编程逻辑控制器( p l c ) 、 现场总线仪表，如何实现它们与d c s 系统的无缝接入。另外，早期的d c s 系统在 一个企业内部往往是一个独立运行的系统，通过d c s 系统采集的现场数据不能在 整个企业内共享，如何将现场数据实时地传递给企业管理和决策部门，为企业的 生产管理和决策提供数据支持。因此，d c s 与现场智能设备和仪表以及与企业信 息网络的集成就成为了d c s 系统的两个重要问题，也是新型d c s 系统发展的趋势。 1 1 2 课题研究的目标 从1 9 7 5 年的第一套d c s 系统诞生至今，d c s 系统经历了四个大的发展阶段。 从总的趋势来看，第四代d c s 的控制系统功能进一步完善，开放性也进一步增强。 现在，d c s 厂家越来越重视标准，已经从不同的系统层面实现了开放，第三方产 品容易集成到系统中去心1 。因此，本文提出利用新型d c s 系统，也就是第四代d c s 系统，采用现场总线底层网络集成和基于o p c 技术的系统集成方法，通过“企 业局域网+ 工业以太网+ 现场总线 的系统集成模式来解决早期d c s 系统存在的问 题，实现现场测控层、过程监控层和数据管理层不同系统层面的集成啪1 。图卜2 是新型d c s 系统体系结构。 图1 2 新型d g s 系统体系结构 2 第l 章绪论 与早期d c s 系统相比，新型d c s 系统采用开放的数据总线，不仅仅可以接入 传统的模拟仪表，而且可以接入现场总线型设备和仪表。同时，d c s 采集的现场 数据可以通过数据服务器实时传输给油田信息网络。因此，整个d c s 系统的集成 性和开放性得到了明显的增强。 1 1 3 研究意义 通过新型d c s 在不同层面上进行集成，系统的开放性得到了很大的提高。针 对不同的应用，用户可以进行灵活的系统配置，组成最经济、可靠、先进、实用 的控制系统，为用户选择性价比高的设备、打破设备提供商垄断起到了积极地作 用。同时，现场数据接入油田信息网络，为油田信息化进程起到了巨大的推动作 用。具体表现在以下几个方面： 第一、现场总线作为现场测控网络，把现场p l c 和智能仪表集成到d c s 系统 中。这样，d c s 底层的网络结构将发生很大的改变。首先，现场信号线的接线方 式将发生改变，即从一对一的模拟信号线连接改变为一对多的数字信号连接，现 场与控制站之间的连线将大大减少，而传递的信息量则大大增加；其次，回路控 制的实现方式发生改变，由于现场p l c 和现场总线仪表的智能化，它们已经具备 了回路控制与计算的能力，这样，回路控制的功能就可以从现场控制站下放到现 场，实现更加彻底的分散馏，。 第二、在早期d c s 系统网络中引入工业以太网，这样，d c s 操作员站就可以 接入支持以太网的现场采集和控制终端，进一步使d c s 具有较强的开放性。 第三、利用d c s 数据服务器，把过程监控网络和油田信息网络集成在一块， 实现了d c s 现场数据在整个油田的共享。随着d c s 数据接入油田信息网络，使 d c s 从独立运行的控制系统成为整个油田数据采集、控制和生产管理的子系统， 为油田的信息化建设奠定坚实基础。 1 2 国内外研究现状和发展趋势 1 2 1 国内外研究现状 随着计算机技术、网络通信技术、现场总线技术等的发展，用户对先进的控 制功能与管理功能的需求在不断增加，以国外h o n e y w e l l 、e m e r s o n 、f o x b o r o 、 横河、a b b 为代表，各d c s 厂商纷纷提升d c s 系统的技术水平，引入一些新的概 念，大力发展新一代d c s 系统。以h o n e y w e l l 公司最新推出的e x p e r i o np k s ( 过 程知识系统) 、e m e r s o n 公司的p l a n t w e b ( e m e r s o np r o c e s sm a n a g e m e n t ) 、 f o x b o r o 公司的a 2 、横河公司的c s 3 0 0 0 - r 3 ( 工厂资源管理系统) 和a b b 公司的 3 成都理工人学硕士学位论文 i n d u s t r i a l 系统为标志的第四代d c s 系统已经出现。 第四代d c s 充分体现信息化和集成化乜1 。信息化体现在各d c s 系统已经不是 一个以控制功能为主的控制系统，而是一个充分发挥信息管理功能的综合信息系 统。