吳  譽

1  問題的提出
網(wǎng)絡技術在控制系統(tǒng)中的應用促進了控制系統(tǒng)技術的發(fā)展^[1]。在控制系統(tǒng)的發(fā)展過程中，從直接數(shù)字控制（DDC，Direct Digital Control）系統(tǒng)到集散控制系統(tǒng)（DCS，Distributed Control System），再到現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbus Control System），網(wǎng)絡技術起到了十分重要的作用。在DDC系統(tǒng)中，沒有網(wǎng)絡。在DCS系統(tǒng)中，開始使用網(wǎng)絡技術，通過網(wǎng)絡連接操作站、控制站等設備，正是因為使用網(wǎng)絡技術，才實現(xiàn)了系統(tǒng)的分散控制。在FCS系統(tǒng)中，網(wǎng)絡技術進一步向現(xiàn)場延伸，實現(xiàn)了現(xiàn)場儀表、執(zhí)行閥等設備的數(shù)字化通信。人們期待著以FCS為代表的新一代網(wǎng)絡控制系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)^[2][3]。
但是，人們有必要回答這樣一些問題，什么是網(wǎng)絡控制系統(tǒng)？一個控制系統(tǒng)在多大程度上可以被稱為網(wǎng)絡控制系統(tǒng)？FCS和傳統(tǒng)DCS的本質(zhì)區(qū)別是什么？僅僅因為通過大量使用現(xiàn)場總線技術并將許多控制功能下放到現(xiàn)場設備，就可以稱為新一代網(wǎng)絡控制系統(tǒng)嗎？對這些問題的回答，直接影響著人們對新一代網(wǎng)絡控制系統(tǒng)技術的理解，影響著網(wǎng)絡控制系統(tǒng)技術的發(fā)展與應用。
對于以上問題，不能簡單地通過是否每個電氣、儀表、控制設備都實現(xiàn)了網(wǎng)絡通信來進行回答，因為即使實現(xiàn)相同功能的兩個控制系統(tǒng)都采用了網(wǎng)絡技術，它們應用網(wǎng)絡技術的水平和效果也可能有很大差別，也無法知道控制網(wǎng)絡技術在多大程度上滿足了控制系統(tǒng)的實際需要。
本文提出了一種控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化程度的量化計算方法，可以幫助回答以上問題，并對控制網(wǎng)絡技術的發(fā)展和應用水平進行評估，幫助人們設計和使用新一代網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。
2  控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化程度計算方法
控制系統(tǒng)的根本任務是實現(xiàn)控制功能，因此可以根據(jù)控制功能是否能夠通過網(wǎng)絡實現(xiàn)來計算控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡化程度。控制功能是否能夠通過網(wǎng)絡實現(xiàn)可以由硬組態(tài)和軟組態(tài)概念進行表示。
2.1  硬組態(tài)和軟組態(tài)概念
一個控制功能，如果由于控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制網(wǎng)絡性能等原因，只能在系統(tǒng)某個特定的控制設備上實現(xiàn)，則該功能是硬組態(tài)的。反之，如果一個控制功能，可以通過網(wǎng)絡通信技術，在多個控制設備中的任意一個上實現(xiàn)，則該功能是軟組態(tài)的。
顯然，如果一個控制設備不能和其他設備進行通信，則該設備實現(xiàn)的所有控制功能都是硬組態(tài)的；而通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)的所有回路控制都是軟組態(tài)的。
2.2  控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化程度計算方法
一個控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡化程度，可以按公式(1)進行計算。
 (1)
假設一個控制系統(tǒng)的控制功能由100個回路控制組成。如果其中50個控制功能可以分布在控制網(wǎng)絡上實現(xiàn)，50個控制功能必須由特定的控制設備實現(xiàn)，則系統(tǒng)網(wǎng)絡化程度是50%。
