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吳  譽

1  問題的提出
網絡技術在控制系統中的應用促進了控制系統技術的發展^[1]。在控制系統的發展過程中，從直接數字控制（DDC，Direct Digital Control）系統到集散控制系統（DCS，Distributed Control System），再到現場總線控制系統（FCS，Fieldbus Control System），網絡技術起到了十分重要的作用。在DDC系統中，沒有網絡。在DCS系統中，開始使用網絡技術，通過網絡連接操作站、控制站等設備，正是因為使用網絡技術，才實現了系統的分散控制。在FCS系統中，網絡技術進一步向現場延伸，實現了現場儀表、執行閥等設備的數字化通信。人們期待著以FCS為代表的新一代網絡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題，什么是網絡控制系統？一個控制系統在多大程度上可以被稱為網絡控制系統？FCS和傳統DCS的本質區別是什么？僅僅因為通過大量使用現場總線技術并將許多控制功能下放到現場設備，就可以稱為新一代網絡控制系統嗎？對這些問題的回答，直接影響著人們對新一代網絡控制系統技術的理解，影響著網絡控制系統技術的發展與應用。
對于以上問題，不能簡單地通過是否每個電氣、儀表、控制設備都實現了網絡通信來進行回答，因為即使實現相同功能的兩個控制系統都采用了網絡技術，它們應用網絡技術的水平和效果也可能有很大差別，也無法知道控制網絡技術在多大程度上滿足了控制系統的實際需要。
本文提出了一種控制系統網絡化程度的量化計算方法，可以幫助回答以上問題，并對控制網絡技術的發展和應用水平進行評估，幫助人們設計和使用新一代網絡控制系統。
2  控制系統網絡化程度計算方法
控制系統的根本任務是實現控制功能，因此可以根據控制功能是否能夠通過網絡實現來計算控制系統的網絡化程度。控制功能是否能夠通過網絡實現可以由硬組態和軟組態概念進行表示。
2.1  硬組態和軟組態概念
一個控制功能，如果由于控制系統結構、控制網絡性能等原因，只能在系統某個特定的控制設備上實現，則該功能是硬組態的。反之，如果一個控制功能，可以通過網絡通信技術，在多個控制設備中的任意一個上實現，則該功能是軟組態的。
顯然，如果一個控制設備不能和其他設備進行通信，則該設備實現的所有控制功能都是硬組態的；而通過現場總線實現的所有回路控制都是軟組態的。
2.2  控制系統網絡化程度計算方法
一個控制系統的網絡化程度，可以按公式(1)進行計算。
 (1)
假設一個控制系統的控制功能由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絡上實現，50個控制功能必須由特定的控制設備實現，則系統網絡化程度是50%。
對于一個具體的控制系統，按公式(1)計算的系統網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，一個控制系統的控制功能個數可能有所不同，所計算的系統網絡化程度也可能不同。但是對于實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，可以很容易地比較出系統網絡化程度的差異。
使用公式(1)，可以比較DDC、DCS以及FCS三種控制系統的網絡化程度。DDC的控制是完全集中式的，沒有使用網絡通信技術，沒有任何一個控制功能可以實現軟組態，因此系統網絡化程度是0。DCS系統具有網絡通信功能，通過網絡可以實現監控、過程優化等功能，系統網絡化程度和DDC相比有了顯著提高。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，系統網絡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現的大量回路控制功能可以下放到現場儀表和執行閥等設備中，系統的網絡化程度又有了明顯提高。
3  影響控制系統網絡化程度的因素
公式(1)計算的控制系統網絡化程度，并不是以控制系統中是否每一個控制設備都實現了網絡通信為依據的。那么，有哪些因素會影響到一個控制系統的網絡化程度呢？最主要的因素有如下兩點。
(1)  控制網絡性能是影響控制系統網絡化程度的決定性因素。
控制網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的，則其相關控制信息必須在控制網絡上進行實時傳送，網絡實時通信周期必須滿足實時控制周期的要求。如果控制網絡實時傳送周期慢于其控制周期，控制功能就不可能實現軟組態。
影響控制系統網絡化程度的另一個網絡性能指標是通信速率，它決定了單位時間內網絡上最大控制數據傳送信息量。如果在一個控制網絡上需要實現100個控制回路，但由于通信速率的限制，只能實現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的，系統總的網絡化程度不會超過50%。