它提供了从现场到设备，从设备到车间，从车间到工厂，从工厂到企业的整 体解决方案。d c s 的集成性则体现在两个方面：功能的集成和产品的集成。当今 的d c s 厂商更强调的系统集成能力，不再把开发组态软件或制造各种硬件单元 视为核心技术，而是纷纷采用第三方集成方式来集成d c s 的各个组成部分口1 。 因为大多数的工业企业绝不能简单地划分为单一的过程控制或逻辑控制，而 是以过程控制为主或逻辑控制为主。为了适应用户的控制需求，第四代d c s 变成 真正的混合控制系统。几乎所有的第四代d c s 都包容了过程控制、逻辑控制和批 处理控制。 d c s 包含f c s 功能并进一步分散化。f c s 是现场总线控制系统的英文缩写 ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) ，它是在d c s 的基础上发展起来的控制系统。过去一 段时间，一些学者和厂商把d c s 和f c s 对立起来。其实，真正推动f e s 进步的仍 然是世界主要几家d c s 厂商口 。新型的f c s 与d c s 之间并不是完全取而代之的关 系，现场总线技术改进、完善或部分代替d c s ，是继承、融合、提高的关系口1 。 所有的第四代d c s 都包含了一些常用的现场总线接口，可以支持多种标准的现场 总线仪表和设备。 第四代d c s 的开放性体现在d c s 可以从不同层面与第三方产品集成口1 。在数 据管理层提供开放的接口，支持各种管理软件平台连接；在过程监控层可以集成 中小型p l c 作为底层控制单元，同时支持多种网络协议；在现场测控层可以支持 各种p l c 、智能控制单元以及各种标准的现场总线仪表与执行机构。 从国内自主研发的d c s 来看，目前，以北京和利时、浙大中控、上海新华为 代表的国内d c s 厂家经过1 0 年的努力，各自推出自己的d c s 系统。和利时推出 h o l l i a s 第四代d c s 系统、浙大中控推出w e b f i e l d ( e c s ) 系统、新华推出x d p f 一4 0 0 系统。三家d c s 厂家积极努力，通过竞争成功地将自主系统应用于各种工业现场， 正在逐步赢得用户的认可。近年来，和利时d c s 系统被广泛应用于油田、化工、 水处理等各个领域。和利时公司结合十多年的系统开发经验和国际主流d c s 的发 展趋势，推出了符合国际最新潮流的第四代d c s 产品h o l l i a s ( h o l l y s y si n t e g r a t e di n d u s t r i a la u t o m a t i o ns y s t e m ) 。该系统是用一个开放的系统 软件平台将各种控制系统与管理功能相结合，将和利时公司多年开发的各种自动 化设备进行有机结合，构成了一个集成、开放的系统平台。 1 2 2 发展趋势 结合第四代d c s 的特征和用户不断变化的需求，d c s 系统将朝着高度信息化 4 第l 章绪论 与集成化，d c s 控制网络现场总线化，i o 处理单元小型化、智能化和低成本， 平台的开放性与应用的专业化方向不断发展，高层管理网络的功能进一步加强， 更好的为用户提供整套的自动化解决方案。 现在，d c s 底层控制网络使用现场总线，也兼容传统模拟仪表的接入，过程 监控层采用工业以太网，上层数据管理网络采用企业局域网，按照“企业局域网 + 工业以太网+ 现场总线 的系统组网模式来构建企业自动化综合平台系统。然而， 随着d c s 规模的不断扩大，功能的不断扩充，通过网络传输的信息量大大增加， 而且信息的种类也越来越繁杂，这时仅靠简单的数据通信就难以满足要求了。随 着工业以太网通信速率的提高以及交换技术的发展，网络传输确定性问题、实时 性问题已经解决，总线供电技术正在成熟，本安防爆理论的突破，工业以太网“e 网到底 将成为控制网络发展的强劲方向，也就是说工业以太网逐步会用于d c s 控制网络的现场测控层心3 。 1 3 课题研究思路及主要研究内容 本文采用和利时公司第四代d c s 产品构建油田原油综合处理站d c s 系统。首 先，按照早期d c s 系统接入的方法把现场模拟信号设备接入系统。然后，根据该 d c s 系统现场测控层的特点，采用现场总线集成技术把原油综合处理站的智能仪 器和仪表设备无缝接入d c s 系统中。最后，结合该d c s 系统数据管理层的实际情 况，采用o p c 技术把d c s 数据无缝接入油田信息网络。 