超全面的DCS、FCS、PLC講解文章

發(fā)布者：虹潤(rùn)集團(tuán)

導(dǎo)讀

目前，在連續(xù)型流程生產(chǎn)自動(dòng)控制或習(xí)慣稱(chēng)之為工業(yè)過(guò)程控制中，有三大控制系統(tǒng)，即PLC、DCS和FCS。今天自動(dòng)化頻道就給大家介紹它們各自的基本特點(diǎn)及這三大系統(tǒng)之間的差異等。

三大控制系統(tǒng)各自的特點(diǎn)

1.分散控制系統(tǒng)DCS與集散控制系統(tǒng)TDCS是集4C(Com-munication。Computer，Control，CRT)技術(shù)于一身的監(jiān)控技術(shù)。

2. 從上到下的樹(shù)狀拓?fù)浯笙到y(tǒng)，其中通信(Communication)是關(guān)鍵。

3. PID在中斷站中，中斷站聯(lián)接計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表與控制裝置。

4. 是樹(shù)狀拓?fù)浜筒⑿羞B續(xù)的鏈路結(jié)構(gòu)，也有大量電纜從中繼站并行到現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表。

5. 模擬信號(hào)，A／D—D／A、帶微處理器的混合。

6. 一臺(tái)儀表一對(duì)線接到I／O，由控制站掛到局域網(wǎng)LAN。

7. DCS是控制(工程師站)、操作(操作員站)、現(xiàn)場(chǎng)儀表(現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控站)的3級(jí)結(jié)構(gòu)。

8. 缺點(diǎn)是成本高，各公司產(chǎn)品不能互換，不能互操作，大DCS系統(tǒng)各家是不同的。

9. 用于大規(guī)模的連續(xù)過(guò)程控制，如石化等。

1. 從開(kāi)關(guān)雖控制發(fā)展到順序控制、運(yùn)送處理，是從下往上的。

2. 連續(xù)PID控制等多功能，PID在中斷站中。

3. 可用一臺(tái)PC機(jī)為主站，多臺(tái)同型PLC為從站。

4. 也可一臺(tái)PLC為主站，多臺(tái)同型PLC為從站，構(gòu)成PIE網(wǎng)絡(luò)。這比用PC機(jī)作主站方便之處是：有用戶(hù)編程時(shí)，不必知道通信協(xié)議，只要按說(shuō)明書(shū)格式寫(xiě)就行。

5. PLC網(wǎng)格既可作為獨(dú)立DCS／TDCS，也可作為DCS／TDCS的子系統(tǒng)。

6. 大系統(tǒng)同DCS／TDCS，如TDC3000，CENTUMCS，WDPFI。MOD300。

7. PLC網(wǎng)絡(luò)如Siemens公司的SINEC．L1，SINEC．HI，S4，S5，S6，S7等，GE公司的GENET，三菱公司的MELSEC．NET，MELSEC-NET／MINI。

8. 主要用于工業(yè)過(guò)程中的順序控制，新型PLC也兼有閉環(huán)控制功能。

1.基本任務(wù)是：本質(zhì)(本征)安全、危險(xiǎn)區(qū)域、易變過(guò)程、難于對(duì)付的非常環(huán)境。

2. 全數(shù)字化、智能、多功能取代模擬式單功能儀器、儀表、控制裝置。

3. 用兩根線聯(lián)接分散的現(xiàn)場(chǎng)儀表、控制裝置、PID與控制中心，取代每臺(tái)儀器兩根線。

4. 在總線上PID與儀器、儀表、控制裝置都是平等的。

5. 多變量、多節(jié)點(diǎn)、串行、數(shù)字通信系統(tǒng)取代單變量、單點(diǎn)、并行、模擬系統(tǒng)。

6. 是互聯(lián)的、雙向的、開(kāi)放的取代單向的、封閉的。

7. 用分散的虛擬控制站取代集中的控制站。

8. 由現(xiàn)場(chǎng)電腦操縱，還可掛到上位機(jī)，接同一總線的上一級(jí)計(jì)算機(jī)。

9. 局域網(wǎng)，可與intemet相通。

10. 改變傳統(tǒng)的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)、通信標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)入企業(yè)管理網(wǎng)。

三大控制系統(tǒng)之間的差異

差異要點(diǎn)

