从霍尼韦尔DCS的变迁看过程自动化控制系统的发展趋势

摘 要：本文主要通过回顾霍尼韦尔公司DCS系统的30多年发展历程，重点介绍霍尼韦尔新一代Experion PKS系统的一些主要特征，以此分析工业自动化过程控制系统的发展趋势。

　　关键词：DCS,TDC200,TDC300,Experion PKS,控制网络,过程控制器,集散控制。

　　1 前言
　　自从霍尼韦尔公司在1975年推出世界上第一套DCS系统TDC2000至今已经过去30多年的时间，过程自动化控制系统发生了巨大的变化。回顾一下霍尼韦尔公司DCS系统的变迁过程，关注霍尼韦尔新一代Experion PKS系统，对我们了解当前DCS发展动态，把握将来的发展趋势具有非常积极意义。
　　2 霍尼韦尔公司DCS回顾
　　2.1 TDC2000系统
　　在1975年霍尼韦尔公司推出TDC2000系统以前，过程工业控制还处在过程仪表自动化控制时代，国外使用电动仪表，而国内还处于主要使用气动仪表，刚开始尝试使用电动仪表阶段。生产过程对自动化控制要求相对较低，主要是保证生产稳定及相对安全运行。无法或难以实现复杂控制，更谈不上先进或优化控制，生产效率相对较低，能耗大，产品成本高。尽管这时已经出现了各种型号的计算机，并且很多人试图将计算机用于过程控制，但是由于没有很好地解决由于计算机故障而带来的生产损失和安全隐患问题，因而无法真正实现将计算机用于生产过程控制。
　　TDC2000的推出，其重要意义在于提出并实现了集散控制的概念。集中操作和管理，实现各回路或设备之间更加协调运行，以提高生产运行稳定性和安全性；分散控制，实现危险分散和隔离，并且易于安装和维护。
　　30多年的实践证明，集散控制概念是计算机过程控制的一个基本原则。这个概念不仅今天没有过时，而且在以后相当长的时期内都将是计算机过程工业控制的一个主导路线。
　　根据集散原则，整个TDC2000的基本功能分布特点是：控制网络采用单层冗余结构；操作站负责操作与处数据存储；不同的控制器实现不同的过程控制等等。这种基本功能分布至今还被有些控制厂商的DCS所采用的。
　　TDC2000产生了当时控制系统领域很多重要成果, 如现在很平常的冗余控制器，冗余控制网络 (DH - Data Hiway)，人机界面等。
　　单从控制功能上看， TDC2000主要实现了用计算机控制取代传统的仪表控制，还不能实现先进或优化控制，并且控制规模还是较小，仅适合一套生产装置控制。

图1. TDC2000系统结构

　　2.2 TDC3000系统
　　1982 年Honeywell 发布TDC3000 BASIC 系统，它是在TDC2000 基础上增加一条LCN(Local Control Network)网络，构成LCN+DH 双层控制网络架构。并将操作与数据存储管理功能移到LCN网上，在DH网上只连接控制器。
　　1986 年Honeywell 发布TDC3000 标准系统，它增加一条UCN(Universal Control Network)网络用于取代DH网络。我们现在通常所说的TDC3000系统就是LCN+UCN结构的系统。
　　TDC3000重新对功能进行划分，在LCN上增加应用模件AM(Application Module)用于高级控制；增加PLNM（Plant Network Module）与VAX计算机的接口模件用于优化控制；将操作站与数据存储管理分开，增加了历史模件HM(History Module)；推出万能操作站US(Universal station) 在UCN上推出著名的PM系列控制器,同时引入安全系统SM(Safety Manager)用于工厂紧急安全停车。

