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　　摘  要：本文主要通過回顧霍尼韋爾公司DCS系統的30多年發展歷程，重點介紹霍尼韋爾新一代Experion PKS系統的一些主要特征，以此分析工業自動化過程控制系統的發展趨勢。

　　關鍵詞：DCS,TDC200,TDC300,Experion PKS,控制網絡,過程控制器，集散控制。
 
　　1 前言

　　自從霍尼韋爾公司在1975年推出世界上第一套DCS系統TDC2000至今已經過去30多年的時間，過程自動化控制系統發生了巨大的變化。回顧一下霍尼韋爾公司DCS系統的變遷過程，關注霍尼韋爾新一代Experion PKS系統，對我們了解當前DCS發展動態，把握將來的發展趨勢具有非常積極意義。

　　2 霍尼韋爾公司DCS回顧

　　2.1 TDC2000系統

　　在1975年霍尼韋爾公司推出TDC2000系統以前，過程工業控制還處在過程儀表自動化控制時代，國外使用電動儀表，而國內還處于主要使用氣動儀表，剛開始嘗試使用電動儀表階段。生產過程對自動化控制要求相對較低，主要是保證生產穩定及相對安全運行。無法或難以實現復雜控制，更談不上先進或優化控制，生產效率相對較低，能耗大，產品成本高。盡管這時已經出現了各種型號的計算機，并且很多人試圖將計算機用于過程控制，但是由于沒有很好地解決由于計算機故障而帶來的生產損失和安全隱患問題，因而無法真正實現將計算機用于生產過程控制。

　　TDC2000的推出，其重要意義在于提出并實現了集散控制的概念。集中操作和管理，實現各回路或設備之間更加協調運行，以提高生產運行穩定性和安全性；分散控制，實現危險分散和隔離，并且易于安裝和維護。

　　30多年的實踐證明，集散控制概念是計算機過程控制的一個基本原則。這個概念不僅今天沒有過時，而且在以后相當長的時期內都將是計算機過程工業控制的一個主導路線。 

　　根據集散原則，整個TDC2000的基本功能分布特點是：控制網絡采用單層冗余結構；操作站負責操作與處數據存儲；不同的控制器實現不同的過程控制等等。這種基本功能分布至今還被有些控制廠商的DCS所采用的。

　　TDC2000產生了當時控制系統領域很多重要成果, 如現在很平常的冗余控制器，冗余控制網絡 (DH - Data Hiway)，人機界面等。

　　單從控制功能上看， TDC2000主要實現了用計算機控制取代傳統的儀表控制，還不能實現先進或優化控制，并且控制規模還是較小，僅適合一套生產裝置控制。

 
圖1. TDC2000系統結構

　　2.2 TDC3000系統

　　1982 年Honeywell 發布TDC3000 BASIC 系統，它是在TDC2000 基礎上增加一條LCN(Local Control Network)網絡，構成LCN+DH 雙層控制網絡架構。并將操作與數據存儲管理功能移到LCN網上，在DH網上只連接控制器。

　　1986 年Honeywell 發布TDC3000 標準系統，它增加一條UCN(Universal Control Network)網絡用于取代DH網絡。我們現在通常所說的TDC3000系統就是LCN+UCN結構的系統。

　　TDC3000重新對功能進行劃分，在LCN上增加應用模件AM(Application Module)用于高級控制；增加PLNM（Plant Network Module）與VAX計算機的接口模件用于優化控制；將操作站與數據存儲管理分開，增加了歷史模件HM(History Module)；推出萬能操作站US(Universal station) 在UCN上推出著名的PM系列控制器,同時引入安全系統SM(Safety Manager)用于工廠緊急安全停車。
 