在傳統DCS系統中，控制網絡通信速率低、實時性較差是影響其網絡化程度提高的一個十分重要的原因。一方面DCS控制網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，由于網絡通信速率較低，無法支持大量控制數據實時傳輸，大量的系統控制功能不可能通過網絡實現，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絡化程度有明顯影響。
一個典型的使用Profibus控制網絡的PLC控制系統如圖1所示。這種控制系統由于設計方式不同，系統的網絡化程度可能就有明顯不同。可以設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過程監控，PLC之間的通信主要實現設備安全互鎖等功能。一旦系統設計完成，在某個PLC上實現的控制功能很難轉移到其他PLC上；一個控制功能實現位置的改變，意味著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現控制設備之間的轉移，硬組態比例相當高，整個控制系統的網絡化程度不高。
在方式二中，每個控制功能的實現都是面向網絡進行設計的，只是在系統設計的最后階段控制功能才被安排在某個具體的PLC上實現。當需要時，一個控制功能可以方便地由一個PLC轉移到另一個PLC上實現。整個系統的網絡化程度相當高。
由此可見，按照公式(1)進行計算，一個控制系統的網絡化程度，和是否每個控制設備都使用了網絡技術沒有直接關系。由公式(1)計算的網絡化程度，更能反映控制系統中網絡技術的應用狀況。
4  控制系統網絡化的優點
從影響控制系統網絡化程度的因素可以看到，即使控制系統采用了相同的網絡技術，由于系統設計方式的不同，系統網絡化程度也可能有較大的差別。那么根據公式(1)，控制系統對高網絡化程度的追求，可以為系統帶來哪些優點呢？
控制系統網絡化程度的提高，主要有如下優點。
(1)  提高了系統功能的可分散性
網絡化程度高的控制系統，硬組態控制功能比例小，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行，提高了控制系統的分散性。理論上，任何一個具有軟組態特點的控制功能，都可以在一個獨立的控制設備中完成。控制系統的網絡化程度越高，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的，不僅意味著它可以由一個設備分散到另一個設備中執行，同時也意味著在多個設備中的具有軟組態特點的控制功能，可以集中到同一個控制設備中實現，提高了系統控制功能實現的可集中性。系統功能的實現并不是越分散越好，適當的集中也有其優點，控制系統的高度網絡化為實現集中與分散的合理統一創造了條件。
(3)  增強了系統的開放性
應用協議開放的網絡技術，可以實現不同廠家產品之間的集成。這種開放性的核心體現是系統組織形式靈活，可以選擇不同廠家、不同型號的設備實現控制功能。如果控制功能是硬組態的，通過網絡實現系統的開放性僅僅體現在系統設計時設備的選擇；如果控制功能是軟組態的，則無論是系統設計時還是系統已經投入使用后，都可以采用不同廠家的設備或不同型號設備去實現該功能，系統都具有良好的開放性結構，可以靈活地對系統功能的實現方式進行組織。
(4)  系統功能可移植性增強
一個控制系統，如果大多數功能是軟組態的，意味著控制功能對系統硬件結構的依賴性很低，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，系統的可移植性增強。反之，如果系統的硬組態比例高，大量控制功能直接依賴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復雜、需要較大計算量。如果該功能是硬組態的，則其實現將受到設備計算能力的限制。當系統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。如果該功能是軟組態的，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，從而促進先進工藝和控制技術的應用。一個控制系統采用先進工藝和控制技術的能力，也是系統開放性的重要體現和衡量標準。
(6)  降低系統維護費用
在硬組態比例高的系統中，控制功能難以從一個設備轉移到一個新設備上，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的正常生產，生產現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。在網絡化程度高的系統中，一個設備實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完成。當替換一個控制設備時，系統硬件和控制程序所需調試時間大大縮短，在系統定修時間，一個舊設備就能夠被最新型號的更先進的設備所取代，系統設備維護成本顯著降低。
