从霍尼韦尔DCS的变迁看过程自动化控制系统的发展趋势

从霍尼韦尔DCS的变迁看过程自动化控制系统的发展趋势

摘要

本文主要通过回顾霍尼韦尔公司DCS系统的30多年发展历程，重点介绍霍

尼韦尔新一代ExperionPKS系统的一些主要特征，以此分析工业自动化过程控制

系统的发展趋势。

关键词:DCS；TDC200；TDC300；ExperionPKS；控制网络;过程控制器;

集散控制

目录

摘要...................................................................1

目录...................................................................1

1.前言..............................................................2

2.霍尼韦尔公司DCS回顾.............................................2

2.1.TDC2000系统..................................................2

2.2.TDC3000系统..................................................3

2.3.TPS系统......................................................5

3.新•彳弋控制系统ExperionPKS.................................................................................6

3.1.分布式系统架构DSA.......................................................................................7

3.2.新一代过程控制器--C300................................................................................8

3.3.新一代过程控制网络-FTE............................................................................10

3.3.1.FTE网络特点...........................................10

3.3.2.ExperionPKS网络安全...................................11

3.4.txpenonPKS平台大量新技术的使用............................12

4.总结.............................................................13

参考文献.............................................................14

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1.前言

自从霍尼韦尔公司在1975年推出世界上第一套DCS系统TDC2000至今已经

过去30多年的时间，过程自动化控制系统发生了巨大的变化。回顾一下霍尼韦

尔公司DCS系统的变迁过程，关注霍尼韦尔新一代ExperionPKS系统，对我们了

解当前DCS发展动态，把握将来的发展趋势具有非常积极意义。

2.霍尼韦尔公司DCS回顾

DCS控制系统就是集散控制系统，在二十世纪七十年代被研发出来并在各行

各业得到了广泛应用。随后，在二十世纪八十年代，我国自主研发的DCS控制系

统也横空出世，并且推动了我国工'业化进程。随着我国科学技术的发展水平不断

提高，加快了我国DCS控制系统的研发步伐，使我国的工业生产在应用DCS控

制系统时，提高了工业生产的产品质量和生产效率。

为了更好地实现工业自动化控制，我们有必要对当今我国工业自动化控制的

现状进行了解和分析，从而在今后的工业化进程中，大力应用自动化控制，促进

我国工业健康，可持续发展。就目前来看，当今的工业自动化控制的主要控制系

统有PLC控制系统和DCS控制系统以及工业PC挖制系统。

2.1.TDC2000系统

在1975年霍尼韦尔公司推出TDC2000系统以前，过程工业控制还处在过程

仪表自动化控制时代，国外使用电动仪表，而国内还处于主要使用气动仪表，刚

开始尝试使用电动仪表阶段。生产过程对自动化控制要求相对较低，主要是保证

生产稳定及相对安全运行。无法或难以实现复杂控制，更谈不上先进或优化控制,

生产效率相对较低，能耗大，产品成本高。尽管这时已经出现了各种型号的计算

机，并且很多人试图将计算机用于过程控制，但是由于没有很好地解决由于计算

机故障而带来的生产损失和安全隐患问题，因而无法真正实现将计算机用于生产

过程控制。

TDC2000的推出，其重要意义在于提出并实现了集散控制的概念。集中操作

和管理，实现各回路或设备之间更加协调运行，以提高生产运行稳定性和安全性;

分散控制，实现危险分散和隔离，并且易于安装和维护。

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30多年的实践证明，集散控制概念是计算机过程控制的一个基本原则。这

个概念不仅今天没有过时，而且在以后相当长的时期内都将是计算机过程工业控

制的一个主导路线。

根据集散原则，整个TDC2000的基本功能分布.特点是：控制网络采用单层

冗余结构；操作站负责操作与处数据存储；不同的控制器实现不同的过程控制等

等。这种基本功能分布至今还被有些控制厂商的DCS所采用的。

TDC2000产生了兰时控制系统领域很多重要成果，如现在很平常的冗余控制

器，冗余控制网络(DH-DataHiway),人机界面等。

单从控制功能上看，TDC2000主要实现了用计算机控制取代传统的仪表控

制，还不能实现先进或优化控制，并且控制规模还是较小，仅适合一套生产装置

控制。

图1TDC2000系统结构

2.2.TDC3000系统

1982年Honeywell发布TDC3000BASIC系统，它是在TDC2000基础上增加一

条LCN(LocalControlNetwork)网络，构成LCN+DH双层控制网络架构。并将操作

与数据存储管理功能移到LCN网上，在DH网上只连接控制器。

1986年Honeywell发布TDC3000标准系统，它增加一条UCN(UniversalControl

Network^网络用于取代DH网络。我们现在通常所说的TDC3000系统就是

LCN+UCN结构的系统。

TDC3000重新对功能进行划分，在LCN上增加应用模件AM(Application

Module)用于高级控制；增加PLNM(PlantNetworkModule)与VAX计算机的接口

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模件用于优化控制；将操作站与数据存储管理分开，增加了历史模件HM(History