圖2. TDC3000系統結構

　　TDC3000作為最為典型DCS系統，進一步體現了集散控制理念，主要特點有：

　　滿足較大規模生產需要，兩層控制網絡架構，每條LCN可以連接10條UCN,每條UCN可連接32對冗余控制器。還可以將64 條LCN通過NG連起來。

　　三層控制平臺

　　1) PMx 實現最基礎的回路調節,邏輯連鎖，順序控制以及復雜回路控制。

　　2) AM 實現高級控制

　　3) VAX 實現優化控制

　　緊急停車系統SM的引入，實現安全生產保護。

　　全局數據庫概念，專用的歷史模件

　　萬能操作站，同時具備操作站和工程師站能力。

　　TDC3000最為一套最為經典的DCS系統，滿足較大規模安全生產，復雜控制和先進控制應用。被大量的應用到工業生產控制中，特別是很多石油化工大型聯合生產裝置。

　　TDC3000進一步體現了集散控制系統理念，其很多設計思想在霍尼韋爾最新的控制系統中繼續得到應用。

　　2.3 TPS系統

　　從上世紀90年開始，計算機特別是基于MS Windows 操作系統的PC機在工業企業大量使用，大大推動了企業信息管理應用水平。由于生產信息管理需要大量過程數據，這就要求DCS系統能夠走向開放，與工廠信息系統集成，實現管理控制一體化。

　　霍尼韋爾公司TPS(Total Plant Solution) 系統從1995年開始研發，1996年正式宣布推出。

　　其主要目的就是控制系統從以前的不開放逐步走向開放,并實現管控一體化的目的。TPS保持TDC3000系統的基本架構，控制網絡還是使用LCN+UCN雙層網結構，使用HPM過程控制器，緊急停車系統采用FSC。在人際界面及高級應用平臺上開始使用基于MS Windows NT 操作系統的PC開放平臺。就是用GUS(Global User Station)操作站取代原來的US操作站；用APP(Application Processing Platform)取代原來的AM。這是世界上第一次正式將微軟公司的Windows操作系統用于DCS系統，從此基于Windows操作系統逐步成為集散控制系統中集中操作和管理的主要平臺。接著在1998年增加一個Uniformance PHD(Plant History Database)節點，從而標志著完整的TPS系統歷經3年研制宣告全部完成。

圖3. TPS系統結構

　　Uniformance PHD是一個功能強大工廠實時數據庫，為全廠范圍數據采集、存儲和管理建立了一整套單一、開放、集成的一體化應用平臺。開放型數據庫系統集成所有工廠的過程數據、商業管理數據并支持相關應用。這種全廠范圍內的數據庫結構可保障工廠的管理部門使用一致的數據。實時數據庫Uniformance? PHD引入DCS系統，實現了真正的管控一體化的目標。

　　在系統內含有實時數據庫系統，就算現在的DCS系統也少見。

　　3 新一代控制系統Experion PKS

　　霍尼韋爾Experion PKS 是從2001年開始研發，2002年正式推出，到2006推出最新R300版本，歷經5研發最終完成的新一代過程自動化化系統。

　　Experion PKS(Process Knowledge System) 稱之為世界第一套過程知識系統，融入霍尼韋爾數十年的過程控制、資產管理、領域專家的經驗；融合目前最新控制技術,現場總線，高級控制應用；融合通訊網絡，計算機, 數字視頻等最新開放技術；融合霍尼韋爾已有TDC2000/TDC3000/ TPS和PlantScape各自的技術優勢；集成有大量基于知識應用的平臺；其目標就是通過Experion PKS，幫助工廠提高營運品質(Business  Performance)。
 

圖4. Experion PKS系統

　　Experion PKS系統分為Experion PKS Platform 和Experion PKS Application兩部分,就是平臺和應用。平臺指的是傳統DCS功能部分，應用指的是基于平臺之上的各種應用。如圖5所示，其背景圖表示平臺，四角分別表示四大部分應用，過程(PROCESS)、業務(BUSINESS)、資產(ASSETS)、人員(PEOPLE)。

 
圖5. Experion PKS平臺和應用

　　Experion PKS平臺包含大量新技術，以下主要介紹Experion PKS平臺的三個重要技術：分布式系統架構DSA，新一代過程控制器--C300，新一代過程控制網絡—FTE的功能及特點，以此分析工業自動化過程控制系統的發展的一些趨勢。

