吳  譽(yù)

1  問(wèn)題的提出
網(wǎng)絡(luò )技術(shù)在控制系統中的應用促進(jìn)了控制系統技術(shù)的發(fā)展^[1]。在控制系統的發(fā)展過(guò)程中，從直接數字控制（DDC，Direct Digital Control）系統到集散控制系統（DCS，Distributed Control System），再到現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（FCS，Fieldbus Control System），網(wǎng)絡(luò )技術(shù)起到了十分重要的作用。在DDC系統中，沒(méi)有網(wǎng)絡(luò )。在DCS系統中，開(kāi)始使用網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接操作站、控制站等設備，正是因為使用網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，才實(shí)現了系統的分散控制。在FCS系統中，網(wǎng)絡(luò )技術(shù)進(jìn)一步向現場(chǎng)延伸，實(shí)現了現場(chǎng)儀表、執行閥等設備的數字化通信。人們期待著(zhù)以FCS為代表的新一代網(wǎng)絡(luò )控制系統取代傳統的DCS系統^{[2][3]。}
但是，人們有必要回答這樣一些問(wèn)題，什么是網(wǎng)絡(luò )控制系統？一個(gè)控制系統在多大程度上可以被稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò )控制系統？FCS和傳統DCS的本質(zhì)區別是什么？?jì)H僅因為通過(guò)大量使用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)并將許多控制功能下放到現場(chǎng)設備，就可以稱(chēng)為新一代網(wǎng)絡(luò )控制系統嗎？對這些問(wèn)題的回答，直接影響著(zhù)人們對新一代網(wǎng)絡(luò )控制系統技術(shù)的理解，影響著(zhù)網(wǎng)絡(luò )控制系統技術(shù)的發(fā)展與應用。
對于以上問(wèn)題，不能簡(jiǎn)單地通過(guò)是否每個(gè)電氣、儀表、控制設備都實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )通信來(lái)進(jìn)行回答，因為即使實(shí)現相同功能的兩個(gè)控制系統都采用了網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，它們應用網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的水平和效果也可能有很大差別，也無(wú)法知道控制網(wǎng)絡(luò )技術(shù)在多大程度上滿(mǎn)足了控制系統的實(shí)際需要。
本文提出了一種控制系統網(wǎng)絡(luò )化程度的量化計算方法，可以幫助回答以上問(wèn)題，并對控制網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展和應用水平進(jìn)行評估，幫助人們設計和使用新一代網(wǎng)絡(luò )控制系統。
2  控制系統網(wǎng)絡(luò )化程度計算方法
控制系統的根本任務(wù)是實(shí)現控制功能，因此可以根據控制功能是否能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現來(lái)計算控制系統的網(wǎng)絡(luò )化程度?？刂乒δ苁欠衲軌蛲ㄟ^(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現可以由硬組態(tài)和軟組態(tài)概念進(jìn)行表示。
2.1  硬組態(tài)和軟組態(tài)概念
一個(gè)控制功能，如果由于控制系統結構、控制網(wǎng)絡(luò )性能等原因，只能在系統某個(gè)特定的控制設備上實(shí)現，則該功能是硬組態(tài)的。反之，如果一個(gè)控制功能，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)，在多個(gè)控制設備中的任意一個(gè)上實(shí)現，則該功能是軟組態(tài)的。
顯然，如果一個(gè)控制設備不能和其他設備進(jìn)行通信，則該設備實(shí)現的所有控制功能都是硬組態(tài)的；而通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)實(shí)現的所有回路控制都是軟組態(tài)的。
2.2  控制系統網(wǎng)絡(luò )化程度計算方法
一個(gè)控制系統的網(wǎng)絡(luò )化程度，可以按公式(1)進(jìn)行計算。
 (1)
假設一個(gè)控制系統的控制功能由100個(gè)回路控制組成。如果其中50個(gè)控制功能可以分布在控制網(wǎng)絡(luò )上實(shí)現，50個(gè)控制功能必須由特定的控制設備實(shí)現，則系統網(wǎng)絡(luò )化程度是50%。
