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計算機控制系統
計算機控制系統
一、信息和控制通訊網絡
DCS控制系統信息和控制通訊網絡早期常單獨采用IEEE802．4令牌總線網或IEEE802．5令牌環網等實時性較好的局域網。但是不論國內還是國外，目前使用最多的卻是IEEE802．3CSMA/CD以太網，尤其是在事務處理、辦公自動化領域內，受Intel、SUN、HP、DEC、Xerox等諸多信息產業*公司青睞的以太網的應用更加廣泛。TCP/IP是一套定義各計算機如何通過網絡進行通訊的協約。TCP傳輸控制協議對應于ISO/OSI模型中的傳輸層，負責將數據消息分組成將被IP層傳輸的數據包，以及將從IP層接收的數據包重新組合為完整的消息并進行校驗的協議。TCP可提供在連至網絡上不同計算機上運行的進程間的可靠、面向連接的通訊。IP網際協議對應于ISO/OSI模型中的網絡層，負責將數據消息拆分為包，并將這些包從發送者按一定路徑傳輸到目的網絡或站點，然后在目的地將包重新組合成原始的數據消息。TCP/IP是目前所實現的最成功的網絡協約，是Internet互連網的基礎。對該通訊協約的支持內置于所有操作系統中。在數據鏈路中所用硬件對TCP/IP應用均是透明的。TCP/IP已經成為網絡（包括Internet)上進行數據傳輸的事實標準。該協約的全球標準化確保了系統的耐久性和互用性（interoperability,即計算機系統組件能在不同的環境中使用的能力）。鑒于此，為解決系統開放性問題，DCS制造商在原專用網絡的基礎上另加上一條TCP/IP以太網，以實現互用性、數據和資源的共享。如此一來，DCS網絡變得更為復雜起來。
IT(信息技術）潛在的巨大效益已廣為人知，迫切需要將電站控制系統和精尖信息技術集成一體。一體化的系統要求采用能滿足數據吞吐量更大，且數據傳輸速率更高的通訊網絡，但是控制系統對通訊網絡實時性的要求也要同時得到保證。符合IEEE802.3μ標準的100Base-T快速以太網和符合ANSI X3T12標準的FDDI（光纖分布數據接口）是市面上可見的較為成熟的高速網絡，其傳輸速率均高達100Mbps。但是，快速以太網仍然采用CSMA/CD介質訪問方式，由于共享介質，隨著網絡負載的增加，出現沖突的概率增大，傳輸延遲也隨著變長，并帶有明顯的隨機性和不確定性。據有關測試報告證實，快速以太網的傳輸延遲具有抖動大和隨機的特點，這是將快速以太網應用于實時控制系統領域的一個潛在不利因素。FDDI技術比快速以太網技術成熟，是當今最為成熟的網絡技術（FDDI國際標準化已有6年）。FDDI采用的傳輸介質是光纖。最基本的FDDI網絡是由兩個相互獨立的環（稱為雙環）構成。雙環連接到網絡中的每一個站上,如圖1所示。
FDDI傳輸介質使用多模光纖時，兩站間不需中繼器，其最大間距為2km；若使用單模光纖，站間最大傳輸距離則高達60km。FDDI的環形距離最大為200km，可連接站點數達500多個。其*的雙環技術支持雙環的備份，即在正常情況下，只有主環（Primary Ring)在工作，另一環作備份（Backup Ring),當主環發生故障時備份環能及時啟動，保證FDDI網絡繼續運行，用戶網絡傳輸因而不受影響，大大提高了網絡的可靠性。并且這種雙環的故障檢測和主副環的切換對用戶是*透明的，即從用戶的角度看僅僅是一個網絡。FDDI本身所具有的容錯特性和冗余的網絡設備保證了網絡的高可靠性，令牌傳送保證了實時性。FDDI以其內在的可靠性機制、高速和技術成熟等特點，在高可靠性的網絡工程中發揮著越來越重要的作用，已成為要求實時、安全、處理數據量大的要害部門的商業和信息網絡應用中最為廣泛采用的網絡結構，商用航空器航空電子設備系統等專用系統也是采用了FDDI。各主要系統制造商都為其主機提供了FDDI網絡接口，如IBM、DEC、HP、SUN、SGI等公司的主機都能提供FDDI接口連接設備。
FDDI速率和容量是普通控制網絡的10~20倍，全冗余結構，以100Mbits/s速率工作，可在長達200km距離范圍內每秒實時處理2×105點。
正是基于FDDI的可靠、冗余、實時和容錯等特性考慮，西屋過程控制公司在其新一代的DCS－Ovation系統中采用高速FDDI作為其標準通訊主干，構成新型計算機控制系統的信息和控制網絡的基礎。
FDDI網絡用于控制系統領域的重要意義遠遠超出了其出色的性能特性。這是因為FDDI業已成為商業標準，許多商用信息系統都用的是這一通訊協約，因而不必象常規的控制高速公路還需通過橋接器和眾多的信息網絡相連。在控制系統網絡結構上的這點突破，可使最終用戶不需用常規DCS結構中所必須的專用網關和復雜的網絡接口協約，就可輕易地將多個網絡互連在一起。如Ovation的FDDI網絡允許公司內部及過程控制網絡無縫的共享有價值的實時信息，而不會有任何限制。因而其信息系統和控制系統合二為一、二位一體，省去了這兩個功能集成的開銷，消除了影響企業內部信息有效流動和運用上的傳統障礙，使用戶可以實現國際水準的企業運作和競爭力。該系統確保多年的信息技術規劃不會受到兼容性或過時問題的阻礙困擾，電站用戶可以隨時選用技術產品，并將它集成在系統中。用市面上常見的安全路由器和橋接器,通過標準Internet和Intranet通訊協約，可以在LAN/WAN（局域網/廣域網）和電站控制系統FDDI間建立通訊。如此，電站用戶就可以和全球任何公司、任一地點的專家進行信息交流，實現系統遠方診斷等多種功能。網絡安全可由包過濾、應用網關、代理服務、身份驗證等防火墻技術的實施來保障。