　　3.1 分布式系統架構DSA

　　傳統DCS的集散概念一般停留在一個生產裝置以內，一個生產裝置使用一套獨立控制系統，在不共工段使用不同的操作站，不同的控制器及IO進行各工段的操作和控制。隨著現代過程工業不斷地往超大規模發展，每個生產裝置之間的上下游關系更加密切，對集散控制系統(DCS)提出了新的要求。不僅要求全流程中每個生產裝置相對保持獨立性，以利于危險分散，獨立裝置開停車，易于進行獨立安裝和維護。而且要求能夠實現各生產裝置的信息集中管理和共享，這就是更高層次的集散控制概念。
 

圖6. Experion PKS DSA架構

　　分布式系統架構DSA(Distributed System Architecture)是Honeywell Experion PKS創新技術之一。它將每個生產裝置用一個稱之為Experion PKS 族來控制，每個族具有獨立的實時過程數據庫(ERDB),保證每個族的獨立性。多個Experion PKS 族通過DSA可以很容易地集成一個單一的系統中，無需重復組態，無縫集成所有DCS數據,包括實時點數據, 報警事件, 操作信息, 歷史數據，操作權限等等。在ERDB之上使用更高層次的企業模型數據庫(EMDB)，實現族之間的管理。從而實現各生產裝置的信息集中管理和共享，構成超大規模系統，并且易于擴展。

　　DSA可使用各種通用的網絡，包括局域網、廣域網。支持微波、衛星、租用專線網絡等，突破地理位置上的分散。

　　Experion PKS 分布式系統架構DSA，是目前唯一一個能夠實現更高層次集散控制概念的過程自動化控制系統。是集散控制系統DCS發展非常重要的一個趨勢。

　　3.2 新一代過程控制器--C300

　　過程控制器是DCS基礎功能，前幾年由于現場總線的發展，一些PID控制回路下移到現場儀表中，有些人認為DCS的發展趨勢是過程控制器的功能將被削弱，將來甚至會消失。而霍尼韋爾Experion PKS的過程控制器C300的推出說明，過程控制器不但不會消失，而且功能會更加強大。過程控制器的發展方向就是提高過程控制品質。

　　提高過程控制品質(Performance)，就是以前一些無法實現自動調節，或調節精度較差的回路，實現高精度自動調節。從而提高生產過程的整體穩定性，實現過程品質的提高。

　　大家知道調節回路控制都是使用基于PID算法。PID算法發明于上世紀30年代，基本算法已經有 70 多年沒有改變了，全球大約 99% 的單回路常規控制是由 PID控制的。PID 簡單, 快速, 通用, 并且靈活。但是PID也存在一些問題，主要有：

　　PID 難以處理那些大滯后，非線性，和強干擾的過程；

　　PID 魯棒性不理想，不同工況其參數是不一 樣的；

　　PID 參數整定不容易；

　　PID 會將干擾信號直接傳到控制器的輸出。

　　PID存在的問題早就被人們發現，盡管出現很多PID參數整定方法，但是無法根本解決問題。多年來人們一直在尋找更好的控制算法來取代PID,以解決其不足，但均無成功。現在霍尼韋爾在Experion PKS的過程控制器上推出了可取代PID的過程回路調節算法Profit loop, 成功地解決了PID的不足。
 

圖7. Profit loop效果

　　Profit loop是一個基于模型的預估控制，單輸入單輸出 (SISO) 的控制算法，它來源于Honeywell’s 專利技術并現場使用多年優化控制，經過考驗的多回路預估控制技術 Profit Suite control。

　　Profit loop主要特點：

　　子秒級執行

　　模型精度要求低，建模容易

　　模型+預測偏差糾正

　　回路單參數調節，使用簡單

　　在速度與魯棒性之間取舍

　　支持范圍控制算法

　　支持局部優化控制

　　可極大減少閥門的移動距離

　　Profit loop已成功在很多現場使用，取得很好效果。生產過程品質得到明顯提高。霍尼韋爾將繼續在過程控制器中增加新功能，如多進單出回路調節，或二進二出雙回路耦合控制等。