對于一個具體的控制系統(tǒng)，按公式(1)計算的系統(tǒng)網(wǎng)絡化程度和控制功能定義方法有一定關系。由于定義的不同，一個控制系統(tǒng)的控制功能個數(shù)可能有所不同，所計算的系統(tǒng)網(wǎng)絡化程度也可能不同。但是對于實現(xiàn)相同或相似功能的控制系統(tǒng)，當采用不同的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或設計方案時，可以很容易地比較出系統(tǒng)網(wǎng)絡化程度的差異。
使用公式(1)，可以比較DDC、DCS以及FCS三種控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡化程度。DDC的控制是完全集中式的，沒有使用網(wǎng)絡通信技術，沒有任何一個控制功能可以實現(xiàn)軟組態(tài)，因此系統(tǒng)網(wǎng)絡化程度是0。DCS系統(tǒng)具有網(wǎng)絡通信功能，通過網(wǎng)絡可以實現(xiàn)監(jiān)控、過程優(yōu)化等功能，系統(tǒng)網(wǎng)絡化程度和DDC相比有了顯著提高。但在DCS系統(tǒng)中，大量回路控制功能只能由特定的控制站完成，系統(tǒng)網(wǎng)絡化程度總體水平較低。在FCS系統(tǒng)中，在DCS系統(tǒng)中必須由控制站實現(xiàn)的大量回路控制功能可以下放到現(xiàn)場儀表和執(zhí)行閥等設備中，系統(tǒng)的網(wǎng)絡化程度又有了明顯提高。
3  影響控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化程度的因素
公式(1)計算的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化程度，并不是以控制系統(tǒng)中是否每一個控制設備都實現(xiàn)了網(wǎng)絡通信為依據(jù)的。那么，有哪些因素會影響到一個控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡化程度呢？最主要的因素有如下兩點。
(1)  控制網(wǎng)絡性能是影響控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化程度的決定性因素。
控制網(wǎng)絡性能中很重要的一個性能是最快實時通信周期。如果控制功能是軟組態(tài)的，則其相關控制信息必須在控制網(wǎng)絡上進行實時傳送，網(wǎng)絡實時通信周期必須滿足實時控制周期的要求。如果控制網(wǎng)絡實時傳送周期慢于其控制周期，控制功能就不可能實現(xiàn)軟組態(tài)。
影響控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化程度的另一個網(wǎng)絡性能指標是通信速率，它決定了單位時間內(nèi)網(wǎng)絡上最大控制數(shù)據(jù)傳送信息量。如果在一個控制網(wǎng)絡上需要實現(xiàn)100個控制回路，但由于通信速率的限制，只能實現(xiàn)50個控制回路的實時通信要求，那么即使任意一個控制回路在理論上都是軟組態(tài)的，系統(tǒng)總的網(wǎng)絡化程度不會超過50%。
在傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)中，控制網(wǎng)絡通信速率低、實時性較差是影響其網(wǎng)絡化程度提高的一個十分重要的原因。一方面DCS控制網(wǎng)絡實時通信周期通常在100毫秒以上，許多回路控制周期難以滿足；另一方面，由于網(wǎng)絡通信速率較低，無法支持大量控制數(shù)據(jù)實時傳輸，大量的系統(tǒng)控制功能不可能通過網(wǎng)絡實現(xiàn)，只能由特定的控制站完成。
(2)  控制系統(tǒng)的設計方式對控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化程度有明顯影響。
一個典型的使用Profibus控制網(wǎng)絡的PLC控制系統(tǒng)如圖1所示。這種控制系統(tǒng)由于設計方式不同，系統(tǒng)的網(wǎng)絡化程度可能就有明顯不同。可以設想兩種系統(tǒng)設計方式。 

圖1  使用Profibus的PLC控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

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始時被明確地安排在某個PLC上。操作站和PLC之間的通信主要用來實現(xiàn)過程監(jiān)控，PLC之間的通信主要實現(xiàn)設備安全互鎖等功能。一旦系統(tǒng)設計完成，在某個PLC上實現(xiàn)的控制功能很難轉(zhuǎn)移到其他PLC上；一個控制功能實現(xiàn)位置的改變，意味著大量控制程序的重新設計。在這種系統(tǒng)中，由于大量控制功能難以實現(xiàn)控制設備之間的轉(zhuǎn)移，硬組態(tài)比例相當高，整個控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡化程度不高。