對于一個(gè)具體的控制系統，按公式(1)計算的系統網(wǎng)絡(luò )化程度和控制功能定義方法有一定關(guān)系。由于定義的不同，一個(gè)控制系統的控制功能個(gè)數可能有所不同，所計算的系統網(wǎng)絡(luò )化程度也可能不同。但是對于實(shí)現相同或相似功能的控制系統，當采用不同的控制系統結構或設計方案時(shí)，可以很容易地比較出系統網(wǎng)絡(luò )化程度的差異。
使用公式(1)，可以比較DDC、DCS以及FCS三種控制系統的網(wǎng)絡(luò )化程度。DDC的控制是完全集中式的，沒(méi)有使用網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)，沒(méi)有任何一個(gè)控制功能可以實(shí)現軟組態(tài)，因此系統網(wǎng)絡(luò )化程度是0。DCS系統具有網(wǎng)絡(luò )通信功能，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )可以實(shí)現監控、過(guò)程優(yōu)化等功能，系統網(wǎng)絡(luò )化程度和DDC相比有了顯著(zhù)提高。但在DCS系統中，大量回路控制功能只能由特定的控制站完成，系統網(wǎng)絡(luò )化程度總體水平較低。在FCS系統中，在DCS系統中必須由控制站實(shí)現的大量回路控制功能可以下放到現場(chǎng)儀表和執行閥等設備中，系統的網(wǎng)絡(luò )化程度又有了明顯提高。
3  影響控制系統網(wǎng)絡(luò )化程度的因素
公式(1)計算的控制系統網(wǎng)絡(luò )化程度，并不是以控制系統中是否每一個(gè)控制設備都實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )通信為依據的。那么，有哪些因素會(huì )影響到一個(gè)控制系統的網(wǎng)絡(luò )化程度呢？最主要的因素有如下兩點(diǎn)。
(1)  控制網(wǎng)絡(luò )性能是影響控制系統網(wǎng)絡(luò )化程度的決定性因素。
控制網(wǎng)絡(luò )性能中很重要的一個(gè)性能是最快實(shí)時(shí)通信周期。如果控制功能是軟組態(tài)的，則其相關(guān)控制信息必須在控制網(wǎng)絡(luò )上進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送，網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)通信周期必須滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制周期的要求。如果控制網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)傳送周期慢于其控制周期，控制功能就不可能實(shí)現軟組態(tài)。
影響控制系統網(wǎng)絡(luò )化程度的另一個(gè)網(wǎng)絡(luò )性能指標是通信速率，它決定了單位時(shí)間內網(wǎng)絡(luò )上最大控制數據傳送信息量。如果在一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò )上需要實(shí)現100個(gè)控制回路，但由于通信速率的限制，只能實(shí)現50個(gè)控制回路的實(shí)時(shí)通信要求，那么即使任意一個(gè)控制回路在理論上都是軟組態(tài)的，系統總的網(wǎng)絡(luò )化程度不會(huì )超過(guò)50%。
在傳統DCS系統中，控制網(wǎng)絡(luò )通信速率低、實(shí)時(shí)性較差是影響其網(wǎng)絡(luò )化程度提高的一個(gè)十分重要的原因。一方面DCS控制網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)通信周期通常在100毫秒以上，許多回路控制周期難以滿(mǎn)足；另一方面，由于網(wǎng)絡(luò )通信速率較低，無(wú)法支持大量控制數據實(shí)時(shí)傳輸，大量的系統控制功能不可能通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現，只能由特定的控制站完成。
(2)  控制系統的設計方式對控制系統網(wǎng)絡(luò )化程度有明顯影響。
一個(gè)典型的使用Profibus控制網(wǎng)絡(luò )的PLC控制系統如圖1所示。這種控制系統由于設計方式不同，系統的網(wǎng)絡(luò )化程度可能就有明顯不同?？梢栽O想兩種系統設計方式。 

圖1  使用Profibus的PLC控制系統典型結構