　　通過提高過程基本回路的運行品質，從而提高整個生產過程的穩定性，實現過程品質的提高是過程控制器發展的一個長期趨勢。

　　C300控制器在硬件上也有很大的突破，采用垂直設計，便于安裝接線和維護，便于散熱，節省空間。

　　3.3 新一代過程控制網絡--FTE

　　隨著現場智能儀表的普及，過程信息量的快速增大，大量高級應用的使用，以及開放性和便于連接的要求，對過程控制網絡也提出了新的要求：

　　更高速度；

　　開放且易于接入；

　　高安全性；

　　更低的使用及維護成本。
 

圖8. Experion PKS FTE網絡

　　將基于交換機的高速以太網作為現代控制系統網絡成為大多數DCS廠商的選擇。把商用以太網用于工業控制網必須解決實時性、可用性、安全性三個大問題。交換機是通過為需要通信的兩臺主機直接建立專用的通信信道，很好地解決了實時性問題；可用性大部分廠商仍然采用傳統控制網絡的冗余思路，但在網絡故障時冗余切換時間較長，難以滿足要求；以太網安全性問題是目前最為突出的問題。

　　霍尼韋爾Experion PKS系統的容錯以太網FTE(Fault Tolerant Ethernet)是目前唯一能夠完美解決這三個大問題控制網絡。

　　3.3.1 FTE網絡特點

　　網絡物理設備冗余配置：冗余以太網交換機；雙以太網接口卡，冗余接線；

　　單網絡架構：邏輯上不在區分A網與B網，因此不存在網絡切換；

　　FTE節點具有多路徑選擇能力：使用Honeywell 專用FTE軟件，不斷檢測網絡狀態，自動選擇最優路徑通訊。

　　高安全架構：分層控制網絡，控制防火墻，交換機安全設置，容許單點故障和一些多點故障。

　　物理設備冗余，單網絡架構和多路徑選擇解決了可用性問題，同時網絡有效帶寬比冗余網絡高一倍，網絡資源得到充分利用。

　　3.3.2 Experion PKS 網絡安全

　　大家知道用普通以太網作為工控網絡會帶來很多的好處，但是同時也帶來了風險。某些網絡設備的故障、病毒或黑客的入侵可能導致泄密或網絡通訊堵塞。通用交換機無法辨別和過濾垃圾信息，不明信息在網絡上可通向每一個節點，每一個節點的收件箱都會充滿這些垃圾信息。過程控制器將花費寶貴的時間去清理這些垃圾信息，導致控制性能的降低，甚至死機，給工廠帶來重大危險。

　　工廠網絡一般分為4層，Level 1 到Level 4層。在網絡安全性上，Experion PKS R300版本在Level1上使用世界上第一臺的控制防火墻。它是在已有可靠的網絡架構基礎上，增加另外一層高安全防護，控制防火墻只允許與C300控制器有關的信息通過，拒絕接受所有控制器不需要的信息；控制， I/O 通訊, 和 peer-to-peer 通訊不受影響，保證確定性!如果通訊速度變慢，將對那些不重要的信息流進行控制；易于維護。

　　EPKS C300及控制防火墻組合是目前唯一一個已經取得新MUSIC(Mu Security Industrial Control Certification)安全認證的控制器，這是一個遵循ISA-SP99 安全標準，專門針對基于IP連接的控制器進行的安全認證。

圖9. Experion PKS 控制防火墻

　　在Level2這一層使用Cisco 智能型交換機連接。并對其端口進行優先級配置，與控制器連接的斷口具有對高優先級，有操作站和服務器連接端口配置為次優先級等。同時在交換機設置具有抑制廣播通訊，多波通訊和單波通訊風暴等能力。保證在任何情況下操作站均可與控制器保持通訊。

