工业控制系统和协同控制系统.docx

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工业控制系统和协同控制系统

工业控制系统和协同控制系统

当今的控制系统被广泛运用于许多领域。

从单纯的工业控制系统到协同控制系统（CCS），控制系统不停变化，不断升级，现在则趋向于家庭控制系统，而它则是这两者的变种。

被应用的控制系统的种类取决于技术要求。

而且，实践表明，经济和社会因素也对此很重要。

任何决定都有它的优缺点。

工业控制要求可靠性，完整的文献记载和技术支持。

经济因素使决定趋向于协同工具。

能够亲自接触源码并可以更快速地解决问题是家庭控制系统的要求。

多年的操作经验表明哪个解决方法是最主要的不重要，重要的是哪个可行。

由于异类系统的存在，针对不同协议的支持也是至关重要的。

本文介绍工业控制系统，PlCcontrolledturnkey系统，和CCS工具，以及它们之间的操作。

引言：

80年代早期，随着为HERA（Hadron-Elektron-Ring-Anlage）加速器安装低温控制系统，德国电子同步加速器研究所普遍开始研究过程控制。

这项新技术是必需的，因为但是现有的硬件没有能力来处理标准过程控制信号，如4至20毫安的电流输入和输出信号。

而且软件无法在0.1秒的稳定重复率下运行PID控制回路。

此外，在实现对复杂的低温冷藏系统的开闭过程中，频率项目显得尤为重要。

有必要增加接口解决总线问题并增加运算能力，以便于低温控制。

因为已安装的D/3系统[1]只提供了与多总线板串行连接，以实现DMA与VME的连接并用其模拟多总线板的功能。

温度转换器的计算功能来自一个摩托罗拉MVME167CPU和总线适配器，以及一个MVME162CPU。

其操作系统是VxWorks，而应用程序是EPICS。

由于对它的应用相当成功，其还被运用于正在寻找一个通用的解决方案以监督他们的分布式PLC的公共事业管理。

德国电子同步加速器研究所对过程管理系统的筛选

集散控制系统（D/3）：

市场调查表明：

来自GSE的D/3系统被HERA低温冷藏工厂选中。

因为集散控制系统（D/3）的特性，所以这决定很不错。

在展示端和I/O端扩展此系统的可能将有助于解决日益增加的

HERA试验控制的要求。

制约系统的大小的因素不是I/O的总数，通信网络的畅通与否。

而通信网络的畅通与否取决于不存档的数据总量，不取决于报警系统中配置的数据。

拥有DCS特点（Cube）的SCADA系统：

相对于Y2K问题促使我们寻找一个升级版或者代替版来代替现有的系统而言，以上提到的D/3系统有一些硬编码的限制。

由于急需给Orsi公司提供他们的产品，Cube开始起作用了[2]。

该项目包括安装功能的完全更换。

这包括D/3，以及德国电子同步加速器研究所的集成总线SEDAC和VME的温度转换器。

该项目很有前景。

但是因为HERA试验原定时间是有限制的，所以技术问题和组织问题也迫使计划提前。

在供应商网站上的最后验收测试又出现了戏剧性的性能问题。

有两个因素引起了这些问题。

第一个跟低估在1赫兹运行的6级温度转换器的CPU负荷有关。

第二个由现有D/3系统复杂的功能造成的额外负荷引起的。

每个数字和模拟输入和输出通道在D/3系统里的自身报警限值也被低估了。

所有的附加功能都必须添加进去。

最后，所有网络负载的报警限值，尤其是SCADA系统，也促使网络生成了限制。

最后，与Orsi公司的合同被取消了。

升级的D/3系统是唯一可能的解决办法。

在2003年3月，此系统最后被付诸实践。

现在，相比“纯粹”SCADA系统的异质环境，Cube有同质配置环境的优势。

SCADA（PVSS-Ⅱ）：

在HERA加速器上的H1实验中，实验人员为升级他们的低速控制系统，决定使用PVSS-Ⅱ。

现有的系统是由H1合作组的几名成员开发的，而现在却难以维持了。

在CERN由联合控制项目[4]进行的广泛调查促使他们做出使用PVSS作为代替品的决定。

PVSS是一个“纯粹”的监控和数据采集系统（SCADA系统）。

其核心元素叫做事件管理器。

它收集的数据主要是由I/O设备提供。

它还提供附加的管理服务，如：

控制经理，数据库管理，用户界面，API经理以及在建的HTTP服务器。

该PVSS脚本库允许执行复杂的序列以及复杂的图形。

相比其他SCADA系统PVSS带有一个基本特点：

它提供了API给设备的数据。