图2. TDC3000系统结构

　　TDC3000作为最为典型DCS系统，进一步体现了集散控制理念，主要特点有：
　　满足较大规模生产需要，两层控制网络架构，每条LCN可以连接10条UCN,每条UCN可连接32对冗余控制器。还可以将64 条LCN通过NG连起来。
　　三层控制平台
　　1) PMx 实现最基础的回路调节,逻辑连锁，顺序控制以及复杂回路控制。
　　2) AM 实现高级控制
　　3) VAX 实现优化控制
　　紧急停车系统SM的引入，实现安全生产保护。
　　全局数据库概念，专用的历史模件
　　万能操作站，同时具备操作站和工程师站能力。
　　TDC3000最为一套最为经典的DCS系统，满足较大规模安全生产，复杂控制和先进控制应用。被大量的应用到工业生产控制中，特别是很多石油化工大型联合生产装置。
　　TDC3000进一步体现了集散控制系统理念，其很多设计思想在霍尼韦尔最新的控制系统中继续得到应用。
　　2.3 TPS系统
　　从上世纪90年开始，计算机特别是基于MS Windows 操作系统的PC机在工业企业大量使用，大大推动了企业信息管理应用水平。由于生产信息管理需要大量过程数据，这就要求DCS系统能够走向开放，与工厂信息系统集成，实现管理控制一体化。
　　霍尼韦尔公司TPS(Total Plant Solution) 系统从1995年开始研发，1996年正式宣布推出。
　　其主要目的就是控制系统从以前的不开放逐步走向开放,并实现管控一体化的目的。TPS保持TDC3000系统的基本架构，控制网络还是使用LCN+UCN双层网结构，使用HPM过程控制器，紧急停车系统采用FSC。在人际界面及高级应用平台上开始使用基于MS Windows NT 操作系统的PC开放平台。就是用GUS(Global User Station)操作站取代原来的US操作站；用APP(Application Processing Platform)取代原来的AM。这是世界上第一次正式将微软公司的Windows操作系统用于DCS系统，从此基于Windows操作系统逐步成为集散控制系统中集中操作和管理的主要平台。接着在1998年增加一个Uniformance PHD(Plant History Database)节点，从而标志着完整的TPS系统历经3年研制宣告全部完成。

图3. TPS系统结构

　　Uniformance PHD是一个功能强大工厂实时数据库，为全厂范围数据采集、存储和管理建立了一整套单一、开放、集成的一体化应用平台。开放型数据库系统集成所有工厂的过程数据、商业管理数据并支持相关应用。这种全厂范围内的数据库结构可保障工厂的管理部门使用一致的数据。实时数据库Uniformance PHD引入DCS系统，实现了真正的管控一体化的目标。
　　在系统内含有实时数据库系统，就算现在的DCS系统也少见。
　　3 新一代控制系统Experion PKS
　　霍尼韦尔Experion PKS 是从2001年开始研发，2002年正式推出，到2006推出最新R300版本，历经5研发最终完成的新一代过程自动化化系统。
　　Experion PKS(Process Knowledge System) 称之为世界第一套过程知识系统，融入霍尼韦尔数十年的过程控制、资产管理、领域专家的经验；融合目前最新控制技术,现场总线，高级控制应用；融合通讯网络，计算机, 数字视频等最新开放技术；融合霍尼韦尔已有TDC2000/TDC3000/ TPS和PlantScape各自的技术优势；集成有大量基于知识应用的平台；其目标就是通过Experion PKS，帮助工厂提高营运品质(Business Performance)。

图4. Experion PKS系统

 

　Experion PKS系统分为Experion PKS Platform 和Experion PKS Application两部分,就是平台和应用。平台指的是传统DCS功能部分，应用指的是基于平台之上的各种应用。如图5所示，其背景图表示平台，四角分别表示四大部分应用，过程(PROCESS)、业务(BUSINESS)、资产(ASSETS)、人员(PEOPLE)。