在方式二中，每個控制功能的實現(xiàn)都是面向網(wǎng)絡進行設計的，只是在系統(tǒng)設計的最后階段控制功能才被安排在某個具體的PLC上實現(xiàn)。當需要時，一個控制功能可以方便地由一個PLC轉(zhuǎn)移到另一個PLC上實現(xiàn)。整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡化程度相當高。
由此可見，按照公式(1)進行計算，一個控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡化程度，和是否每個控制設備都使用了網(wǎng)絡技術沒有直接關系。由公式(1)計算的網(wǎng)絡化程度，更能反映控制系統(tǒng)中網(wǎng)絡技術的應用狀況。
4  控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化的優(yōu)點
從影響控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化程度的因素可以看到，即使控制系統(tǒng)采用了相同的網(wǎng)絡技術，由于系統(tǒng)設計方式的不同，系統(tǒng)網(wǎng)絡化程度也可能有較大的差別。那么根據(jù)公式(1)，控制系統(tǒng)對高網(wǎng)絡化程度的追求，可以為系統(tǒng)帶來哪些優(yōu)點呢？
控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化程度的提高，主要有如下優(yōu)點。
(1)  提高了系統(tǒng)功能的可分散性
網(wǎng)絡化程度高的控制系統(tǒng)，硬組態(tài)控制功能比例小，更多的控制功能可以由一個控制設備分散到其他控制設備中執(zhí)行，提高了控制系統(tǒng)的分散性。理論上，任何一個具有軟組態(tài)特點的控制功能，都可以在一個獨立的控制設備中完成。控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡化程度越高，其可達到的分散程度就越高。
(2)  提高了系統(tǒng)功能的可集中性
如果系統(tǒng)的控制功能是軟組態(tài)的，不僅意味著它可以由一個設備分散到另一個設備中執(zhí)行，同時也意味著在多個設備中的具有軟組態(tài)特點的控制功能，可以集中到同一個控制設備中實現(xiàn)，提高了系統(tǒng)控制功能實現(xiàn)的可集中性。系統(tǒng)功能的實現(xiàn)并不是越分散越好，適當?shù)募幸灿衅鋬?yōu)點，控制系統(tǒng)的高度網(wǎng)絡化為實現(xiàn)集中與分散的合理統(tǒng)一創(chuàng)造了條件。
(3)  增強了系統(tǒng)的開放性
應用協(xié)議開放的網(wǎng)絡技術，可以實現(xiàn)不同廠家產(chǎn)品之間的集成。這種開放性的核心體現(xiàn)是系統(tǒng)組織形式靈活，可以選擇不同廠家、不同型號的設備實現(xiàn)控制功能。如果控制功能是硬組態(tài)的，通過網(wǎng)絡實現(xiàn)系統(tǒng)的開放性僅僅體現(xiàn)在系統(tǒng)設計時設備的選擇；如果控制功能是軟組態(tài)的，則無論是系統(tǒng)設計時還是系統(tǒng)已經(jīng)投入使用后，都可以采用不同廠家的設備或不同型號設備去實現(xiàn)該功能，系統(tǒng)都具有良好的開放性結(jié)構(gòu)，可以靈活地對系統(tǒng)功能的實現(xiàn)方式進行組織。
(4)  系統(tǒng)功能可移植性增強
一個控制系統(tǒng)，如果大多數(shù)功能是軟組態(tài)的，意味著控制功能對系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的依賴性很低，可以更方便地將控制功能從一個控制設備移植到另一個控制設備中，系統(tǒng)的可移植性增強。反之，如果系統(tǒng)的硬組態(tài)比例高，大量控制功能直接依賴設備的硬件功能和結(jié)構(gòu)，則系統(tǒng)功能的移植要付出更多的工作。
(5)  提高了系統(tǒng)應用先進工藝和控制技術的能力
在許多應用領域，有些關鍵控制功能實現(xiàn)復雜、需要較大計算量。如果該功能是硬組態(tài)的，則其實現(xiàn)將受到設備計算能力的限制。當系統(tǒng)采用更先進的控制工藝或控制算法時，將可能由于設備計算能力的限制難以實現(xiàn)。如果該功能是軟組態(tài)的，則可以靈活方便地為系統(tǒng)增加計算能力更強的設備完成該功能，從而促進先進工藝和控制技術的應用。一個控制系統(tǒng)采用先進工藝和控制技術的能力，也是系統(tǒng)開放性的重要體現(xiàn)和衡量標準。