SCADA系统的一个主要缺点是其中的两个数据库，一个为PLC’s服务，另一个为SCADA系统服务，这两个数据库必须维持。

集成环境将努力克服这个限制。

EPICS：

在德国电子同步加速器研究所，EPICS从问题解决系统演化成了全集成控制系统。

从成为低温控制系统的数据收集器和数量控制器，EPICS成为了德国电子同步加速器研究所公用事业集团使用的核心系统。

此外，通过IndustryPack（IP）模块的手段，它还能运用于通过VME板卡的任何数据。

EPICS通过其完整的功能，运用于没有由D/3系统控制的低温冷藏系统。

所有大约50个输入输出控制器运作大约25000业务处理记录。

作为一个SCADA系统的EPICS：

该公共事业组（水，电，压缩空气，加热和调温）使用各种散布在整个德国电子同步加速器研究所网站上的PLC。

IOC向客户提供接口并采集数据。

此外，如通道归档和图形显示（dm2k）会被使用。

默认名决议和目录服务器（域名服务器）用于连接在TCP客户端和服务器应用程序。

所有这些都是基本的SCADA功能。

所有的配置文件（图形工具，报警处理程序和归档）提供了一种灵活的配置方案。

德国电子同步加速器研究所公用事业集团已制定了一套工具来创建IOC数据库和配置文件。

这样，控制组提供的服务保持EPICS工具，而用户可以精力集中在被控制的设备上了。

作为一个DCS系统的EPICS：

作为SCADA系统的基本组成部分，EPICS还提供完整的输入输出控制器（IOC）。

IOC提供所有功能DCS系统要求，如：

实施每个记录的标准的属性；执行每个记录时的报警检查过程；控制记录，如PID。

灵活的命名方案，默认的显示和每个记录的报警属性缓和了运作工具和IOC之间的连接。

灵活的数据采集模式，支持调查模式以及发布订阅模式。

后者大大降低了信息拥堵的情况。

PLC’s：

PLC’s同样提供丰富的功能，因为以前它是独一无二的控制系统。

此外，定期执行一个确定功能的基本特征也让他们通过以太网通信，包括内置的HTTP服务器和不同集合的通讯方案。

除了通信处理器，显示器能和PLC’s连接。

智能I/O：

I/O设备上的新发展允许在更小的群体中集群I/O并把这些集群I/O渠道链接到控制系统。

PLC’s对于分布式I/O已不再重要。

PLC’s和智能I/O子系统的差别正在消失。

功能

持续不断的问题，如为什么控制系统的加速器和其他高度专业化的设备联合协同发展。

但是，在极少数情况下，只通过商业的立场时难以回答的。

在这里，我们试图总结不同控制方法的基本功能。

前端控制器：

对控制系统的核心要素之一，是前端控制器。

PLC’s可用于实施控制功能的设备。

它的缺点就是复杂，难以达到控制属性。

例如确定通信协议和最后在显示、报警和归档方案，一个控件的所有属性像P，I和D参数，还有报警限制及其他附加的属性必须得到解决。

另外，这些嵌入式属性修改是很难寻觅，因为其中涉及两个或两个以上轨道系统这可能是一个有力的论据是，为什么控制回路主要实施在IOC层面，而不是PLC’s层面。

I/O和控制回路

复杂的控制算法和控制回路和域名DCS控制系统一样。

对显示和控件的属性的支持是必不可少的。

频率/国家计划

在控制系统中，频率程序可以运行任何处理器。

运行时环境取决于相关代码。

控制系统程序直接履行运行前端处理器的监控。

为复杂的启动和关闭处理程序设立的频率程序也可以运行工作站。

国家机器的基本功能在IEC61131中得到了落实。

编码发电机可以产生C代码。

硬件支持

对现场总线和起源于I/O的Ethernet的支持是为SCADA系统服务的一个基本功能。

所有SCADA系统在市场商业运作中是可行的。

配置特定驱动器和数据转换器的集成硬件在商业环境中是一个难点。

开放API或脚本支持有时有助于整合用户的硬件。

如果不向控制系统提供这些工具，就很难整合客户硬件。

新的工业标准，如OPC，和OPC设施联系，还和控制系统之间互相联系。

这种功能的基本条件是强调操作系统。

在这种情况下，OPC更趋向于微软的DCOM标准。

基于控制系统的UNIX很难互相连接。

只有支持多平台的控制系统可以在异构环境中发挥主要作用。

由于为客户或专业硬件的支持有限，所以新的控制系统有理由得到发展。

显示和操作

除了前后系统，操作接口在控制系统的兼容过程中有重要的作用。

因为个人呢工具由不同的团队开发，所以协作实现的工具包可能变动。

1图形