图5. Experion PKS平台和应用

　　Experion PKS平台包含大量新技术，以下主要介绍Experion PKS平台的三个重要技术：分布式系统架构DSA，新一代过程控制器--C300，新一代过程控制网络—FTE的功能及特点，以此分析工业自动化过程控制系统的发展的一些趋势。
　　3.1 分布式系统架构DSA
　　传统DCS的集散概念一般停留在一个生产装置以内，一个生产装置使用一套独立控制系统，在不共工段使用不同的操作站，不同的控制器及IO进行各工段的操作和控制。随着现代过程工业不断地往超大规模发展，每个生产装置之间的上下游关系更加密切，对集散控制系统(DCS)提出了新的要求。不仅要求全流程中每个生产装置相对保持独立性，以利于危险分散，独立装置开停车，易于进行独立安装和维护。而且要求能够实现各生产装置的信息集中管理和共享，这就是更高层次的集散控制概念。

图6. Experion PKS DSA架构

　　分布式系统架构DSA(Distributed System Architecture)是Honeywell Experion PKS创新技术之一。它将每个生产装置用一个称之为Experion PKS 族来控制，每个族具有独立的实时过程数据库(ERDB),保证每个族的独立性。多个Experion PKS 族通过DSA可以很容易地集成一个单一的系统中，无需重复组态，无缝集成所有DCS数据,包括实时点数据, 报警事件, 操作信息, 历史数据，操作权限等等。在ERDB之上使用更高层次的企业模型数据库(EMDB)，实现族之间的管理。从而实现各生产装置的信息集中管理和共享，构成超大规模系统，并且易于扩展。
　　DSA可使用各种通用的网络，包括局域网、广域网。支持微波、卫星、租用专线网络等，突破地理位置上的分散。
　　Experion PKS 分布式系统架构DSA，是目前唯一一个能够实现更高层次集散控制概念的过程自动化控制系统。是集散控制系统DCS发展非常重要的一个趋势。
　　3.2 新一代过程控制器--C300
　　过程控制器是DCS基础功能，前几年由于现场总线的发展，一些PID控制回路下移到现场仪表中，有些人认为DCS的发展趋势是过程控制器的功能将被削弱，将来甚至会消失。而霍尼韦尔Experion PKS的过程控制器C300的推出说明，过程控制器不但不会消失，而且功能会更加强大。过程控制器的发展方向就是提高过程控制品质。
　　提高过程控制品质(Performance)，就是以前一些无法实现自动调节，或调节精度较差的回路，实现高精度自动调节。从而提高生产过程的整体稳定性，实现过程品质的提高。
　　大家知道调节回路控制都是使用基于PID算法。PID算法发明于上世纪30年代，基本算法已经有 70 多年没有改变了，全球大约 99% 的单回路常规控制是由 PID控制的。PID 简单, 快速, 通用, 并且灵活。但是PID也存在一些问题，主要有：
　　PID 难以处理那些大滞后，非线性，和强干扰的过程；
　　PID 鲁棒性不理想，不同工况其参数是不一 样的；
　　PID 参数整定不容易；
　　PID 会将干扰信号直接传到控制器的输出。
　　PID存在的问题早就被人们发现，尽管出现很多PID参数整定方法，但是无法根本解决问题。多年来人们一直在寻找更好的控制算法来取代PID,以解决其不足，但均无成功。现在霍尼韦尔在Experion PKS的过程控制器上推出了可取代PID的过程回路调节算法Profit loop, 成功地解决了PID的不足。