在方式一中，PLC有非常明確的分工，特定的控制功能在設計開(kāi)始時(shí)被明確地安排在某個(gè)PLC上。操作站和PLC之間的通信主要用來(lái)實(shí)現過(guò)程監控，PLC之間的通信主要實(shí)現設備安全互鎖等功能。一旦系統設計完成，在某個(gè)PLC上實(shí)現的控制功能很難轉移到其他PLC上；一個(gè)控制功能實(shí)現位置的改變，意味著(zhù)大量控制程序的重新設計。在這種系統中，由于大量控制功能難以實(shí)現控制設備之間的轉移，硬組態(tài)比例相當高，整個(gè)控制系統的網(wǎng)絡(luò )化程度不高。
在方式二中，每個(gè)控制功能的實(shí)現都是面向網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行設計的，只是在系統設計的最后階段控制功能才被安排在某個(gè)具體的PLC上實(shí)現。當需要時(shí)，一個(gè)控制功能可以方便地由一個(gè)PLC轉移到另一個(gè)PLC上實(shí)現。整個(gè)系統的網(wǎng)絡(luò )化程度相當高。
由此可見(jiàn)，按照公式(1)進(jìn)行計算，一個(gè)控制系統的網(wǎng)絡(luò )化程度，和是否每個(gè)控制設備都使用了網(wǎng)絡(luò )技術(shù)沒(méi)有直接關(guān)系。由公式(1)計算的網(wǎng)絡(luò )化程度，更能反映控制系統中網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的應用狀況。
4  控制系統網(wǎng)絡(luò )化的優(yōu)點(diǎn)
從影響控制系統網(wǎng)絡(luò )化程度的因素可以看到，即使控制系統采用了相同的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，由于系統設計方式的不同，系統網(wǎng)絡(luò )化程度也可能有較大的差別。那么根據公式(1)，控制系統對高網(wǎng)絡(luò )化程度的追求，可以為系統帶來(lái)哪些優(yōu)點(diǎn)呢？
控制系統網(wǎng)絡(luò )化程度的提高，主要有如下優(yōu)點(diǎn)。
(1)  提高了系統功能的可分散性
網(wǎng)絡(luò )化程度高的控制系統，硬組態(tài)控制功能比例小，更多的控制功能可以由一個(gè)控制設備分散到其他控制設備中執行，提高了控制系統的分散性。理論上，任何一個(gè)具有軟組態(tài)特點(diǎn)的控制功能，都可以在一個(gè)獨立的控制設備中完成?？刂葡到y的網(wǎng)絡(luò )化程度越高，其可達到的分散程度就越高。
(2)  提高了系統功能的可集中性
如果系統的控制功能是軟組態(tài)的，不僅意味著(zhù)它可以由一個(gè)設備分散到另一個(gè)設備中執行，同時(shí)也意味著(zhù)在多個(gè)設備中的具有軟組態(tài)特點(diǎn)的控制功能，可以集中到同一個(gè)控制設備中實(shí)現，提高了系統控制功能實(shí)現的可集中性。系統功能的實(shí)現并不是越分散越好，適當的集中也有其優(yōu)點(diǎn)，控制系統的高度網(wǎng)絡(luò )化為實(shí)現集中與分散的合理統一創(chuàng )造了條件。
(3)  增強了系統的開(kāi)放性
應用協(xié)議開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，可以實(shí)現不同廠(chǎng)家產(chǎn)品之間的集成。這種開(kāi)放性的核心體現是系統組織形式靈活，可以選擇不同廠(chǎng)家、不同型號的設備實(shí)現控制功能。如果控制功能是硬組態(tài)的，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現系統的開(kāi)放性?xún)H僅體現在系統設計時(shí)設備的選擇；如果控制功能是軟組態(tài)的，則無(wú)論是系統設計時(shí)還是系統已經(jīng)投入使用后，都可以采用不同廠(chǎng)家的設備或不同型號設備去實(shí)現該功能，系統都具有良好的開(kāi)放性結構，可以靈活地對系統功能的實(shí)現方式進(jìn)行組織。
(4)  系統功能可移植性增強
一個(gè)控制系統，如果大多數功能是軟組態(tài)的，意味著(zhù)控制功能對系統硬件結構的依賴(lài)性很低，可以更方便地將控制功能從一個(gè)控制設備移植到另一個(gè)控制設備中，系統的可移植性增強。反之，如果系統的硬組態(tài)比例高，大量控制功能直接依賴(lài)設備的硬件功能和結構，則系統功能的移植要付出更多的工作。
(5)  提高了系統應用先進(jìn)工藝和控制技術(shù)的能力
在許多應用領(lǐng)域，有些關(guān)鍵控制功能實(shí)現復雜、需要較大計算量。如果該功能是硬組態(tài)的，則其實(shí)現將受到設備計算能力的限制。當系統采用更先進(jìn)的控制工藝或控制算法時(shí)，將可能由于設備計算能力的限制難以實(shí)現。如果該功能是軟組態(tài)的，則可以靈活方便地為系統增加計算能力更強的設備完成該功能，從而促進(jìn)先進(jìn)工藝和控制技術(shù)的應用。一個(gè)控制系統采用先進(jìn)工藝和控制技術(shù)的能力，也是系統開(kāi)放性的重要體現和衡量標準。
(6)  降低系統維護費用