Module)；推出万能操作站US(Universalstation)在UCN上推出著名的PM系列控

制器，同时引入安全系统SM(SafetyManager)用于工厂紧急安全停车。

图2TDC3000系统结构

TDC3000作为最为典型DCS系统，进一步体现了集散控制理念，主要特点有:

满足较大规模生产需要，两层控制网络架构，每条LCN可以连接10条UCN,

每条UCN可连接32对冗余控制器。还可以将64条LCN通过NG连起来。

三层控制平台

l)PMx实现最基础的回路调节，逻辑连锁，顺序控制以及复杂回路控制。

2)AM实现高级控制

3)VAX实现优化控制

紧急停车系统SM的引入，实现安全生产保护。

全局数据库概念，专用的历史模件

万能操作站，同时具备操作站和工程师站能力。

TDC3000最为一套最为经典的DCS系统，满足较大规模安全生产，复杂控制

和先进控制应用。被大量的应用到工业生产控制中，特别是很多石油化工大型联

合生产装置。

TDC3000进一步体现了集散控制系统理念，其很多设计思想在霍尼韦尔最新

的控制系统中继续得到应用。

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2.3.TPS系统

从上世纪90年开始，计算机特别是基于MSWindows操作系统的PC机在工

业企业大量使用，大大推动了企业信息管理应用水平。由于生产信息管理需要大

量过程数据，这就要求DCS系统能够走向开放，与工厂信息系统集成，实现管理

控制一体化。

霍尼韦尔公司TPS(TotalPlantSolution)系统从1995年开始研发，1996年正式

宣布推出。

其主要目的就是控制系统从以前的不开放逐步走向开放，并实现管控一体化

的目的。TPS保持TDC3000系统的基本架构，控制网络还是使用LCN+UCN双层

网结构，使用HPM过程控制器，紧急停车系统采用FSC。在人际界面及高级应

用平台上开始使用基于MSWindowsNT操作系统的PC开放平台。就是用

GUS(GlobalUserStation)操作站取代原来的US操作站：fflAPP(Application

ProcessingPlatform)取代原来的AM。这是世界上第一次正式将微软公司的

Windows操作系统用于DCS系统，从此基于Windows操作系统逐步成为集散控

制系统中集中操作和管理的主要平台。接着在1998年增加一个Uniformance

PHD(PlantHistoryDatabase)节点，从而标志着完整的TPS系统历经3年研制宣告

全部完成。

图3TPS系统结构

UniformancePHD是一个功能强大工厂实时数据库，为全厂范围数据采集、

存储和管理建立了一整套单一、开放、集成的一体化应用平台。开放型数据库系

统集成所有工厂的过程数据、商业管理数据并支持相关应用。这种全厂范围内的

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数据库结构可保障工厂的管理部门使用一致的数据。实时数据库Uniformance