天气显示是任何控制系统的广告招牌。

商业天气显示也有着丰富的功能和许多特色。

开始使用所有这些特征，所有这些功能的使用人会发现，所有个别属性的图形对象要分别指定。

一个输入通道不只由物业的价值决定的，而且更由包括像展出范围和报警值决定的。

一再分辨所有性能可能是个非常乏味的工作。

有些系统产生图形原型对象。

这些原型图形或模板很复杂，但需要一个专家来生产。

DCS或自定义天气显示程序使用常见的I/O点属性集。

这个预定义的命名方案填写标准的属性值，因此只需要进入记录，或设备名称进入配置工具。

2报警系统

警报可以很好的区分不同的控制系统架构。

实现I/O对象的这些系统在前后端电脑提供警报检查。

只能读懂I/O点的系统在I/O处理过程中添加了警报检查。

I/O对象途径在前后端系统的本土项目语言安插了警报检测。

，I/O点导向系统通常要在他们的脚文本语言中实现这种功能。

这是通常效率较低且容易出错，因为所有属性必须被单独配置，这导致了一系列特性。

不仅为每个I/O点的错误状态结束是个人的I/O点，但报警限值和每个报警的轻重，应当限制定义为I/O点，如果它希望能够改变运行值。

这种影响在SCADA和DCS系统之间也形成了影响。

SCADA系统本就读不懂报警系统。

DCS系统的优势在于管理人员既可以登记警报状态，从而提前得到信息，控制蔓延到在控制系统周围的变化。

后一种情况是唯一可能的系统。

3趋势和归档

趋势已成为控制系统架构中的一个重要的业务。

趋势是必要的跟踪误差条件。

实现的数据存储有能力储存完整控制目标，大部分的趋势工具标量数据存档。

附加特性如条件趋向或相关情节在个人实施起了影响。

4编程接口

关于开放编程接口，PLC’s和DCS系统有相同策略。

他们运行可靠，因为他们没有办法整合可定制的合作去干涉内部处理。

因此，客户定制精品，这个极其昂贵的。

由于SCADA系统必须能够与多种I/O子系统连接已经在API上建立了I/O子系统以整合自定义功能。

协作系统尤其需要一定的开放性以实现各种发展组织的要求。

所有级别的编程接口，例如前后端I/O，前后端处理过程和网络等，是强制性的。

5冗余

如果冗余是指管理所有国家，I/O所有值无缝道岔当前正在运行，它是一个域，只有少数集散系统。

自定义或CCS实施不提供这种功能。

也许是因为巨大努力和事实，它是只需要在罕见的事例。

此外，处理器冗余，或多余的网络，或I/O子系统是为一定的商业集散控制系统指定的。

先进的安全要求是由多余的PLC子系统覆盖。

这些安装在（核）电厂。

个人保护系统（PPS）的要求有时候会由冗余的PLC’s来满足。

在过程控制中，冗余的PLC’s只在少数情况下使用。

6命名空间

在供应链系统中，SCADA系统的单位名称空间形容成警报部分。

有些SCADA系统（如PVSS–II）提供在少数情况下的控制对象或结构化数据。

这些对象由一系列特性（包括I/O点）和一套方法（宏或函数）组成。

这些途径的其一是UniNified工业控制系统（UNICOS）在欧洲核子研究中心[5]。

DCS系统和大多数习惯性/协作系统是有记录的，或是设备为主。

不同之处是，通常一个记录被连接到一个单一I/O点，提供这样的执行记录，如个人工程单元，显示和警报限值。

设备为本的方法允许连接几个I/O点。

而（EPICS的）记录只服务于一组特定的内置功能。

命名等级不特定于实施类型。

它们可用于一些系统。

分层命名方案是肯定可取的。

实施策略

表现完各种可能的控制方法后，该是查看控制系统的完成情况了。

从I/O级开始，他们必须决定是否需要商业解决。

特殊的I/O不总是需要定制解决方案。

信号可以被转换成标准的信号，但是这并不适用于所有的信号。

信号水平可能需要定制的发展，这必须纳入整体控制架构。

信号不能被连接到标准I/O接口，也许有可能发展的I/O控制器的

允许实施现场总线接口，这能够整合商业控制系统。

整合水平是不可能定制前端控制器，如VME，开始发挥作用了。

TurnKey系统：

在工业中，有个明显的趋势就是产生了TurnKey系统。

它允许对整个系统进行模块化设计。

个别元件分包给几个公司进行本地测试。

一旦交付施工现场，验收测试就已经过去了，第二个阶段，整合融入全球控制系统的子系统开始。

虽然控制回路的详细规格等，是现在子系统合同的一部分。

客户必须明确多少信息子系统可以被使用。

大多数TurnKey系统与PLC一起交付使用。