在硬組態(tài)比例高的系統中，控制功能難以從一個(gè)設備轉移到一個(gè)新設備上，一個(gè)設備難以被不同型號的新設備所取代。為了長(cháng)時(shí)間維護系統的正常生產(chǎn)，生產(chǎn)現場(chǎng)必須維護大量的設備備件，所需備件費用甚至超過(guò)購買(mǎi)最新型號設備的的費用。在網(wǎng)絡(luò )化程度高的系統中，一個(gè)設備實(shí)現的絕大多數控制功能，可以方便地轉移到其他控制設備中來(lái)完成。當替換一個(gè)控制設備時(shí)，系統硬件和控制程序所需調試時(shí)間大大縮短，在系統定修時(shí)間，一個(gè)舊設備就能夠被最新型號的更先進(jìn)的設備所取代，系統設備維護成本顯著(zhù)降低。
(7)  降低系統改造成本
在傳統結構的控制系統中，由于操作站、控制站、PLC等控制設備的老化，配件難以購買(mǎi)等原因，會(huì )引起控制系統的大規模設備改造。在高度網(wǎng)絡(luò )化的控制系統中，大量控制設備的更新?lián)Q代可以在日常維護中逐步進(jìn)行。當系統設備需要改造時(shí)，也可以盡量控制在一個(gè)較小的局部范圍內，從而有效減少企業(yè)的停產(chǎn)時(shí)間，降低系統改造成本。
由以上優(yōu)點(diǎn)可以看到，控制系統實(shí)現高度的網(wǎng)絡(luò )化，可以顯著(zhù)提高控制系統的性能價(jià)格比，切實(shí)提高企業(yè)的效益，它將改變控制系統的設計和維護方式。這些優(yōu)點(diǎn)也是新一代網(wǎng)絡(luò )控制系統和以DCS為代表的傳統控制系統的顯著(zhù)區別。
5  控制系統網(wǎng)絡(luò )技術(shù)發(fā)展和應用水平的評估
從影響控制系統網(wǎng)絡(luò )化程度的因素可以看到，一個(gè)是控制網(wǎng)絡(luò )性能因素，一個(gè)是控制系統設計方式因素。這兩個(gè)因素中，一個(gè)反映了控制網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展水平，一個(gè)反映了控制網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的應用水平。因此，公式(1)所計算的控制系統的網(wǎng)絡(luò )化程度，可以反映控制系統網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的整體發(fā)展和應用水平。
5.1  控制網(wǎng)絡(luò )技術(shù)發(fā)展水平的評估
當前，開(kāi)放的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是控制網(wǎng)絡(luò )技術(shù)發(fā)展水平的代表。顯然，使用現場(chǎng)總線(xiàn)的控制系統，和傳統DCS相比，系統網(wǎng)絡(luò )化程度有了顯著(zhù)提高。
目前現場(chǎng)總線(xiàn)控制周期普遍可以達到十毫秒左右，基本上可以滿(mǎn)足慢變化過(guò)程的需要。但對于電力、冶金等行業(yè)的部分快速過(guò)程，現場(chǎng)總線(xiàn)仍難以滿(mǎn)足控制應用的要求。因此，為了提高控制系統網(wǎng)絡(luò )化程度，還需要高速控制網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展和應用。從目前應用水平看，高速控制網(wǎng)絡(luò )技術(shù)應達到毫秒級的實(shí)時(shí)數據傳送周期，也就是絕大多數PLC系統的最快掃描周期。這將使目前PLC系統的大多數控制功能可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現，而不是依賴(lài)于特定的PLC設備。
高速網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展并不是盲目的，其根本目標在于提高控制系統的網(wǎng)絡(luò )化程度。因此，在不同的應用領(lǐng)域，高速網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的需求也不同。對于慢變化過(guò)程，如果目前控制網(wǎng)絡(luò )的通信速率和周期可以滿(mǎn)足要求，則沒(méi)必要采用高速網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，而應在提高網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的應用水平上下工夫。
5.2  控制網(wǎng)絡(luò )技術(shù)應用水平的評估
當前，協(xié)議開(kāi)放的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應用，顯著(zhù)增強了系統的開(kāi)放性，控制系統的信息孤島問(wèn)題有了明顯改善。但在實(shí)際應用中，如果用公式(1)進(jìn)行計算，許多系統的網(wǎng)絡(luò )化程度并不高，網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)沒(méi)有得到充分發(fā)揮，網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的實(shí)際應用總體水平較低。