图7. Profit loop效果

　　Profit loop是一个基于模型的预估控制，单输入单输出 (SISO) 的控制算法，它来源于Honeywell’s 专利技术并现场使用多年优化控制，经过考验的多回路预估控制技术 Profit Suite control。
　　Profit loop主要特点：
　　子秒级执行
　　模型精度要求低，建模容易
　　模型+预测偏差纠正
　　回路单参数调节，使用简单
　　在速度与鲁棒性之间取舍
　　支持范围控制算法
　　支持局部优化控制
　　可极大减少阀门的移动距离
　　Profit loop已成功在很多现场使用，取得很好效果。生产过程品质得到明显提高。霍尼韦尔将继续在过程控制器中增加新功能，如多进单出回路调节，或二进二出双回路耦合控制等。
　　通过提高过程基本回路的运行品质，从而提高整个生产过程的稳定性，实现过程品质的提高是过程控制器发展的一个长期趋势。
　　C300控制器在硬件上也有很大的突破，采用垂直设计，便于安装接线和维护，便于散热，节省空间。
　　3.3 新一代过程控制网络--FTE
　　随着现场智能仪表的普及，过程信息量的快速增大，大量高级应用的使用，以及开放性和便于连接的要求，对过程控制网络也提出了新的要求：
　　更高速度；
　　开放且易于接入；
　　高安全性；
　　更低的使用及维护成本。

图8. Experion PKS FTE网络

　　将基于交换机的高速以太网作为现代控制系统网络成为大多数DCS厂商的选择。把商用以太网用于工业控制网必须解决实时性、可用性、安全性三个大问题。交换机是通过为需要通信的两台主机直接建立专用的通信信道，很好地解决了实时性问题；可用性大部分厂商仍然采用传统控制网络的冗余思路，但在网络故障时冗余切换时间较长，难以满足要求；以太网安全性问题是目前最为突出的问题。
　　霍尼韦尔Experion PKS系统的容错以太网FTE(Fault Tolerant Ethernet)是目前唯一能够完美解决这三个大问题控制网络。
　　3.3.1 FTE网络特点
　　网络物理设备冗余配置：冗余以太网交换机；双以太网接口卡，冗余接线；
　　单网络架构：逻辑上不在区分A网与B网，因此不存在网络切换；
　　FTE节点具有多路径选择能力：使用Honeywell 专用FTE软件，不断检测网络状态，自动选择最优路径通讯。
　　高安全架构：分层控制网络，控制防火墙，交换机安全设置，容许单点故障和一些多点故障。
　　物理设备冗余，单网络架构和多路径选择解决了可用性问题，同时网络有效带宽比冗余网络高一倍，网络资源得到充分利用。
　　3.3.2 Experion PKS 网络安全
　　大家知道用普通以太网作为工控网络会带来很多的好处，但是同时也带来了风险。某些网络设备的故障、病毒或黑客的入侵可能导致泄密或网络通讯堵塞。通用交换机无法辨别和过滤垃圾信息，不明信息在网络上可通向每一个节点，每一个节点的收件箱都会充满这些垃圾信息。过程控制器将花费宝贵的时间去清理这些垃圾信息，导致控制性能的降低，甚至死机，给工厂带来重大危险。
　　工厂网络一般分为4层，Level 1 到Level 4层。在网络安全性上，Experion PKS R300版本在Level1上使用世界上第一台的控制防火墙。它是在已有可靠的网络架构基础上，增加另外一层高安全防护，控制防火墙只允许与C300控制器有关的信息通过，拒绝接受所有控制器不需要的信息；控制， I/O 通讯, 和 peer-to-peer 通讯不受影响，保证确定性!如果通讯速度变慢，将对那些不重要的信息流进行控制；易于维护。
　　EPKS C300及控制防火墙组合是目前唯一一个已经取得新MUSIC(Mu Security Industrial Control Certification)安全认证的控制器，这是一个遵循ISA-SP99 安全标准，专门针对基于IP连接的控制器进行的安全认证。

