超全面的DCS、FCS、PLC講解文章

發(fā)布者：虹潤集團

導讀

目前，在連續型流程生產(chǎn)自動(dòng)控制或習慣稱(chēng)之為工業(yè)過(guò)程控制中，有三大控制系統，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)及這三大系統之間的差異等。

三大控制系統各自的特點(diǎn)

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

2. 從上到下的樹(shù)狀拓撲大系統，其中通信(Communication)是關(guān)鍵。

3. PID在中斷站中，中斷站聯(lián)接計算機與現場(chǎng)儀器儀表與控制裝置。

4. 是樹(shù)狀拓撲和并行連續的鏈路結構，也有大量電纜從中繼站并行到現場(chǎng)儀器儀表。

5. 模擬信號，A／D—D／A、帶微處理器的混合。

6. 一臺儀表一對線(xiàn)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)、現場(chǎng)儀表(現場(chǎng)測控站)的3級結構。

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系統各家是不同的。

9. 用于大規模的連續過(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、運送處理，是從下往上的。

2. 連續PID控制等多功能，PID在中斷站中。

3. 可用一臺PC機為主站，多臺同型PLC為從站。

4. 也可一臺PLC為主站，多臺同型PLC為從站，構成PIE網(wǎng)絡(luò )。這比用PC機作主站方便之處是：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)格既可作為獨立DCS／TDCS，也可作為DCS／TDCS的子系統。

6. 大系統同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、危險區域、易變過(guò)程、難于對付的非常環(huán)境。

2. 全數字化、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(xiàn)聯(lián)接分散的現場(chǎng)儀表、控制裝置、PID與控制中心，取代每臺儀器兩根線(xiàn)。

4. 在總線(xiàn)上PID與儀器、儀表、控制裝置都是平等的。

5. 多變量、多節點(diǎn)、串行、數字通信系統取代單變量、單點(diǎn)、并行、模擬系統。

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. 由現場(chǎng)電腦操縱，還可掛到上位機，接同一總線(xiàn)的上一級計算機。

9. 局域網(wǎng)，可與intemet相通。

10. 改變傳統的信號標準、通信標準和系統標準入企業(yè)管理網(wǎng)。

三大控制系統之間的差異

差異要點(diǎn)

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

FCS的關(guān)鍵要點(diǎn)有三點(diǎn)：

1. FCS系統的核心是總線(xiàn)協(xié)議，即總線(xiàn)標準。為了使現場(chǎng)總線(xiàn)滿(mǎn)足可互操作性要求，使其成為真正的開(kāi)放系統，在IEC國際標準，現場(chǎng)總線(xiàn)通訊協(xié)議模型的用戶(hù)層中，就明確規定用戶(hù)層具有裝置描述功能。為了實(shí)現互操作，每個(gè)現場(chǎng)總線(xiàn)裝置都用裝置DD來(lái)描述。DD能夠認為是裝置的一個(gè)驅動(dòng)器，它包括所有必要的參數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)，所以可以使現場(chǎng)裝置實(shí)現真正的互操作性。開(kāi)放的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的互操作性，就一個(gè)特定類(lèi)型的現場(chǎng)總線(xiàn)而言，只要遵循該類(lèi)型現場(chǎng)總線(xiàn)的總線(xiàn)協(xié)議，對其產(chǎn)品是開(kāi)放的，并具有互操作性。

2. FCS系統的基礎是數字智能現場(chǎng)裝置。數字智能現場(chǎng)裝置是FCS系統的硬件支撐，是基礎，道理很簡(jiǎn)單，FCS系統執行的是自動(dòng)控制裝置與現場(chǎng)裝置之間的雙向數字通信現場(chǎng)總線(xiàn)信號制。如果現場(chǎng)裝置不遵循統一的總線(xiàn)協(xié)議，即相關(guān)的通訊規約，不具備數字通信功能，那么所謂雙向數字通信只是一句空話(huà)，也不能稱(chēng)之為現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統。再一點(diǎn)，現場(chǎng)總線(xiàn)的一大特點(diǎn)就是要增加現場(chǎng)一級控制功能。