(6)  降低系統(tǒng)維護費用
在硬組態(tài)比例高的系統(tǒng)中，控制功能難以從一個設備轉(zhuǎn)移到一個新設備上，一個設備難以被不同型號的新設備所取代。為了長時間維護系統(tǒng)的正常生產(chǎn)，生產(chǎn)現(xiàn)場必須維護大量的設備備件，所需備件費用甚至超過購買最新型號設備的的費用。在網(wǎng)絡化程度高的系統(tǒng)中，一個設備實現(xiàn)的絕大多數(shù)控制功能，可以方便地轉(zhuǎn)移到其他控制設備中來完成。當替換一個控制設備時，系統(tǒng)硬件和控制程序所需調(diào)試時間大大縮短，在系統(tǒng)定修時間，一個舊設備就能夠被最新型號的更先進的設備所取代，系統(tǒng)設備維護成本顯著降低。
(7)  降低系統(tǒng)改造成本
在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)中，由于操作站、控制站、PLC等控制設備的老化，配件難以購買等原因，會引起控制系統(tǒng)的大規(guī)模設備改造。在高度網(wǎng)絡化的控制系統(tǒng)中，大量控制設備的更新?lián)Q代可以在日常維護中逐步進行。當系統(tǒng)設備需要改造時，也可以盡量控制在一個較小的局部范圍內(nèi)，從而有效減少企業(yè)的停產(chǎn)時間，降低系統(tǒng)改造成本。
由以上優(yōu)點可以看到，控制系統(tǒng)實現(xiàn)高度的網(wǎng)絡化，可以顯著提高控制系統(tǒng)的性能價格比，切實提高企業(yè)的效益，它將改變控制系統(tǒng)的設計和維護方式。這些優(yōu)點也是新一代網(wǎng)絡控制系統(tǒng)和以DCS為代表的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的顯著區(qū)別。
5  控制系統(tǒng)網(wǎng)絡技術發(fā)展和應用水平的評估
從影響控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化程度的因素可以看到，一個是控制網(wǎng)絡性能因素，一個是控制系統(tǒng)設計方式因素。這兩個因素中，一個反映了控制網(wǎng)絡技術的發(fā)展水平，一個反映了控制網(wǎng)絡技術的應用水平。因此，公式(1)所計算的控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡化程度，可以反映控制系統(tǒng)網(wǎng)絡技術的整體發(fā)展和應用水平。
5.1  控制網(wǎng)絡技術發(fā)展水平的評估
當前，開放的現(xiàn)場總線技術是控制網(wǎng)絡技術發(fā)展水平的代表。顯然，使用現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)，和傳統(tǒng)DCS相比，系統(tǒng)網(wǎng)絡化程度有了顯著提高。
目前現(xiàn)場總線控制周期普遍可以達到十毫秒左右，基本上可以滿足慢變化過程的需要。但對于電力、冶金等行業(yè)的部分快速過程，現(xiàn)場總線仍難以滿足控制應用的要求。因此，為了提高控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化程度，還需要高速控制網(wǎng)絡技術的發(fā)展和應用。從目前應用水平看，高速控制網(wǎng)絡技術應達到毫秒級的實時數(shù)據(jù)傳送周期，也就是絕大多數(shù)PLC系統(tǒng)的最快掃描周期。這將使目前PLC系統(tǒng)的大多數(shù)控制功能可以通過網(wǎng)絡實現(xiàn)，而不是依賴于特定的PLC設備。
高速網(wǎng)絡技術的發(fā)展并不是盲目的，其根本目標在于提高控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡化程度。因此，在不同的應用領域，高速網(wǎng)絡技術的需求也不同。對于慢變化過程，如果目前控制網(wǎng)絡的通信速率和周期可以滿足要求，則沒必要采用高速網(wǎng)絡技術，而應在提高網(wǎng)絡技術的應用水平上下工夫。
5.2  控制網(wǎng)絡技術應用水平的評估
當前，協(xié)議開放的現(xiàn)場總線技術在工業(yè)控制領域已經(jīng)得到了廣泛應用，顯著增強了系統(tǒng)的開放性，控制系統(tǒng)的信息孤島問題有了明顯改善。但在實際應用中，如果用公式(1)進行計算，許多系統(tǒng)的網(wǎng)絡化程度并不高，網(wǎng)絡技術的優(yōu)點沒有得到充分發(fā)揮，網(wǎng)絡技術的實際應用總體水平較低。