图9. Experion PKS 控制防火墙

　　在Level2这一层使用Cisco 智能型交换机连接。并对其端口进行优先级配置，与控制器连接的断口具有对高优先级，有操作站和服务器连接端口配置为次优先级等。同时在交换机设置具有抑制广播通讯，多波通讯和单波通讯风暴等能力。保证在任何情况下操作站均可与控制器保持通讯。
　　在Level3 在这一层使用路由交换机连接。
　　一般在大型生产装置中，Experion PKS将独立的生产装置在L1和L2层组织成一个独立的FTE社区(FTE community),不同社区之间通过L3层路由器进行广播域的隔离。这样可以实现大型石油化工联合生产中各装置之间的相对独立性，避免万一网络出现信息风暴时的蔓延其它社区。同时可以实现在各独立生产装置之间的信息共享。
　　Honeywell 在Experion PKS 控制网络安全上考虑了目前所有已知的各种安全隐患。同时在系统架构中已经考虑到局部可能出现物理故障时的容错能力。控制网络受到垃圾信息风暴攻击时的隔离措施，控制信息的优先级通讯。考虑到了极端情况发生，就是万一整个网络受攻击瘫痪，控制器C300在控制器防火墙的保护下能够继续工作，保证生产正常进行。
　　3.4 Experion PKS平台大量新技术的使用
　　以上仅仅是介绍Experion PKS平台的重要核心技术中的三个。为了帮助工厂提高营运品质，Experion PKS平台使用大量的新技术，新功能和基于知识的应用:
　　在L1层与安全系统的完全集成；
　　与实时数据库的完全融合；
　　与数字视频技术的集成；
　　在DCS层面内嵌符合ISA S88的批量处理功能；
　　为了提高操作效率，减少事故发生，系统操作站内嵌异常状态管理ASM(Abnormal Situation Management)协会制定的操作管理最优实践，和先进报警管理；
　　系统内含程序化操作，减少操作失误，提高产品质量稳定性；
　　工业无线技术的集成，包括无线现场仪表，无限现场设备巡检与管理系统，无线现场操作站，和无限现场定位系统等；
　　更加开放的技术，支持所有工业网络和标准；
　　系统包含自动备份与恢复功能EBR(Experion Backup and Restore),以实现万一在基于PC的平台出现故障时保护数据和快速恢复。
　　集成，获取和使用大量的先进应用。
　　4 总结
　　纵观霍尼韦尔公司在过去30多年DCS变迁，可以看到工业过程自动化的发展过程：
　　TDC2000实现了传统仪表控制到集散控制系统(DCS)的转折，帮助工厂更加稳定安全生产。
　　TDC3000实现了DCS系统走向规模更大，具备高级控制和优化控制的阶段，提高工厂安全生产和效率。
　　TPS系统使DCS走向开放，并且实现管理控制一体化的目标，提高企业管理水平，快速响应市场需求，从而提高工厂效益。
　　Experion PKS 根据现在企业的要求，以围绕提高工厂营运品质为目标，通过大量的新技术，帮助工厂以较低运行与维护成本，实现超大规模、高稳定性、高安全性、高品质地完成企业生产目标，实现利益的最大化。
　　为了帮助工厂提高营运品质，最为新一代的过程自动化系统Experion PKS，在传统DCS基础上发生了极大变化，从中看到过程自动化系统发展的一些趋势：
　　满足超大规模生产需求，实现更高层次的集散控制概念；
　　过程控制器更加节省空间，更加便于安装和维护；过程控制器功能更加强大，新控制算法的引入，极大提高了过程品质。DCS控制器的发展方向就是提高控制品质。
　　使用基于交换机的高速以太网最为工业控制网络，满足工业控制系统的开放、高速、低运行和维护成本要求。同时满足控制网络的实时性、可用性、和安全性要求。
　　大量新技术，新功能和基于知识应用的引入。
　　工业过程自动化系统还在不断发展之中，帮助工厂提高营运品质，将仍然是以后相当一段时间内工业过程自动化系统的发展方向。
　　最后引用Honeywell 工业部总栽Jack Bolick的话：“We provide complete, customer-focused solutions to improve your business performance and peace of mind.” (我们提供完整的，用户关注的解决方案以提高你们的营运品质并且放心无忧)。

　　参考文献
　　[1] Experion PKS Platform HONEYWELL
　　[2] HONEYWELL PKS Manual HONEYWELL
　　[3] TPS System Overview HONEYWELL