本文主要研究内容包括： ( 1 ) 根据智能仪表的现场总线类型，设计智能仪表接入d c s 系统的实施方案； ( 2 ) 研究p l c 系统的通信方式，提出与d c s 系统集成的方法； ( 3 ) 研究d c s 系统数据接口，实现与油田信息网络的集成。 5 成都理t 大学硕十学位论文 第2 章新型d g $ 系统及其集成技术 2 1d e s 系统的发展过程 在一些传统的或新兴工业企业中，应用效果最直接、最明显的系统应当是工 业控制系统，特别是d c s 系统。尽管若干年以前，业界就有人断定d c s 即将被现 场总线控制系统所取代，但是，由于d c s 技术的成熟性和在业内的影响力，d c s 目前仍然具有广阔的市场前景脚。d c s 系统经历了从初创期到高速发展期共四个 大的发展阶段瞌1 。 第一代d c s 是初创期阶段。它是指1 9 7 5 年到1 9 8 0 年期间所出现的第一批系 统，主要代表有h o n e y w e ll 公司的t d c - 2 0 0 0 系统，y o k g a w a ( 横河) 公司的y a w p a r k 系统等。第一代d c s 在功能上更接近仪表控制系统，重要特点是分散控制，集中 监视。其中集中监视所采用的是c r t 显示技术和控制键盘操作技术，综合利用通 信技术形成数据高速通路是第一代d c s 的一项核心技术。 第二代d c s 是成熟期阶段。它是指在1 9 8 0 年到1 9 8 5 年前后出现的系统，其 中包括h o n e y w e l l 公司的t d c - 3 0 0 0 、f i s h e r 公司的p r o v o x 等。第二代d c s 的核 心技术突破是引入局域网技术，按照网络节点的概念组织过程控制站、操作站和 管理站。在这一时期，各个d c s 厂家采用了各自的实时网络硬件产品，采用不同 的专有网络协议，不同厂家的系统之间基本上不能进行数据交换，系统的各个组 成部分都是各个d c s 厂家的专有技术和专有产品，d c s 产品难以实现相互的集成， 出现了所谓的工厂中自动化孤岛的现象。 第三代d c s 是扩展期阶段。2 0 世纪9 0 年代，无论是硬件还是软件都采用了 一系列的高新技术，使d c s 向更高层次发展，形成了第三代的d c s 产品。第三代 d c s 的主要代表有f o x b o r o 公司推出的i as e r i e 、r o s e m o u n t 公司的d e l t av 等系统。第三代d c s 遵循开放的系统参考模型7 层通信协议，向上与生产管理网 络互连，向下支持现场总线，同时，在组态编程方面也进一步标准化，各个d c s 厂家都逐步遵循i e c 6 11 3 1 - 3 所定义的5 种组态语言。 第四代d c s 是高速发展期阶段。计算机技术、微电子技术及管理信息技术等 高速发展为第四代d c s 形成提供了技术条件，通信技术的高速发展使整个工厂的 信息实时准确地交换变成现实，各种管理信息系统的发展为d c s 实现管理功能提 供了技术支持，现场总线技术与产品的成熟促进了d c s 系统的集成化。第四代 d c s 的主要特征是高度信息化与集成化，可以实现混合控制系统，包容f c s 并且 进一步分散化，i o 处理单元小型化、智能化、低成本，平台的开放性与应用的 6 第2 章新型d c s 系统及】e 集成技术 专业化。 2 2d c s 与f c s 的比较 2 0 世纪9 0 年代，现场总线技术的出现产生了新一代过程控制体系结构，即 现场总线控制系统f c s ，f c s 顺应了自动控制系统的发展趋势。现场总线被称为 2 1 世纪工业过程测控网络标准，它能够提供智能化、简单化、标准化的现场总 线设备接1 ：3 ，将使用户在低成本、易移植、易扩展的友好环境中进行系统设计、 安装和运行，给自动化领域带来了新的革命，有着广泛的应用领域和市场口1 。因 此，一些业内人士认为，f c s 必将替代d c s 。 f c s 打破了早期d c s 系统的结构形式。早期d c s 系统采用一对一的设备连线， 按控制回路分别进行连接盥1 。而现场总线系统采用了现场智能设备，把原来d c s 系统中处于控制室的控制模块、输入输出模块置于现场设备中，实现了彻底的分 散控制。同时，还采用数字信号代替模拟信号，可以实现一对电线上传输多个信 号，可以为多个设备供电，除现场设备以外不再需要a d 、d a 转换部件。