PHD引入DCS系统，实现了真正的管控一体化的目标。

在系统内含有实时数据库系统，就算现在的DCS系统也少见。

3.新一代控制系统ExperionPKS

霍尼韦尔ExperionPKS是从2001年开始研发，2002年正式推出，到2006

推出最新R300版木，历经5研发最终完成的新一代过程自动化化系统。

ExperionPKS(ProcessKnowledgeSystem)称之为世界第一套过程知识系统，融

入霍尼韦尔数十年的过程控制、资产管理、领域专家的经验；融合目前最新控制

技术，现场总线，高级控制应用；融合通讯网络，计算机，数字视频等最新开放

技术；融合霍尼韦尔匚有TDC2000/TDC3000/TPS和PlantScape各自的技术优势；

集成有大量基于知识应用的平台；其目标就是通过ExperionPKS,帮助工厂提高

营运品质

(BusinessPerformance)o

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图4ExperionPKS系统

ExperionPKS系统分为ExperionPKSPlatform和ExperionPKSApplication两部

分，就是平台和应用。平台指的是传统DCS功能部分，应用指的是基于平台之上

的各种应用。如图5所示，其背景图表示平台，四角分别表示四大部分应用，过

程(PROCESS)、业务(BUSINESS)、资产(ASSETS)、人员(PEOPLE)。

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图5ExperionPKS平台和应用

ExperionPKS平台包含大量新技术，以下主要介绍ExperionPKS平台的三个

重要技术：分布式系统架构DSA,新一代过程控制器-C300,新一代过程控制网

络一FTE的功能及特点，以此分析工业自动化过程控制系统的发展的一些趋势。

3.1.分布式系统架构DSA

传统DCS的集散概念一般停留在一个生产装置以内，一个生产装置使用一套

独立控制系统，在不共工段使用不同的操作站，不同的控制器及I0进行各工段

的操作和控制。随着现代过程工业不断地往超大规模发展，每个生产装置之间的

上下游关系更加密切，对集散控制系统(DCS)提出了新的要求。不仅要求全流程

中每个生产装置相对保持独立性，以利于危险分散，独立装置开停车，易于进行

独立安装和维护。而且要求能够实现各生产装置的信息集中管理和共享，这就是

更高层次的集散控制概念。

图6ExperionPKSDSA架构

分布式系统架构DSA(DistributedSystemArchitecture)是HoneywellExperion

PKS创新技术之一。它将每个生产装置用一个称之为ExperionPKS族来控制，每

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个族具有独立的实时过程数据库(ERDB),保证每个族的独立性。多个ExperiorPKS

族通过DSA可以很容易地集成一个单一的系统中，无需重复组态，无缝集成所

有DCS数据，包括实时点数据，报警事件，操作信息，历史数据，操作权限等等。

在ERDB之上使用更高层次的企业模型数据库(EMDB),实现族之间的管理。从而

实现各生产装置的信息集中管理和共享，构成超大规模系统，并且易于扩展。

DSA可使用各种通用的网络，包括局域网、广域网。支持微波、卫星、租用

专线网络等，突破地理位置上的分散。

ExperionPKS分布式系统架构DSA,是目前唯一一个能够实现更高层次集散

控制概念的过程自动化控制系统。是集散控制系统DCS发展非常重要的一个趋

势。

3.2.新一代过程控制器--C300

过程控制器是DCS基础功能，前几年由于现场总线的发展，一些PID控制回

路下移到现场仪表中，有些人认为DCS的发展趋势是过程控制器的功能将被削

弱，将来甚至会消失。而霍尼韦尔ExperionPKS的过程控制器C300的推出说明，

过程控制器不但不会消失，而且功能会更加强大。过程控制器的发展方向就是提

高过程控制品质。

提高过程控制品质(Performance),就是以前一些无法实现自动调节，或调节

精度较差的回路，实现高精度自动调节。从而提高生产过程的整休稔定性，实现

过程品质的提高。

大家知道调节回路控制都是使用基于PID算法。PID算法发明于上世纪30

年代，基本算法已经有70多年没有改变了，全球大约99%的单回路常规控制是

由PID控制的。PID简单，快速，通用，并且灵活。但是PID也存在一些问题，

主要有：

PID难以处理那些大滞后，非线性，和强干扰的过程；

PID鲁棒性不理想，不同工况其参数是不一样的；

PID参数整定不容易；

PID会将干扰信号直接传到控制器的输出。

PID存在的问题早就被人们发现，尽管出现很多PID参数整定方法，但是无

法根本解决问题。多年来人们一直在寻找更好的控制算法来取代PID,以解决其

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不足，但均无成功。现在霍尼韦尔在ExperionPKS的过程控制器上推出了可取代

