DCS 與PLC 控制系統(tǒng)的特點分析

1、DCS 與PLC 控制系統(tǒng)的特點分析.txt18擁有誠實，就舍棄了虛偽；擁有誠實，就舍棄了無聊；擁有踏實，就舍棄了浮躁，不論是有意的丟棄，還是意外的失去，只要曾經(jīng)真實擁有，在一些時候，大度舍棄也是一種境界。DCS 與PLC 控制系統(tǒng)的特點分析DCS 與PLC 都是應用于自控領域的控制系統(tǒng)。隨著工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展,工業(yè)自動化程度越來越高,對自動控制系統(tǒng)的可*性、可操作性的要求越來越高。有許多人在選擇控制系統(tǒng)時對選擇DCS 還是PLC ,哪一種更適合自己的需求很難決定。文章針對這種情況,對DCS 與PLC 系統(tǒng)的發(fā)展、基本結構、配置、應用等進行比較和分析,希望對廣大讀者有所幫助。1 起源集散控制系

2、統(tǒng)DCS (Distributed Control System) 是基于”4C”技術(Computer Control Communication CRT) 在20 世紀70 年代中期出現(xiàn)的新型工業(yè)控制系統(tǒng)。采用分布式的計算機系統(tǒng)結構,目的是為了減少風險,提高系統(tǒng)可*性。它將整個控制系統(tǒng)按照區(qū)域、功能和回路作適當分解,再通過總線或通訊網(wǎng)絡將它們連接為有機整體。1975 年Honey2well 公司推出了第一套DCS 控制系統(tǒng),首先被應用于石油化工行業(yè)?？删幊炭刂破鱌LC( Programmable Logic Controller) 是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng),專為在工業(yè)環(huán)境下使用而設計的

3、。工業(yè)生產(chǎn)過程中,大量的開關量的順序控制,按照邏輯條件進行順序動作,并按照邏輯關系進行連鎖保護動作的控制,及大量離散量的數(shù)據(jù)采集,這些功能傳統(tǒng)上是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。1968 年美國GM(通用汽車) 公司提出取代繼電氣控制裝置的要求,第二年,美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術的控制裝置,首次采用程序化的手段應用于電氣控制,這就是第一代可編程序控制器,稱Programmable Controller(PC) 。2 結構及特點(1) DCS 是計算機技術、控制技術和網(wǎng)絡技術高度結合的產(chǎn)物。從結構上劃分,DCS 包括過程級、操作級和管理級。過程級主要由過程控制站、I/ O 單元和

4、現(xiàn)場儀表組成,是系統(tǒng)控制功能的主要實施部分。操作級包括:操作員站和工程師站,完成系統(tǒng)的操作和組態(tài)。管理級主要是指工廠管理信息系統(tǒng)(MIS 系統(tǒng)) ,作為DCS 更高層次的應用,目前國內應用這一系統(tǒng)的行業(yè)較少。DCS 的關鍵技術在于網(wǎng)絡,從上到下是樹狀拓撲和并行連續(xù)的鏈路結構,中間站聯(lián)接計算機、現(xiàn)場儀器儀表和控制裝置。PLC 從結構上分為固定式和組合式(模塊式) 2 種。固定式PLC 包括CPU 板、I/ O 板、顯示面板、內存塊、電源等,這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC 包括CPU 模塊、I/ O 模塊、內存、電源模塊、底板或機架,這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。PLC 的關鍵

5、技術在于其內部固化了一個能解釋梯形圖語言的程序及輔助通訊程序,梯形圖語言的解釋程序的效率決定了PLC 的性能,通訊程序決定了PLC 與外界交換信息的難易。對于簡單的應用,通常以獨立控制器的方式運作,不需與外界交換信息,只需內部固化有能解釋梯形圖語言的程序即可。(2) 在網(wǎng)絡方面,DCS 網(wǎng)絡是整個系統(tǒng)的中樞神經(jīng),和利時公司的MACS 系統(tǒng)中的系統(tǒng)網(wǎng)采用的是雙冗余的100Mbps 的工業(yè)以太網(wǎng),采用國際標準協(xié)議TCP/ IP。它是安全可*雙冗余的高速通訊網(wǎng)絡,系統(tǒng)的拓展性與開放性更好。而PLC 因為基本上都為個體工作,在與別的PLC 或上位機進行通訊時,所采用的網(wǎng)絡形式基本都是單網(wǎng)結構,網(wǎng)絡協(xié)議