二、多功能控制器
全球PC的發展日新月異，大約每6個月左右就有新一代PC問世。目前的PC在工業控制領域極富競爭力，其產品價格更低、魯棒性更好、運算處理速度更快。現在許多商業化的計算平臺，如帶緊湊型PCI總線的工業PC，其MTBF已達10年以上，其運行性能和可靠性等于甚至超過了普通的DCS和PLC硬件。奔騰硬件的性能甚至超出最快的PLC達20倍之多。由于PC價格性能比*，可靠性又強，所以PC在工業控制領域中又卷土重來，在控制方面又已嶄露了頭角，螺旋式上升到了一個新的水平。如美國Olin公司化工廠就用PC作為控制器直接控制生產過程，節省了很多投資，據其公司介紹，一個2592個模擬輸入、484個模擬輸出、656個數字輸入及1088個數字輸出的系統，如用常規DCS，則DCS廠家的報價為220萬美元，而用以PC（486）為基礎的控制網絡系統進行直接控制，包括軟件在內僅需50萬美元，其投資比為4：1。另如Ovation系統中控制器采用的是帶標準32位PCI擴展總線的冗余奔騰PC控制器。控制器結構即是標準的英特爾奔騰個人計算機結構，背板為PCI總線，不含任何一種用戶設計的硬件在內。控制器處理容量為4000點，掃描時間快達5ms。由于控制器為一個PC，以后英特爾公司的新一代PC產品可實現“即插即用"。更重要的是用戶可以隨時隨意更新控制器,簡單地將CPU模塊替換為利用生產的最新一代微處理器即可。以PC為基礎的控制器可以執行簡單或復雜的模擬或順序控制策略，完成數據采集功能，在處理重要任務時可實現全冗余。采用以PC為基礎的控制器,其之一是其較專用化的控制器硬件有著更多的靈活性，如可以實現靈活組態。PC硬件組態的改變極其容易，從而使第三方設備的安裝簡單可行。此外，采用開放的PCI總線結構可以使用戶選取許多設計運行于標準PC總線上的系列設備。由此可見，傳統的DCS控制器向PC的過渡轉換已是不可逆轉的趨勢。
三、人機接口站
人機接口站應集成商業信息，改善操作性能，應建立功能強大、直觀、高效的人機界面。具體說，應達到減少工程時間和成本、信息開放通暢、改善操作員的勞動生產率和工作效率，操作環境直觀且一致以簡化培訓要求、保護用戶投資的目的。計算機控制系統的人機界面主要有兩種，一是以PC為基礎的接口站，另一是UNIX型工作站。這兩種平臺都具有良好的性能，具有*的多任務處理能力。PC型平臺主要采用應用較廣的微軟Windows NT或Windows 95/98真正32位操作系統，具有實用化的“對象鏈接和嵌入"（OLE）、“拖－拽"（drag-drop)等功能。如霍尼韋爾工業自動化控制公司的PlantScapeTM/S9000系統和TPS系統均采用此類平臺。工作站型平臺主要采用SUN微系統公司強大的Solaris操作系統。64位的工作站已面市多年，技術成熟，其處理能力更加強大，如最近FOXBORO公司已正式選用SUN公司Ultra SPARCII RISC CPU型64位工作站作為其I/A Series 系統的操作員站。
Java是由Sun微系統公司開發研制的新型編程語言，采用解釋性語言。它不僅具有面向對象、結構中立、平臺無關性、多線程、圖形界面友好、交互性能強、支持多媒體信息、良好的可移植性、可靠、穩固、安全等特性，還支持數據分布和操作分布兩種分布性，具有適合于分布式計算環境的網絡特性，能以獨立于平臺的形式支持對Internet和World Wide Web的編程，是網絡時代最重要的語言之一。Java接口獨立于各種平臺，允許諸如Windows 3x、Windows 95、
UNIX或Macintosh OS等各種操作系統訪問電站控制系統中的過程圖形和數據，與Java兼容的Web服務器提供了與Internet等網絡的接口。Ovation的用戶接口采用的是各種不同的硬件結構和操作系統，均需運行在網絡環境下。為此，Ovation采用Java型用戶接口，消除了二進制分布和軟件沖突，使其用戶接口具有結構中立、可移植性，從而允許通過公司的Intranet網將Ovation的模擬圖、趨勢圖或歷史數據以只讀的格式在任一計算機平臺上實時顯示，而不在乎該計算機采用的是何種操作系統。綜上所述，Java服務器應用前景廣闊，必將在控制信息系統中大顯身手。
四、I/O及編程和系統組態工具
I/O子系統應具有快速安裝、易于組態、運行和維修成本低的基本特點。此外，應采用*的電子元器件和生產工藝，降低功耗，減少發熱量，延長壽命，降低能量和HVAC成本。隨著現場總線技術的發展，商業化的擴展，標準的統一，以及智能化現場儀表與智能化執行終端的普及，I/O子系統將會完成自身的歷史使命，逐漸消失。
編程和系統組態工具應對用戶友好，功能組態軟件模塊化，軟件透明度高，提供功能強大的軟件工具包，使用方便，符合相關國際標準，如IEC1131等。采用嵌入式的關系數據庫管理軟件以確保全系統范圍內數據的一致性和數據訪問的便利性。數據庫管理應采用現成的、流行的數據庫管理軟件，如Oracle、Informix、DB2等。