PID的过程回路调节算法Profitloop,成功地解决了PID的不足。

PV分麻笈减少50叱

图7.Profitloop效果

Profitloop是一个基于模型的预估控制，单输入单输出(SISO)的控制算法，它

来源于Honeywell's专利技术并现场使用多年优化控制，经过考验的多回路预

估控制技术ProfitSuitecontrol0

Profitloop主要特点：

子秒级执行

模型精度要求低，建模容易

模型+预测偏差纠正

回路单参数调节，使用简单

在速度与鲁棒性之间取舍

支持范围控制算法

支持局部优化控制

可极大减少阀门的移动距离

Profitloop已成功在很多现场使用，取得很好效果。生产过程品质得到明显

提高。霍尼韦尔将继续在过程控制器中增加新功能，如多进单出回路调节，或二

进二出双回路耦合控制等。

通过提高过程基本回路的运行品质，从而提高整个生产过程的稳定性，实现

过程品质的提高是过程控制器发展的一个长期趋势。

C300控制器在硬件上也有很大的突破，采用垂直设计，便于安装接线和维

护，便于散热，节省空间。

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3.3.新一代过程控制网络-FTE

随着现场智能仪表的普及，过程信息量的快速增大，大量高级应用的使用,

以及开放性和便于连接的要求，对过程控制网络也提出了新的要求：

更高速度；

开放且易于接入；

高安全性；

更低的使用及维护成本。

图8ExperionPKSFTE网络

将基于交换机的高速以太网作为现代控制系统网络成为大多数DCS厂商的

选择。把商用以太网用于工业控制网必须解决实时性、可用性、安全性三个大问

题。交换机是通过为需要通信的两台主机直接建立专用的通信信道，很好地解决

了实时性问题；可用性大部分厂商仍然采用传统控制网络的冗余思路，但在网络

故障时冗余切换时间较长，难以满足要求；以太网安全性问题是目前最为突出的

问题。

霍尼韦尔ExperionPKS系统的容错以太网FTEfFaultTolerantEthernet）是目前

唯一能够完美解决这三个大问题控制网络。

3.3.1.FTE网络特点

网络物理设备冗余配置：冗余以太网交换机；双以太网接口卡，冗余接线；

单网络架构：逻辑上不在区分A网与B网，因此不存在网络切换；

FTE节点具有多路径选择能力：使用Honeywell专用FTE软件，不断检测网

络状态，自动选择最优路径通讯。

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高安全架构：分层控制网络，控制防火墙，交换机安全设置，容许单点故障

和一些多点故障。

物理设备冗余，单网络架构和多路径选择解决了可用性问题，同时网络有效

带宽比冗余网络高一倍，网络资源得到充分利用。

3.3.2.ExperionPKS网络安全

大家知道用普通以太网作为工控网络会带来很多的好处，但是同时也带来了

风险。某些网络设备的故障、病毒或黑客的入侵可能导致泄密或网络通讯堵塞。

通用交换机无法辨别和过滤垃圾信息，不明信息在网络上可通向每一个节点，每

一个节点的收件箱都会充满这些垃圾信息。过程控制器将花费宝贵的时间去清理

这些垃圾信息，导致控制性能的降低，甚至死机，给工厂带来重大危险。

工厂网络一般分为4层，Level1到Level4层。在网络安全性上,ExperionPKS

R300版本在Levell上使用世界上第一台的控制防火墙。它是在已有可靠的网络

架构基础上，增加另外一层高安全防护，控制防火墙只允许与C300控制器有关

的信息通过，拒绝接受所有控制器不需要的信息；控制，I/O通讯，和peer-to-peer

通讯不受影响，保证确定性!如果通讯速度变慢，将对那些不重要的信息流进行

控制；易于维护。

EPKSC300及控制防火墙组合是目前唯---个己经取得新MUSIC(MuSecurity

IndustrialControlCertification)安全认证的控制器，这是一个遵循ISA-SP99安全标

准，专门针对基于IP连接的控制器进行的安全认证。

C300至制器nris-i

图9ExperionPKS控制防火墙

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在Level2这一层使用Cisco智能型交换机连接。并对其端口进行优先级配置,

与控制器连接的断口具有对高优先级，有操作站和服务浴连接端口配置为次优先

级等。同时在交换机设置具有抑制广播通讯，多波通讯和单波通讯风暴等能力。

保证在任何情况下操作站均可与控制器保持通讯。

在Level3在这一层使用路由交换机连接。

一般在大型生产装置中，ExperionPKS将独立的生产装置在L1和L2层组织

成一个独立的FTE社区(FTEcommunity),不同社区之间通过L3层路由器进行广

播域的隔离。这样可以实现大型石油化工联合生产中各装置之间的相对独立性，

避免万一网络出现信息风暴时的蔓延其它社区。同时可以实现在各独立生产装置

之间的信息共享。

Honeywell在ExperionPKS控制网络安全上考虑了目前所有已知的各种安全

隐患。同时在系统架构中已经考虑到局部可能出现物理故障时的容错能力。控制

网络受到垃圾信息风暴攻击时的隔离措施，控制信息的优先级通讯。考虑到了极

端情况发生，就是万一整个网络受攻击瘫痪，控制器C300在控制器防火墙的保

护下能够继续工作，保证生产正常进行。

3.4.ExperionPKS平台大量新技术的使用

以上仅仅是介绍ExperionPKS平台的重要核心技术中的三个。为了帮助工厂

提高营运品质，ExpericnPKS平台使用大量的新技术，新功能和基于知识的应用：

在L1层与安全系统的完全集成；

与实时数据库的完全融合；

与数字视频技术的集成；

在DCS层面内嵌符合ISAS88的批量处理功能；

为了提高操作效率，减少事故发生，系统操作站内嵌异常状态管理

ASMfAbnormalSituationManagement)协会制定的操作管理最优实践，和先进报警

管理；

系统内含程序化操作，减少操作失误，提高产品质量稳定性；

工业无线技术的集成，包括无线现场仪表，无限现场设备巡检与管理系统，

无线现场操作站，和无限现场定位系统等；

更加开放的技术，支持所有工业网络和标准；

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系统包含自动备份与恢复功能EBR(ExperionBackupandRestore),以实现万

一在基于PC的平台出现故障时保护数据和快速恢复。

集成，获取和使用大量的先进应用。

4.总结

纵观霍尼韦尔公司在过去30多年DCS变迁，可以看到工业过程自动化的发

展过程：