瑞士光源（SLS）的建立过程已显示，这也是基于I/O系统运行的VME运行CCS的，这样才可以成功启用[6]。

基于系统的PLC：

基于系统的PLC是TurnKey系统成果。

下一个明显的方法看起来可能是除了商业PLC，就是商业SCADA系统。

优势就是明显和PLC一样：

没有稳定的软编程器，仅有配置，支持和良好的文件系统。

在德国电子同步加速器研究所，我们成功地建立了控制组和公共事业组之间的关系。

尽管是EPICS编码，但其最大的优势就是能调整双方的特殊要求。

工业解决方案：

一旦工业开始支持协作控制系统，CCS的解决方案和商业之间的差异将渐渐变小。

在KEK，公司签订合同为KEK-B升级提供程序员。

这些程序员进行了书面驱动程序和应用程序代码的EPICS培训。

因此，KEK-B控制系统是工业用和民用升级软件的混合体。

这是CCS实施中工业参与的另一个例子。

成本：

自从个人电脑出现后，“一台个人电脑的总成本是多少？

”这样的问题一直使人忙碌。

所有的答案不尽相同的极端。

现在的问题什么是一个控制系统的TCO可能作出类似的结果。

如果你进入商业领域，你要支付的初始证照费用，而通常这是由供应商或分包商支付的，你付钱进行的软件支持，可能或可能不会包括你更新证照的费用。

如果你去寻求合作方式，你可能与公司签合同或完成一切。

而“时间与金钱说”在工业中同样成立。

你亲自完成可能更自由灵活，但是有点难度。

你可以依靠合作，以提供新的功能和版本，或者你可以为自己作出贡献。

主要的区别就是要为控制系统计入长期成本。

德国电子同步加速器研究所粗略估计，控制应用程序，如支持商业模式的D/3，和支持协作模式的EPICS几乎是相同的。

在该软件支持和升级证照的费用，相当于1.5倍的FTE’s。

FTE’s是关于人力资源的内容，对于支持新的硬件和升级EPICS是必要的。

结论

根据控制项目不同的规模和要求，整合的商业解决方案和基于协作应用程序的解决方案在百分之零到一百都有可能。

这适用于长远的技术支持。

在安全问题上的特殊需要或人力资源的缺乏可能会扩大商机。

接口专业硬件，掌控在手的谈判或商业解决方案的初始成本有可能促使大规模的合作。

只要如EPICS的协作途径，保持最新并运行如商业方案一样稳定和强劲，它们就能在互补共生的控制世界中占有一席之地。

INDUSTRIALANDCOLLABORATIVECONTROLSYSTEMS

-ACOMPLEMENTARYSYMBIOSIS–

-Lookingattoday’scontrolsystemonecanfindawidevarietyofimplementations.Frompureindustrialtocollaborativecontrolsystem（CCS）toolkitstohomegrownsystemsandanyvariationin-between.DecisionsonthetypeofimplementationshouldbedrivenbytechnicalargumentsRealityshowsthatfinancialandsociologicalreasonsformthecompletepicture.Anydecisionhasit’sadvantagesandit’sdrawbacks.Reliability,gooddocumentationandsupportareargumentsforindustrialcontrols.Financialargumentsdrivedecisionstowardscollaborativetools.Keepingthehandsonthesourcecodeandbeingabletosolveproblemsonyourownandfasterthanindustryaretheargumentforhomegrownsolutionsoropensourcesolutions.Theexperienceofmanyyearsofoperationsshowsthatwhichsolutionistheprimaryonedoesnotmatter,therearealwaysareaswhereatleastpartoftheotherimplementationsexist.Asaresultheterogeneoussystemshavetobemaintained.Thesupportfordifferentprotocolsisessential.Thispaperdescribesourexperiencewithindustrialcontrolsystems,PLCcontrolledturnkeysystems,theCCStoolkitEPICSandtheoperabilitybetweenallofthem.