表2 1 是d c s 与f c s 的对比情况曙1 。与d c s 相比较，f c s 从设计、安装、投运到正常生 产运行及检修维护都具有多种优势口1 ：减少硬件数量与投资，节省安装与维护费 用；节省二次开发费用，用户具有高度的系统集成主动权；提高了系统的准确性 与可靠性；有利于企业实施综合自动化策略，使企业从粗放型向集约型转化。 7 成都理工人学硕上学位论文 表2 - 1d c s 与f c s 的对比 泌 d c sf c s 一对传输线接一台仪表，单向一对传输线接多台仪表，双向传输多个信 结构 传输一个信号号 模拟信号传输不仅精度低，而数字信号传输抗干扰能力强，精度高，可 可靠性 且容易受干扰，可靠性差靠性好 操作员在控制室既不能了解模 操作员在控制室既可以了解现场设备的工 拟仪表的工作状况。也不能对作状况，也能对其进行参数调整，预测或 失控状态 其进行参数调整，导致操作员寻找故障，始终处于操作员的远程监视与 对仪表处于“失控”状态可控状态之中 尽管模拟仪表统一了信号标准用户可以自由选择不同制造商提供的性能 4 m a 2 0 m ad c ，可是大部分技术 价格比最优的现场设备和仪表，并将不同 互换性参数仍由制造厂自定，导致不品牌的仪表互连。如果某台仪表故障，换 同品牌的仪表无法互换上其他品牌的同类仪表照样能工作，实现 “即插即用” 模拟仪表只具有检测、变换和智能仪表除了具有检测、变换和补偿等功 仪表补偿等功能，成本低能外，还具有数字通信能力，并且具有控 制和运算的能力，成本高 控制所有的控制功能集中在控制站控制功能分散在各个智能仪表中 以上比较是基于两个孤立的系统而言，着重分析了他们两者的差别。目前， 由于d c s 系统在市场的占有率相对来说还比较高，d c s 代表着传统与成熟，而f c s 代表着一种发展方向，无论从用户的角度还是技术发展的角度来说，新型的f c s 与d c s 之间并不是完全取而代之的关系，而是继承、融合和提高的关系。特别是 目前，多种现场总线标准共存，f c s 还没有统一的国际标准来作为支撑，今后一 段时间，控制系统发展趋势必然要综合d c s 和f c s 两者的优点，相互兼容。一方 面要有d c s 丰富的监控、管理功能，另一方面也发挥f c s 网络化、分散化控制的 优势。 2 3 和利时d c s 系统概述 和利时第四代d c s 系统是和利时公司集多年的研发与工程实践经验而设计 的大型综合控制系统，它是和利时公司为构建d c s 系统提供的一个解决方案。该 系统采用了目前世界上领先的p r o f i b u s - d p 现场总线技术，具有可靠性高，适用 8 第2 章新型d c s 系统及j 集成技术 性强等优点，是一个完善、经济、可靠的控制系统。系统在软件设计方面为用户 提供方便的二次开发环境，系统软件包主要由两个软件组成，一个是为主控单元 提供的c o n m a k e r 组态软件，主要用于硬件配置和算法控制；另一个是为工作站 提供的f a c v i e w 组态软件，主要用来设计工作站的监控画面。该系统的体系结构 如图2 1 所示。 嬲安麓 柜式安装 图2 - 1 和利时第四代d o s 系统的体系结构 现场控制站主要由主控单元、电源模块和通用智能i o 模块等构成n 引。主控 单元f m 8 1 l 为单元式模块化结构，它具备较强的数据处理能力和网络通信能力， 是d c s 系统现场控制站的核心单元。f m 8 11 能够支持冗余的双以太网结构，通过 以太网与d c s 系统的监控服务器相连。为了进一步提高系统的可靠性，主控单元 自身也是冗余设计，主控单元和冗余控制单元互为热备份。f m l 9 1 电源模块是一 种开关电源，体积小、重量轻、变换效率高，它为d c s 系统现场控制站的i o 模 块和现场仪表提供+ 2 4 v 电源“钔。通用智能i o 模块包括模拟量输入输出模块、 热电阻输入模块、脉冲输入模块、数字量输入模块和数字量输出模块等。f m 8 1 1 提供有p r o f i b u s d p 现场总线接口，通过它通用智能i o 模块可以与主控单元进 行通信，完成数据的采集与控制。在d c s 的底层测控网络设计时，一般都是按照 柜式安装的方式进行布线。机柜一般分为两类，一类是控制柜，另一类是接线柜。 控制柜里一般都是用来安装主控单元和i o 模块的，而接线柜就是用来与现场仪 器仪表进行连线。 