(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，配件難以購買等原因，會引起控制系統的大規模設備改造。在高度網絡化的控制系統中，大量控制設備的更新換代可以在日常維護中逐步進行。當系統設備需要改造時，也可以盡量控制在一個較小的局部范圍內，從而有效減少企業的停產時間，降低系統改造成本。
由以上優點可以看到，控制系統實現高度的網絡化，可以顯著提高控制系統的性能價格比，切實提高企業的效益，它將改變控制系統的設計和維護方式。這些優點也是新一代網絡控制系統和以DCS為代表的傳統控制系統的顯著區別。
5  控制系統網絡技術發展和應用水平的評估
從影響控制系統網絡化程度的因素可以看到，一個是控制網絡性能因素，一個是控制系統設計方式因素。這兩個因素中，一個反映了控制網絡技術的發展水平，一個反映了控制網絡技術的應用水平。因此，公式(1)所計算的控制系統的網絡化程度，可以反映控制系統網絡技術的整體發展和應用水平。
5.1  控制網絡技術發展水平的評估
當前，開放的現場總線技術是控制網絡技術發展水平的代表。顯然，使用現場總線的控制系統，和傳統DCS相比，系統網絡化程度有了顯著提高。
目前現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、冶金等行業的部分快速過程，現場總線仍難以滿足控制應用的要求。因此，為了提高控制系統網絡化程度，還需要高速控制網絡技術的發展和應用。從目前應用水平看，高速控制網絡技術應達到毫秒級的實時數據傳送周期，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網絡實現，而不是依賴于特定的PLC設備。
高速網絡技術的發展并不是盲目的，其根本目標在于提高控制系統的網絡化程度。因此，在不同的應用領域，高速網絡技術的需求也不同。對于慢變化過程，如果目前控制網絡的通信速率和周期可以滿足要求，則沒必要采用高速網絡技術，而應在提高網絡技術的應用水平上下工夫。
5.2  控制網絡技術應用水平的評估
當前，協議開放的現場總線技術在工業控制領域已經得到了廣泛應用，顯著增強了系統的開放性，控制系統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，許多系統的網絡化程度并不高，網絡技術的優點沒有得到充分發揮，網絡技術的實際應用總體水平較低。
影響控制系統網絡化程度提高的一個重要原因是，盡管網絡技術被更廣泛應用，但控制系統設計仍然沿襲著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，控制設備在整個系統中起著核心作用，控制網絡是為控制設備實現其功能服務的。控制網絡主要被用來實現過程監控、設備報警、控制設備之間的安全保護等功能，較少地被用于實時回路控制。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控制設備，難以實現軟組態。
在新一代網絡控制系統的研究和應用中，有以下幾點值得注意：
(1)  現場總線技術的大量使用，并不意味著系統的高度網絡化。
現場總線的使用，可以將控制功能分散到現場儀表、執行機構中執行。但現場儀表和執行機構僅僅是整個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等復雜控制設備來完成。這些設備上實現的控制功能是否是軟組態的，將直接影響整個系統的網絡化程度，并影響網絡技術優點的發揮。
(2)  實現分散與集中的合理統一。
網絡技術的發展與應用，盡管為控制功能的高度分散創造了條件，但控制功能并不是越分散越好。控制功能過度分散，反而會降低系統的可靠性和平均無故障時間，增加系統的設備投資和維護成本。隨著控制設備計算能力的提高，系統功能完全可以進行適當的集中。例如，原先在多個控制站或PLC中實現的功能，可以通過網絡集中到兩個互為冗余的新型控制設備中來實現，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絡化程度。
(3)  實現新一代網絡控制系統，關鍵在于系統設計思想的改變。
新一代網絡控制系統，不在于是否每一個控制設備都實現了網絡通信技術，更主要地是系統設計思想的變革。在新一代網絡控制系統的設計思想中，網絡在系統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絡實現的，并不依賴于具體的某個控制設備。控制設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，是從整個系統的實現功能要求和整體結構進行考慮的。只有切實改變系統的設計思想，系統的網絡化程度才能得到有效提高，網絡技術的優點才能得到充分發揮。
6  結語
本文提出的控制系統網絡化程度計算方法，并不是以控制系統中有多少電氣、儀表、控制設備實現了網絡通信功能為衡量指標，而是以控制功能是否能夠通過網絡實現為依據。它可以更好地描述控制網絡在控制系統中的功能和作用，評估網絡技術在控制領域的發展和應用水平，并對新一代網絡控制系統的發展具有指導意義。

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