DCS系統(tǒng)的關(guān)鍵是通信。也可以說(shuō)數(shù)據(jù)公路是分散控制系統(tǒng)DCS的脊柱。由于它的任務(wù)是為系統(tǒng)所有部件之間提供通信網(wǎng)絡(luò)，因此，數(shù)據(jù)公路自身的設(shè)計(jì)就決定了總體的靈活性和安全性。數(shù)據(jù)公路的媒體可以是：一對(duì)絞線、同軸電纜或光纖電纜。為保證通信的完整，大部分DCS廠家都能提供冗余數(shù)據(jù)。為了保證系統(tǒng)的安全性，使用復(fù)雜的通信規(guī)約和檢錯(cuò)技術(shù)。

FCS的關(guān)鍵要點(diǎn)有三點(diǎn)：

1. FCS系統(tǒng)的核心是總線協(xié)議，即總線標(biāo)準(zhǔn)。為了使現(xiàn)場(chǎng)總線滿(mǎn)足可互操作性要求，使其成為真正的開(kāi)放系統(tǒng)，在IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)總線通訊協(xié)議模型的用戶(hù)層中，就明確規(guī)定用戶(hù)層具有裝置描述功能。為了實(shí)現(xiàn)互操作，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線裝置都用裝置DD來(lái)描述。DD能夠認(rèn)為是裝置的一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，它包括所有必要的參數(shù)描述和主站所需的操作步驟。由于DD包括描述裝置通信所需的所有信息，并且與主站無(wú)關(guān)，所以可以使現(xiàn)場(chǎng)裝置實(shí)現(xiàn)真正的互操作性。開(kāi)放的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的互操作性，就一個(gè)特定類(lèi)型的現(xiàn)場(chǎng)總線而言，只要遵循該類(lèi)型現(xiàn)場(chǎng)總線的總線協(xié)議，對(duì)其產(chǎn)品是開(kāi)放的，并具有互操作性。

2. FCS系統(tǒng)的基礎(chǔ)是數(shù)字智能現(xiàn)場(chǎng)裝置。數(shù)字智能現(xiàn)場(chǎng)裝置是FCS系統(tǒng)的硬件支撐，是基礎(chǔ)，道理很簡(jiǎn)單，FCS系統(tǒng)執(zhí)行的是自動(dòng)控制裝置與現(xiàn)場(chǎng)裝置之間的雙向數(shù)字通信現(xiàn)場(chǎng)總線信號(hào)制。如果現(xiàn)場(chǎng)裝置不遵循統(tǒng)一的總線協(xié)議，即相關(guān)的通訊規(guī)約，不具備數(shù)字通信功能，那么所謂雙向數(shù)字通信只是一句空話，也不能稱(chēng)之為現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。再一點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)總線的一大特點(diǎn)就是要增加現(xiàn)場(chǎng)一級(jí)控制功能。

3. FCS系統(tǒng)的本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場(chǎng)化。對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)，無(wú)論是采用DCS還是采用現(xiàn)場(chǎng)總線，系統(tǒng)需要處理的信息量至少是一樣多的。實(shí)際上，采用現(xiàn)場(chǎng)總線后，可以從現(xiàn)場(chǎng)得到更多的信息?，F(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的信息量沒(méi)有減少，甚至增加了，而傳輸信息的線纜卻大大減少了。這就要求一方面要大大提高線纜傳輸信息的能力，另一方面要讓大量信息在現(xiàn)場(chǎng)就地完成處理，減少現(xiàn)場(chǎng)與控制機(jī)房之間的信息往返?？梢哉f(shuō)現(xiàn)場(chǎng)總線的本質(zhì)就是信息處理的現(xiàn)場(chǎng)化。減少信息往返是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)組態(tài)的一條重要原則。減少信息往返常?？蓭?lái)改善系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的好處。

典型系統(tǒng)比較

通過(guò)使用現(xiàn)場(chǎng)總線，用戶(hù)可以大量減少現(xiàn)場(chǎng)接線，用單個(gè)現(xiàn)場(chǎng)儀表可實(shí)現(xiàn)多變量通信，不同制造廠生產(chǎn)的裝置間可以完全互操作，增加現(xiàn)場(chǎng)一級(jí)的控制功能，系統(tǒng)集成大大簡(jiǎn)化，并且維護(hù)十分簡(jiǎn)便。