-INTRODUCTION

ProcesscontrolsingeneralstartedatDESYintheearly80thwiththeinstallationofthecryogeniccontrolsystemfortheacceleratorHERA（Hadron-Elektron-Ring-Anlage）.Anewtechnologywasnecessarybecausetheexistinghardwarewasnotcapabletohandlestandardprocesscontrolssignalslike4to20mAinputandoutputsignalsandthesoftwarewasnotdesignedtorunPIDcontrolloopsatastablerepetitionrateof0.1seconds.Inadditionsequenceprogramswerenecessarytoimplementstartupandshutdownproceduresforthecomplexcryogenicprocesseslikecoldboxesandcompetecompressorstreets.

Soonitwasnecessarytoaddinterfacestofieldbusesandtoaddcomputingpowertocryogeniccontrols.SincetheinstalledD/3system[1]onlyprovidedandocumentedserialconnectiononamultibusboard,thedecisionwasmadetoimplementaDMAconnectiontoVMEandtoemulatethemultibusboard’sfunctionality.ThenecessarycomputingpowerfortemperatureconversionscamefromaMotorolaMVME167CPUandthefieldbusadaptertotheinhouseSEDACfieldbuswasrunningonanadditionalMVME162.TheoperatingsystemwasVxWorksandtheapplicationwastheEPICStoolkit.

SincethisimplementationwassuccessfulitwasalsoimplementedfortheutilitycontrolswhichwerelookingforagenericsolutiontosupervisetheirdistributedPLC’s.

ASELECTIONOFPROCESSCONTROLSYSTEMSATDESY

DCS（D/3）

AsaresultofamarketsurveytheD/3systemfromGSEwasselectedfortheHERAcryogenicplant.ThedecisionwasfortunatebecauseoftheDCScharacteroftheD/3.Thepossibilitytoexpandthesystemonthedisplay-andontheI/OsidehelpedtosolvetheincreasingcontroldemandsforHERA.ThelimitingfactorforthesizeofthesystemisnotthetotalnumberofI/Obutthetrafficonthecommunicationnetwork.Thistrafficisdeterminedbythetotalamountofarchiveddatanotbythedataconfiguredinthealarmsystem.Thetechnicalbackgroundofthislimitationisthefactthatarchiveddataarepolledfromthedisplayserverswhereasthealarmsarepushedtoconfigureddestin