3. FCS系統的本質(zhì)是信息處理現場(chǎng)化。對于一個(gè)控制系統，無(wú)論是采用DCS還是采用現場(chǎng)總線(xiàn)，系統需要處理的信息量至少是一樣多的。實(shí)際上，采用現場(chǎng)總線(xiàn)后，可以從現場(chǎng)得到更多的信息。現場(chǎng)總線(xiàn)系統的信息量沒(méi)有減少，甚至增加了，而傳輸信息的線(xiàn)纜卻大大減少了。這就要求一方面要大大提高線(xiàn)纜傳輸信息的能力，另一方面要讓大量信息在現場(chǎng)就地完成處理，減少現場(chǎng)與控制機房之間的信息往返。可以說(shuō)現場(chǎng)總線(xiàn)的本質(zhì)就是信息處理的現場(chǎng)化。減少信息往返是網(wǎng)絡(luò )設計和系統組態(tài)的一條重要原則。減少信息往返常常可帶來(lái)改善系統響應時(shí)間的好處。

典型系統比較

通過(guò)使用現場(chǎng)總線(xiàn)，用戶(hù)可以大量減少現場(chǎng)接線(xiàn)，用單個(gè)現場(chǎng)儀表可實(shí)現多變量通信，不同制造廠(chǎng)生產(chǎn)的裝置間可以完全互操作，增加現場(chǎng)一級的控制功能，系統集成大大簡(jiǎn)化，并且維護十分簡(jiǎn)便。

設計、投資及使用

比較的前提是DCS系統與典型的、理想的FCS系統進(jìn)行比較。為什么要做如此的假設。作為DCS系統發(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，20世紀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，雙向數字通信、數字智能現場(chǎng)裝置、高速總線(xiàn)等，目前還不理想有待完善。這種狀態(tài)與現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準的制定不能說(shuō)沒(méi)有關(guān)系。過(guò)去的十多年，各總線(xiàn)組織都忙于制定標準，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際標準，合法的占領(lǐng)更大的市場(chǎng)。現在有關(guān)國際標準的爭戰已告一段落，各大公司組織都已意識到，要真正占領(lǐng)市場(chǎng)，就得完善系統及相關(guān)產(chǎn)品。

PLC的發(fā)展

PLC于20世紀60年代末期在美國首先出現，目的是用來(lái)取代繼電器，執行邏輯、計時(shí)、計數等順序控制功能，建立柔性程序控制系統。1976年正式命名，并給予定義：PIE是一種數字控制專(zhuān)用電子計算機，它使用了可編程序存儲器儲存指令，執行諸如邏輯、順序、計時(shí)、計數與演算等功能，并通過(guò)模擬和數字輸入、輸出等組件，控制各種機械或工作程序。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系統中的地位似乎已被確定并無(wú)多少爭論。PIE作為一個(gè)站掛在高速總線(xiàn)上，充分發(fā)揮PIE在處理開(kāi)關(guān)量方面的優(yōu)勢。另外，火力發(fā)電廠(chǎng)輔助車(chē)間，例如補給水處理車(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對于順序控制有其獨特的優(yōu)勢。

系統的發(fā)展運用

自1973年提出第一臺以微處理器為基礎的控制器以來(lái)，它逐步完善，并最終形成功能齊全、安全可靠的數字式分散控制系統DCS。它的性能大大優(yōu)于以往任何一種控制系統，可以滿(mǎn)足工廠(chǎng)DAS，MCS，SCS和APS各系統的各種要求，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(chǎng)呼聲越來(lái)越高的加強管理的要求。但是，自從有了FCS，并于20世紀90年代走向實(shí)用化以來(lái)，不斷有如下論點(diǎn)在公開(kāi)刊物上發(fā)表，即：“從現在起，新的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統FCS將逐步取代傳統的DCS”“當調節功能下放到現場(chǎng)去以后，傳統的DCS就沒(méi)有存在的必要而會(huì )自動(dòng)消失?‘今后十年，傳統的4 mA～20 mA模擬信號制將逐步被雙向數字通信現場(chǎng)總線(xiàn)信號制所取代，模擬與數字的分散型控制系統DCS將更新?lián)Q代為全數字現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統FCS”??這些論點(diǎn)歸納為一句話(huà)：FCS將取代DCS，DCS從此將消亡。

上述論點(diǎn)皆出自于權威專(zhuān)家之口，確實(shí)不無(wú)道理。雙向數字通信現場(chǎng)總線(xiàn)信號制以及由它而產(chǎn)生的巨大的推動(dòng)力，加速現場(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字智能現場(chǎng)裝置。再則，FCS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)研究以及現場(chǎng)實(shí)踐的經(jīng)驗，當然也包括教訓。由此而得出結論，“FCS將取代DCS”，似乎也是順理成章之事。同時(shí)我們也應看到，DCS系統發(fā)展也近30年，在工廠(chǎng)的應用如此廣泛。