設(shè)計(jì)、投資及使用

比較的前提是DCS系統(tǒng)與典型的、理想的FCS系統(tǒng)進(jìn)行比較。為什么要做如此的假設(shè)。作為DCS系統(tǒng)發(fā)展到今天，開(kāi)發(fā)初期提出的技術(shù)要求卻已滿(mǎn)足并得到了完善，目前的狀況是進(jìn)一步提高，因此也就不存在典型、理想的說(shuō)法。而作為FCS系統(tǒng)，20世紀(jì)90年代剛進(jìn)入實(shí)用化，作為開(kāi)發(fā)初期的技術(shù)要求：兼容開(kāi)放，雙向數(shù)字通信、數(shù)字智能現(xiàn)場(chǎng)裝置、高速總線等，目前還不理想有待完善。這種狀態(tài)與現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定不能說(shuō)沒(méi)有關(guān)系。過(guò)去的十多年，各總線組織都忙于制定標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，占領(lǐng)更多的市場(chǎng)，目的就是要擠身于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，合法的占領(lǐng)更大的市場(chǎng)?，F(xiàn)在有關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的爭(zhēng)戰(zhàn)已告一段落，各大公司組織都已意識(shí)到，要真正占領(lǐng)市場(chǎng)，就得完善系統(tǒng)及相關(guān)產(chǎn)品。

PLC的發(fā)展

PLC于20世紀(jì)60年代末期在美國(guó)首先出現(xiàn)，目的是用來(lái)取代繼電器，執(zhí)行邏輯、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等順序控制功能，建立柔性程序控制系統(tǒng)。1976年正式命名，并給予定義：PIE是一種數(shù)字控制專(zhuān)用電子計(jì)算機(jī)，它使用了可編程序存儲(chǔ)器儲(chǔ)存指令，執(zhí)行諸如邏輯、順序、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)與演算等功能，并通過(guò)模擬和數(shù)字輸入、輸出等組件，控制各種機(jī)械或工作程序。經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，PIE已十分成熟與完善，并開(kāi)發(fā)了模擬量閉環(huán)控制功能。PIE在FCS系統(tǒng)中的地位似乎已被確定并無(wú)多少爭(zhēng)論。PIE作為一個(gè)站掛在高速總線上，充分發(fā)揮PIE在處理開(kāi)關(guān)量方面的優(yōu)勢(shì)。另外，火力發(fā)電廠輔助車(chē)間，例如補(bǔ)給水處理車(chē)間、循環(huán)水車(chē)間、除灰除渣車(chē)間、輸煤車(chē)間等，在這些車(chē)間的工藝過(guò)程多以順序控制為主。PLC對(duì)于順序控制有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

系統(tǒng)的發(fā)展運(yùn)用

自1973年提出第一臺(tái)以微處理器為基礎(chǔ)的控制器以來(lái)，它逐步完善，并最終形成功能齊全、安全可靠的數(shù)字式分散控制系統(tǒng)DCS。它的性能大大優(yōu)于以往任何一種控制系統(tǒng)，可以滿(mǎn)足工廠DAS，MCS，SCS和APS各系統(tǒng)的各種要求，目前還可以通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)建立管理層網(wǎng)絡(luò)，以滿(mǎn)足工廠呼聲越來(lái)越高的加強(qiáng)管理的要求。但是，自從有了FCS，并于20世紀(jì)90年代走向?qū)嵱没詠?lái)，不斷有如下論點(diǎn)在公開(kāi)刊物上發(fā)表，即：“從現(xiàn)在起，新的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS將逐步取代傳統(tǒng)的DCS”“當(dāng)調(diào)節(jié)功能下放到現(xiàn)場(chǎng)去以后，傳統(tǒng)的DCS就沒(méi)有存在的必要而會(huì)自動(dòng)消失?‘今后十年，傳統(tǒng)的4 mA～20 mA模擬信號(hào)制將逐步被雙向數(shù)字通信現(xiàn)場(chǎng)總線信號(hào)制所取代，模擬與數(shù)字的分散型控制系統(tǒng)DCS將更新?lián)Q代為全數(shù)字現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS”??這些論點(diǎn)歸納為一句話：FCS將取代DCS，DCS從此將消亡。

上述論點(diǎn)皆出自于權(quán)威專(zhuān)家之口，確實(shí)不無(wú)道理。雙向數(shù)字通信現(xiàn)場(chǎng)總線信號(hào)制以及由它而產(chǎn)生的巨大的推動(dòng)力，加速現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制儀表的變革，開(kāi)發(fā)出越來(lái)越多的功能完善的數(shù)字智能現(xiàn)場(chǎng)裝置。再則，F(xiàn)CS是由DCS以及PLC發(fā)展而來(lái)，它保留了DCS的特點(diǎn)，或者說(shuō)FCS吸收了DCS多年開(kāi)發(fā)研究以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)然也包括教訓(xùn)。由此而得出結(jié)論，“FCS將取代DCS”，似乎也是順理成章之事。同時(shí)我們也應(yīng)看到，DCS系統(tǒng)發(fā)展也近30年，在工廠的應(yīng)用如此廣泛。