　　在Level3 在這一層使用路由交換機連接。

　　一般在大型生產裝置中，Experion PKS將獨立的生產裝置在L1和L2層組織成一個獨立的FTE社區(FTE community),不同社區之間通過L3層路由器進行廣播域的隔離。這樣可以實現大型石油化工聯合生產中各裝置之間的相對獨立性，避免萬一網絡出現信息風暴時的蔓延其它社區。同時可以實現在各獨立生產裝置之間的信息共享。

　　Honeywell 在Experion PKS 控制網絡安全上考慮了目前所有已知的各種安全隱患。同時在系統架構中已經考慮到局部可能出現物理故障時的容錯能力。控制網絡受到垃圾信息風暴攻擊時的隔離措施，控制信息的優先級通訊。考慮到了極端情況發生，就是萬一整個網絡受攻擊癱瘓，控制器C300在控制器防火墻的保護下能夠繼續工作，保證生產正常進行。

　　3.4 Experion PKS平臺大量新技術的使用

　　以上僅僅是介紹Experion PKS平臺的重要核心技術中的三個。為了幫助工廠提高營運品質，Experion PKS平臺使用大量的新技術，新功能和基于知識的應用:

　　在L1層與安全系統的完全集成；

　　與實時數據庫的完全融合；

　　與數字視頻技術的集成；

　　在DCS層面內嵌符合ISA S88的批量處理功能；

　　為了提高操作效率，減少事故發生，系統操作站內嵌異常狀態管理ASM(Abnormal Situation Management)協會制定的操作管理最優實踐，和先進報警管理；

　　系統內含程序化操作，減少操作失誤，提高產品質量穩定性；

　　工業無線技術的集成，包括無線現場儀表，無限現場設備巡檢與管理系統，無線現場操作站，和無限現場定位系統等；

　　更加開放的技術，支持所有工業網絡和標準；

　　系統包含自動備份與恢復功能EBR(Experion Backup and Restore),以實現萬一在基于PC的平臺出現故障時保護數據和快速恢復。

　　集成，獲取和使用大量的先進應用。

　　4 總結

　　縱觀霍尼韋爾公司在過去30多年DCS變遷，可以看到工業過程自動化的發展過程：

　　TDC2000實現了傳統儀表控制到集散控制系統(DCS)的轉折，幫助工廠更加穩定安全生產。

　　TDC3000實現了DCS系統走向規模更大，具備高級控制和優化控制的階段，提高工廠安全生產和效率。

　　TPS系統使DCS走向開放，并且實現管理控制一體化的目標，提高企業管理水平，快速響應市場需求，從而提高工廠效益。

　　Experion PKS 根據現在企業的要求，以圍繞提高工廠營運品質為目標，通過大量的新技術，幫助工廠以較低運行與維護成本，實現超大規模、高穩定性、高安全性、高品質地完成企業生產目標，實現利益的最大化。

　　為了幫助工廠提高營運品質，最為新一代的過程自動化系統Experion PKS，在傳統DCS基礎上發生了極大變化，從中看到過程自動化系統發展的一些趨勢：

　　滿足超大規模生產需求，實現更高層次的集散控制概念；

　　過程控制器更加節省空間，更加便于安裝和維護；過程控制器功能更加強大，新控制算法的引入，極大提高了過程品質。DCS控制器的發展方向就是提高控制品質。

　　使用基于交換機的高速以太網最為工業控制網絡，滿足工業控制系統的開放、高速、低運行和維護成本要求。同時滿足控制網絡的實時性、可用性、和安全性要求。

　　大量新技術，新功能和基于知識應用的引入。

　　工業過程自動化系統還在不斷發展之中，幫助工廠提高營運品質，將仍然是以后相當一段時間內工業過程自動化系統的發展方向。

　　最后引用Honeywell 工業部總栽Jack Bolick的話：“We provide complete, customer-focused solutions to improve your business performance and peace of mind.” (我們提供完整的，用戶關注的解決方案以提高你們的營運品質并且放心無憂)。

　　參考文獻

　　[1]  Experion PKS Platform    HONEYWELL

　　[2]  HONEYWELL PKS Manual          HONEYWELL

　　[3]  TPS System Overview         HONEYWELL