6、也經(jīng)常與國際標準不符。在網(wǎng)絡安全上,PLC 沒有很好的保護措施。(3) DCS 整體考慮方案。操作員站都具備工程師站的功能,站與站之間在運行方案程序下裝后是一種緊密聯(lián)合的關系,任何站、任何功能、任何被控裝置之間都是相互連鎖控制, 協(xié)調控制的。DCS 可以控制和監(jiān)視工藝全過程,對自身進行診斷、維護和組態(tài)。但是,由于自身的致命弱點,其I/ O 信號采用傳統(tǒng)的模擬量信號,因此,它無法在DCS 工程師站上對現(xiàn)場儀表(比如變送器、執(zhí)行器等) 進行遠方診斷、維護和組態(tài)。當采用現(xiàn)場總線儀表時才能通過現(xiàn)場測控站對現(xiàn)場儀表進行診斷和維護。原來單用PLC 互相連接構成的系統(tǒng),其站與站(PLC 與PLC) 之間的聯(lián)

7、系是一種松散的連接方式,做不出協(xié)調控制的功能?，F(xiàn)在的PLC 可以采用共同的上位機,使用PLC 網(wǎng)絡(如Siemens 公司的SINEC - L1、SINEC - H1、S4、S5、S6、S7等,GE 公司的GENET、三菱公司的MELSEC - NET、MELSEC- NET/MINI 等) 來協(xié)調控制。(4) DCS 在整個設計上留有大量的可擴展性接口,外接系統(tǒng)或擴展系統(tǒng)都十分方便,缺點是成本高,各公司產(chǎn)品不能互換,不能互操作,大DCS 系統(tǒng)是各家不同的. PLC 所搭接的整個系統(tǒng)完成后,想隨意的增加或減少操作員站都是很難實現(xiàn)的。(5) 在安全性上,DCS 系統(tǒng)為保證控制設備的安全可*,采用

8、了雙冗余的控制單元,當重要控制單元出現(xiàn)故障時,都會有相關的冗余單元實時無擾動的切換為工作單元,保證整個系統(tǒng)的安全可*。PLC 所搭接的系統(tǒng)基本沒有冗余的概念,更談不上冗余控制策略。特別是當其某個PLC單元發(fā)生故障時,不得不將整個系統(tǒng)停下來,才能進行更換、維護并需重新編程。所以DCS 系統(tǒng)安全可*性更高。(6) 系統(tǒng)軟件,對各種工藝控制方案進行更新是DCS的一項最基本的功能,當某個方案發(fā)生變化后,工程師只需要在工程師站上將更改過的方案編譯后,執(zhí)行下裝命令就可以了。下裝過程是由系統(tǒng)自動完成的,不影響原控制方案運行。對于PLC 構成的系統(tǒng)來說,工作量極其龐大,首先需要確定所要編輯更新的是哪個PLC

9、,然后要用與之對應的編譯器進行程序編譯,最后再用專用的機器(讀寫器)專門一對一的將程序傳送給這個PLC。在系統(tǒng)調試期間,調試時間長和調試成本高,而且極其不利于日后的維護,在控制精度上相差甚遠。因此在大中型控制項目中(500 點以上) ,基本不采用全部由PLC 所連接而成的系統(tǒng)。(7) 模塊DCS 系統(tǒng)所有I/ O 模塊都帶有CPU ,可以實現(xiàn)對采集及輸出信號品質的判斷與標量變換,故障帶電插拔,隨機更換。而PLC 模塊只是簡單電氣轉換單元,沒有智能芯片,發(fā)生故障后相應單元全部癱瘓。PLC 響應速度快;DCS 響應速度慢。DCS 要作復雜的運算,內存較大;PLC 一般不做復雜運算,內存小。DCS

10、的數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一,可以應用工位號管理;PLC 的數(shù)據(jù)庫不統(tǒng)一,必須以地址為基礎管理。冗余功能,DCS 更容易實現(xiàn)。(8) DCS 與PLC 的系統(tǒng)內核的實現(xiàn)形式不同。因為DCS 的控制程序編譯以后的代碼是采用程序調用運行的,而PLC 的程序是采用編譯后對語句代碼的順序掃描實現(xiàn)的。這就是為什么PLC 至今對模擬量的處理不如DCS 功能強大,而DCS 對開關量的處理不如PLC 快速的原因。至于Siemens 等公司現(xiàn)在推出的PCS7 等一體化系統(tǒng)都是在他們的CPU 模塊中采用雙CPU 進行處理,分別完成模擬量和開關量的處理,表面上看似一個系統(tǒng),實際是雙系統(tǒng)的整合。3 主要制造商和產(chǎn)品(1) 自1975

11、 年以來,第四代DCS 產(chǎn)品已推上市場,主要生產(chǎn)廠家及產(chǎn)品有美國的HoneyWell 公司( TDC2000、TDC3000、TPS、PKS) 、Westinghous 公司(WDPF、Ovation) ,日本的橫河公司、日立公司、山武霍尼威爾公司,德國SIEMENS公司、Hartmann &Braun 公司、EURO 公司,瑞士的ABB 公司(N90、INDUSTRIAL IT、INFI90) ;國內主要有北京安控科技發(fā)展有限公司,北京和利時有限公司(MACS、FOCS) ,浙大中自(JX300X、JX500) ,新華公司(XDPS - 400) 等。(2) PLC 在全世界有大約200 家