影響控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化程度提高的一個重要原因是，盡管網(wǎng)絡技術被更廣泛應用，但控制系統(tǒng)設計仍然沿襲著傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的設計思想。在以DCS為代表的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)設計思想中，控制設備在整個系統(tǒng)中起著核心作用，控制網(wǎng)絡是為控制設備實現(xiàn)其功能服務的。控制網(wǎng)絡主要被用來實現(xiàn)過程監(jiān)控、設備報警、控制設備之間的安全保護等功能，較少地被用于實時回路控制。以這一設計思想設計的控制系統(tǒng)，大量的控制功能被局限于某個控制設備，難以實現(xiàn)軟組態(tài)。
在新一代網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的研究和應用中，有以下幾點值得注意：
(1)  現(xiàn)場總線技術的大量使用，并不意味著系統(tǒng)的高度網(wǎng)絡化。
現(xiàn)場總線的使用，可以將控制功能分散到現(xiàn)場儀表、執(zhí)行機構(gòu)中執(zhí)行。但現(xiàn)場儀表和執(zhí)行機構(gòu)僅僅是整個控制系統(tǒng)底層的設備，輸入、輸出數(shù)據(jù)數(shù)量十分有限，只能完成小范圍的回路級控制。大量系統(tǒng)級別的控制，仍需要控制站、PLC等復雜控制設備來完成。這些設備上實現(xiàn)的控制功能是否是軟組態(tài)的，將直接影響整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡化程度，并影響網(wǎng)絡技術優(yōu)點的發(fā)揮。
(2)  實現(xiàn)分散與集中的合理統(tǒng)一。
網(wǎng)絡技術的發(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。控制功能過度分散，反而會降低系統(tǒng)的可靠性和平均無故障時間，增加系統(tǒng)的設備投資和維護成本。隨著控制設備計算能力的提高，系統(tǒng)功能完全可以進行適當?shù)募小＠纾仍诙鄠€控制站或PLC中實現(xiàn)的功能，可以通過網(wǎng)絡集中到兩個互為冗余的新型控制設備中來實現(xiàn)，從而降低系統(tǒng)設備成本和維護成本，增加系統(tǒng)的可靠性。盡管系統(tǒng)集中程度增加，但只要設計合理，按公式(1)計算，系統(tǒng)仍可以具有相當高的網(wǎng)絡化程度。
(3)  實現(xiàn)新一代網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，關鍵在于系統(tǒng)設計思想的改變。
新一代網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，不在于是否每一個控制設備都實現(xiàn)了網(wǎng)絡通信技術，更主要地是系統(tǒng)設計思想的變革。在新一代網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的設計思想中，網(wǎng)絡在系統(tǒng)設計中將起到核心作用。當設計一個控制功能時，首先應考慮該功能是通過網(wǎng)絡實現(xiàn)的，并不依賴于具體的某個控制設備。控制設備除了為系統(tǒng)提供硬件上的輸入、輸出功能外，還為系統(tǒng)提供計算能力。一個控制功能在某個設備上完成，只是利用該設備的計算能力，和該設備所實現(xiàn)的具體硬件功能無關。一個控制功能是否在某個設備上完成，是從整個系統(tǒng)的實現(xiàn)功能要求和整體結(jié)構(gòu)進行考慮的。只有切實改變系統(tǒng)的設計思想，系統(tǒng)的網(wǎng)絡化程度才能得到有效提高，網(wǎng)絡技術的優(yōu)點才能得到充分發(fā)揮。
6  結(jié)語
本文提出的控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化程度計算方法，并不是以控制系統(tǒng)中有多少電氣、儀表、控制設備實現(xiàn)了網(wǎng)絡通信功能為衡量指標，而是以控制功能是否能夠通過網(wǎng)絡實現(xiàn)為依據(jù)。它可以更好地描述控制網(wǎng)絡在控制系統(tǒng)中的功能和作用，評估網(wǎng)絡技術在控制領域的發(fā)展和應用水平，并對新一代網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的發(fā)展具有指導意義。

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