9 成都理工大学硕上学位论文 2 4 现场总线与d c s 系统集成 为了能集成智能仪表和设备，就需要熟悉仪表和设备与外界交互的方式和信 号类型。目前，这些智能设备一般都支持多种现场总线。因此，研究现场总线及 其接入原理为d c s 系统集成智能仪器仪表提供了理论依据。 2 4 1 现场总线概述 根据国际电工委员会和现场总线基金会的定义，现场总线是连接现场智能设 备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络瞳钔。有通信就必须 有协议，现场总线实质上是一个定义了硬件接口和通信协议的标准，它遵循 i s o o s i 开放系统互连参考模型的全部或部分通信协议，是自动化领域内计算机 的局域网引。 随着现场总线的发展，在激烈的竞争中出现了多种总线共存的局面，每种总 线都有其产生的背景和应用领域。目前，几种有影响力的现场总线是基金会现场 总线( f f ) 、l o n w o r k s 总线、p r o f i b u s 总线、c a n 总线和h a r t 总线啪1 。本文主 要涉及到p r o f i b u s 总线和h a r t 总线。 p r o f i b u s 总线是p r o c e s sf i e l db u s 的缩写，他是由以西门子为首的1 3 家公 司和5 家科研机构在联合开发的项目中制定的标准化规范n 孤。1 9 9 6 年，p r o f i b u s 成为德国国家标准d i n l 9 2 4 5 ，同时又是欧洲标准e n 5 0 1 7 0 。p r o f i b u s 支持主从 方式，纯主方式以及多主多从的通信方式，主站对总线具有控制权，主站间通过 传递令牌来传递对总线的控制权，取得控制权的主站可以向从站发送和获取信息 咖。p r o f i b u s 可以采用总线型、树型、星型等网络拓扑，总线上最多可挂接1 2 7 个站点。系统配置的描述包括：站数、站地址、输入输出地址、输入输出数据 格式、诊断信息格式以及所使用的总线参数。p r o f i b u s 行规的制定为遵循 p r o f i b u s 协议的设备之间的互操作奠定了基础，通过对设备指定符合p r o f i b u s 行规的过程参数、工作参数、厂家特定参数，设备之间就可以实现互操作比1 。 p r o f i b u s 由三个兼容部分组成，即p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s p a 和p r o f i b u s f m s 。 其中，p r o f i b u s - d p 最大传输速率为1 2 m b s ，采用r s 一4 8 5 传输，应用于现场级， 适用于自动化控制系统与现场设备之间的实时通信。p r o f i b u s f m s 应用于车间 级，有被以太网取代的趋势。p r o f i b u s - p a 专为过程自动化设计，可用于有爆炸 危险的环境中。 h a r t 是h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r 的缩写。最早由r o s e m o u n t 公司开发并得到8 0 多家著名仪表公司的支持，1 9 9 3 年成立了h a r t 通信基金会h 引。 这种被称为可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，在4 2 0 m a 的模拟信号 1 0 第2 章新型d c s 系统及其集成技术 上叠加频移键控( f s k ) 数字信号，实现在现有模拟信号传输线上的数字通信， 属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，因而在当前具有较强的市场 竞争力h 1 。它有3 类命令：第l 类称为通用命令，这是遵循h a r t 协议的所有设 备都理解的命令；第2 类称为一般行为命令，适用于遵循h a t r 协议的大部分设 备；第3 类称为特殊设备命令，以便在某些设备中实现特殊功能，这类命令既可 以在基金会中开放使用，又可以为开发此命令的公司所独有。h a r t 采用统一的 设备描述语言d l l ，现场设备开发商采用这种标准语言来描述设备特性，由h a r t 基金会负责登记管理这些设备描述并把它们编为设备描述字典，主设备运用d l l 技术来理解这些设备的特性参数。