影響控制系統網(wǎng)絡(luò )化程度提高的一個(gè)重要原因是，盡管網(wǎng)絡(luò )技術(shù)被更廣泛應用，但控制系統設計仍然沿襲著(zhù)傳統控制系統的設計思想。在以DCS為代表的傳統控制系統設計思想中，控制設備在整個(gè)系統中起著(zhù)核心作用，控制網(wǎng)絡(luò )是為控制設備實(shí)現其功能服務(wù)的?？刂凭W(wǎng)絡(luò )主要被用來(lái)實(shí)現過(guò)程監控、設備報警、控制設備之間的安全保護等功能，較少地被用于實(shí)時(shí)回路控制。以這一設計思想設計的控制系統，大量的控制功能被局限于某個(gè)控制設備，難以實(shí)現軟組態(tài)。
在新一代網(wǎng)絡(luò )控制系統的研究和應用中，有以下幾點(diǎn)值得注意：
(1)  現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的大量使用，并不意味著(zhù)系統的高度網(wǎng)絡(luò )化。
現場(chǎng)總線(xiàn)的使用，可以將控制功能分散到現場(chǎng)儀表、執行機構中執行。但現場(chǎng)儀表和執行機構僅僅是整個(gè)控制系統底層的設備，輸入、輸出數據數量十分有限，只能完成小范圍的回路級控制。大量系統級別的控制，仍需要控制站、PLC等復雜控制設備來(lái)完成。這些設備上實(shí)現的控制功能是否是軟組態(tài)的，將直接影響整個(gè)系統的網(wǎng)絡(luò )化程度，并影響網(wǎng)絡(luò )技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的發(fā)揮。
(2)  實(shí)現分散與集中的合理統一。
網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展與應用，盡管為控制功能的高度分散創(chuàng )造了條件，但控制功能并不是越分散越好?？刂乒δ苓^(guò)度分散，反而會(huì )降低系統的可靠性和平均無(wú)故障時(shí)間，增加系統的設備投資和維護成本。隨著(zhù)控制設備計算能力的提高，系統功能完全可以進(jìn)行適當的集中。例如，原先在多個(gè)控制站或PLC中實(shí)現的功能，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )集中到兩個(gè)互為冗余的新型控制設備中來(lái)實(shí)現，從而降低系統設備成本和維護成本，增加系統的可靠性。盡管系統集中程度增加，但只要設計合理，按公式(1)計算，系統仍可以具有相當高的網(wǎng)絡(luò )化程度。
(3)  實(shí)現新一代網(wǎng)絡(luò )控制系統，關(guān)鍵在于系統設計思想的改變。
新一代網(wǎng)絡(luò )控制系統，不在于是否每一個(gè)控制設備都實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)，更主要地是系統設計思想的變革。在新一代網(wǎng)絡(luò )控制系統的設計思想中，網(wǎng)絡(luò )在系統設計中將起到核心作用。當設計一個(gè)控制功能時(shí)，首先應考慮該功能是通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現的，并不依賴(lài)于具體的某個(gè)控制設備?？刂圃O備除了為系統提供硬件上的輸入、輸出功能外，還為系統提供計算能力。一個(gè)控制功能在某個(gè)設備上完成，只是利用該設備的計算能力，和該設備所實(shí)現的具體硬件功能無(wú)關(guān)。一個(gè)控制功能是否在某個(gè)設備上完成，是從整個(gè)系統的實(shí)現功能要求和整體結構進(jìn)行考慮的。只有切實(shí)改變系統的設計思想，系統的網(wǎng)絡(luò )化程度才能得到有效提高，網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)才能得到充分發(fā)揮。
6  結語(yǔ)
本文提出的控制系統網(wǎng)絡(luò )化程度計算方法，并不是以控制系統中有多少電氣、儀表、控制設備實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )通信功能為衡量指標，而是以控制功能是否能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現為依據。它可以更好地描述控制網(wǎng)絡(luò )在控制系統中的功能和作用，評估網(wǎng)絡(luò )技術(shù)在控制領(lǐng)域的發(fā)展和應用水平，并對新一代網(wǎng)絡(luò )控制系統的發(fā)展具有指導意義。

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