12、生產(chǎn)廠家,主要廠家及產(chǎn)品有施耐德公司(Quantum、Premium、Momentum 等) ,A - B公司(SLC、MicroLogix、Control Logix 等) ,西門子公司(SIMAT2IC S7 - 400/ 300/ 200 系列) , GE 公司,日本歐姆龍、三菱、富士、松下等;國內PLC 生產(chǎn)廠約30 家,但沒有形成頗具規(guī)模的生產(chǎn)能力和名牌產(chǎn)品,還有一部分是以仿制、來件組裝或”貼牌”方式生產(chǎn)。4 應用狀況(1) 自1975 年Honeywell 公司推出第一套DCS 以后,全世界有60 余家公司生產(chǎn)了1500 余種產(chǎn)品,目前約有10 000套DCS 在運行。我國DCS

13、發(fā)展較晚,大約在20 世紀80 年代末才開始逐漸普及。目前還處在從大型工程逐步向中、小型工程,從主要應用領域(如石化、化工、電力、冶金等行業(yè)) 逐步向全工業(yè)范圍(如市政、食品、建材、環(huán)保、交通等)擴展階段,市場遠沒有飽和。特別在最近一段時期,將會有大量的國內企業(yè)采用先進的DCS 來改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),它們的技術改造為DCS 提供了十分巨大的市場空間。目前,我國國民經(jīng)濟的主要領域使用DCS 系統(tǒng)已經(jīng)十分普遍,不但大型、中型工程項目采用,不少小型項目也開始采用。DCS 現(xiàn)在是流程工業(yè)自控系統(tǒng)最主要的產(chǎn)品。石化是DCS 使用比較早和普遍的領域,石化領域采購DCS 的金額占設備采購總金額的13. 6 %。該

14、領域幾乎全部大型工程都是采用國外系統(tǒng),其中Honeywell 公司、日本橫河電機株式會社處于領先地位?；ゎI域也是DCS 的主要應用領域,大約占設備采購總金額的20. 3 %。在化工領域國產(chǎn)DCS 已經(jīng)取得較大的業(yè)績,但該領域銷售額最高的目前還是日本橫河,其次是Honey - well、浙大中自、Emerson 以及北京和利時等公司?；痣娬臼荄CS 的大用戶,每年占DCS 市場總額的34. 9 %(含核電和熱電系統(tǒng)) ?，F(xiàn)在除60 萬千瓦機組和部分30 萬千瓦新建機組外,30 萬千瓦改造機組和30 萬千瓦以下的新建機組已經(jīng)大量采用國產(chǎn)DCS。冶金領域隨著技術的發(fā)展以及該行業(yè)自身對_的特殊要求,

15、DCS 的使用量正在逐步減小,被PLC 系統(tǒng)所替代。目前, DCS 的金額大約占設備采購總金額的12 % ,ABB 和Siemens 在冶金領域名列前茅。食品行業(yè)以釀酒行業(yè)使用最多,Siemens 由于與丹麥一家啤酒廠合作開發(fā)了一套專用系統(tǒng),在中國市場占有率最高,其次為Honeywell。(2) PLC 技術自二十世紀80 年代走向成熟以來,產(chǎn)品的網(wǎng)絡能力、模擬量處理能力、運算速度、內存、復雜運算能力均大大增強,不再局限于邏輯控制的應用,而越來越應用于過程控制方面。目前世界上有200 多個廠家生產(chǎn)300 多種PLC 產(chǎn)品,應用在汽車(23 %) 、糧食加工(16. 4 %) 、化學/制藥(14

16、. 6 %) 、金屬/ 礦山(11. 5 %) 、紙漿/ 造紙(11. 3 %) 等行業(yè)。5 發(fā)展前景隨著DCS 與PLC 功能的不斷發(fā)展和完善,新型的DCS與新型的PLC ,都有向對方*攏的趨勢。新型的DCS 已有很強的順序控制功能;而新型的PLC ,在處理閉環(huán)控制方面性能較好,而且無論在控制器方面還是網(wǎng)絡方面都能做到冗余。二者能組成大型網(wǎng)絡,適用范圍已有很大的交叉,技術上相互融合,并在此基礎上集成了全數(shù)字化的FCS(現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)) 。FCS 系統(tǒng)在我國工控領域已得到廣泛應用,但還沒成為主流控制,并且在我國還存在一些問題,有待進一步完善。所以用戶對FCS 的接受和認可還需要一個過程。6 結論隨著計算機技術和微電子技術的快速發(fā)展,DCS 與PLC除各自保留自身原有的特點外,又相互補充,形成新的系統(tǒng)。新型的DCS 和PLC 功能上已沒有多大的差別。如果說它們有什么區(qū)別的話,就是設計原理不同。PLC 是基于開關量控制而開發(fā)