h a r t 能利用总线供电，可满足本质安全防爆 要求铂。 2 4 2 现场总线集成于d c s 系统 到目前为止，工业领域中仍然使用着大量的模拟仪表和集散控制系统。由于 技术发展的连续性和继承性，现场总线控制系统的出现，不会使其他系统很快消 失。因此，在很长一段时间，现场总线式数字仪表不可能完全取代模拟仪表， 现场总线控制系统也不可能完全取代集散控制系统。实际上，目前利用现场总线 技术，不仅仅是用数字仪表代替模拟仪表，关键是用新一代的现场总线技术改进、 完善或部分代替传统的集散控制系统，实现智能仪表、通信网络和控制系统的集 成副。 现场总线控制系统和d c s 集成主要体现在现场通信协议的相容和组态、监 控、操作软件的统一，目前部分d c s 也开始采用现场总线技术对自身进行改造， 产生了一些d c s 和现场总线相结合的新型混合集成系统，实现现场总线和d c s 集 成主要有三种方式： ( 1 ) 现场总线集成在d c s 的i o 设备层 d c s 的现场测控层的i o 总线上，挂有d c s 主控单元和各种i o 卡件，i o 卡件用于连接现场4 2 0 m a 仪表信号、开关量。现场总线集成在d c s 的i 0 设备 层上，即通过接口卡将现场总线挂接在d c s 的i 0 总线上，来完成两者信息的映 射。也就是说，现场总线的数据信息通过此卡映射为d c s 的i o 总线可以识别的 数据信息，使得在d c s 主控单元所看到的现场总线来的信息就如同来自一个传统 的d c s 卡件一样n 引。反之，从d c s 发送的控制命令也一样。它主要适用于d c s 系 统己经安装并且稳定运行，而用现场总线对原系统进行小容量扩充的场合m 。 这种方式优点是结构比较简单，只需安装现场总线接口卡，无需改变或升级 d c s 系统。同时，可以利用已有d c s 的技术和资源，投资少、见效快，便于推广 现场总线的应用 1 0 o 缺点是这种方式限制了d c s 所能获取的信息，无法利用现场 设备中大量的状态信息，集成规模受到现场总线接口卡的限制。 成都理工人学硕士学位论文 结合油田原油综合处理站的实际情况，本文采用这种系统集成方法实现现场 总线仪表和设备接入d c s 系统。图2 - 2 给出了在d c s 系统的i o 总线上集成现场 总线的原理图。 操作员站工程师站 现场总线通信接口 作为l o 卡件 现场总线设备。如p i g , 融j 江仪表 图2 - 2 在d c s 系统的i 0 总线上集成现场总线 ( 2 ) 现场总线通过专用网关与d c s 系统的集成 这种集成方式通过专门设计的网关接口实现现场总线网络和d c s 系统的完 全双向连接，即d c s 操作员站能访问现场设备中的所有信息，而现场总线也能获 取d c s 提供的各种信息。因此，实现了通信协议的转换和信息的互访。图2 3 是现场总线通过专用网关与d c s 系统集成示意图。此外，在这种集成方式下，现 场总线的控制功能更加独立，可以构成一个脱离于d c s 的完整f c s 系统，实现彻 底地分散控制n 利。这种方式主要适用于规模较大的控制系统，能有效保护用户对 d c s 的先期投资n 副。d c s 负责监控、优化控制、协调管理等较复杂的应用，是主 控系统，而f c s 负责现场设备层的数据采集和闭环控制并将设备的状态、诊断信 息实时地传送至d c s 。 这种现场总线系统通过网关集成到d c s 的方式，两系统可以相互独立，也方 便将来产品的更新换代时替换掉d c s ，而不必对已有的f c s 进行改动，有利于逐 渐过渡到f c s 系统n0 1 。这种方式的优点是系统扩展性较好，便于利用d c s 的组态 监控软件，缺点是结构较复杂，对网关接口技术要求很高，此接口要完成双向的 1 2 第2 章新型d c s 系统及其集成技术 协议转换，为d c s 和现场总线提供透明的数据访问n 钔。当现场总线系统结构改变 时，网关要进行相应设置n 1 。 操作员站工程师站 操作员站工程师站 图2 _ 3 现场总线通过专用网关与d o s 系统集成 ( 3 ) 现场总线服务器通过l a n 集成到d c s 的网络层 除了以上两种集成技术，还可以在d c s 的网络层集成现场总线，如图2 - 4 所 示。挂接在d c s 网络上的现场总线服务器实际上是一台安装了现场总线接口卡和 d c s 网络接口卡的计算机n 0 1 。在这种方案中，现场仪器仪表通过现场总线与