DCS 与PLC

DCS 与PLC 都是应用于自控领域的控制系统。随着工 业生产的快速发展,工业自动化程度越来越高,对自动控制 系统的可*性、可操作性的要求越来越高。有许多人在选 择控制系统时对选择DCS 还是PLC ,哪一种更适合自己的 需求很难决定。文章针对这种情况,对DCS 与PLC 系统的 发展、基本结构、配置、应用等进行比较和分析,希望对广大 读者有所帮助。 1 起源

①集散控制系统DCS (Distributed Control System) 是基 于”4C”技术(Computer Control Communication CRT) 在20 世纪 70 年代中期出现的新型工业控制系统。采用分布式的计 算机系统结构,目的是为了减少风险,提高系统可*性。它 将整个控制系统按照区域、功能和回路作适当分解,再通过 总线或通讯网络将它们连接为有机整体。1975 年Honey2 well 公司推出了第一套DCS 控制系统,首先被应用于石油 化工行业。

②可编程控制器PLC( Programmable Logic Controller) 是 一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境下使用而 设计的。工业生产过程中,大量的开关量的顺序控制,按照 逻辑条件进行顺序动作,并按照逻辑关系进行连锁保护动 作的控制,及大量离散量的数据采集,这些功能传统上是通 过气动或电气控制系统来实现的。1968 年美国GM(通用 汽车) 公司提出取代继电气控制装置的要求,第二年,美国 数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置, 首次采用程序化的手段应用于电气控制,这就是第一代可 编程序控制器,称Programmable Controller(PC) 。

2 结构及特点

(1) DCS 是计算机技术、控制技术和网络技术高度结 合的产物。从结构上划分,DCS 包括过程级、操作级和管理 级。过程级主要由过程控制站、I/ O 单元和现场仪表组成, 是系统控制功能的主要实施部分。操作级包括:操作员站 和工程师站,完成系统的操作和组态。管理级主要是指工 厂管理信息系统(MIS 系统) ,作为DCS 更高层次的应用,目 前国内应用这一系统的行业较少。

DCS 的关键技术在于网络,从上到下是树状拓扑和并 行连续的链路结构,中间站联接计算机、现场仪器仪表和控 制装置。

PLC 从结构上分为固定式和组合式(模块式) 2 种。固 定式PLC 包括CPU 板、I/ O 板、显示面板、内存块、电源等, 这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC 包括 CPU 模块、I/ O 模块、内存、电源模块、底板或机架,这些模 块可以按照一定规则组合配置。

PLC 的关键技术在于其内部固化了一个能解释梯形图

语言的程序及辅助通讯程序,梯形图语言的解释程序的效 率决定了PLC 的性能,通讯程序决定了PLC 与外界交换信 息的难易。对于简单的应用,通常以独立控制器的方式运 作,不需与外界交换信息,只需内部固化有能解释梯形图语 言的程序即可。

(2) 在网络方面,DCS 网络是整个系统的中枢神经,和 利时公司的MACS 系统中的系统网采用的是双冗余的 100Mbps 的工业以太网,采用国际标准协议TCP/ IP。它是 安全可*双冗余的高速通讯网络,系统的拓展性与开放性 更好。而PLC 因为基本上都为个体工作,在与别的PLC 或 上位机进行通讯时,所采用的网络形式基本都是单网结构, 网络协议也经常与国际标准不符。在网络安全上,PLC 没 有很好的保护措施。

(3) DCS 整体考虑方案。操作员站都具备工程师站的 功能,站与站之间在运行方案程序下装后是一种紧密联合 的关系,任何站、任何功能、任何被控装置之间都是相互连 锁控制, 协调控制的。DCS 可以控制和监视工艺全过程, 对自身进行诊断、维护和组态。但是,由于自身的致命弱 点,其I/ O 信号采用传统的模拟量信号,因此,它无法在 DCS 工程师站上对现场仪表(比如变送器、执行器等) 进行 远方诊断、维护和组态。当采用现场总线仪表时才能通过 现场测控站对现场仪表进行诊断和维护。

原来单用PLC 互相连接构成的系统,其站与站(PLC 与 PLC) 之间的联系是一种松散的连接方式,做不出协调控制 的功能。现在的PLC 可以采用共同的上位机,使用PLC 网 络(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) 来协调控制。

(4) DCS 在整个设计上留有大量的可扩展性接口,外 接系统或扩展系统都十分方便,缺点是成本高,各公司产品 不能互换,不能互操作,大DCS 系统是各家不同的. PLC 所 搭接的整个系统完成后,想随意的增加或减少操作员站都 是很难实现的。

(5) 在安全性上,DCS 系统为保证控制设备的安全可 *,采用了双冗余的控制单元,当重要控制单元出现故障 时,都会有相关的冗余单元实时无扰动的切换为工作单元, 保证整个系统的安全可*。PLC 所搭接的系统基本没有冗 余的概念,更谈不上冗余控制策略。特别是当其某个PLC 单元发生故障时,不得不将整个系统停下来,才能进行更 换、维护并需重新编程。所以DCS 系统安全可*性更高。 (6) 系统软件,对各种工艺控制方案进行更新是DCS 的一项最基本的功能,当某个方案发生变化后,工程师只需 要在工程师站上将更改过的方案编译后,执行下装命令就 可以了。下装过程是由系统自动完成的,不影响原控制方

案运行。对于PLC 构成的系统来说,工作量极其庞大,首 先需要确定所要编辑更新的是哪个PLC ,然后要用与之对 应的编译器进行程序编译,最后再用专用的机器(读写器) 专门一对一的将程序传送给这个PLC。在系统调试期间, 调试时间长和调试成本高,而且极其不利于日后的维护,在 控制精度上相差甚远。因此在大中型控制项目中(500 点 以上) ,基本不采用全部由PLC 所连接而成的系统。 (7) 模块DCS 系统所有I/ O 模块都带有CPU ,可以实 现对采集及输出信号品质的判断与标量变换,故障带电插 拔,随机更换。而PLC 模块只是简单电气转换单元,没有 智能芯片,发生故障后相应单元全部瘫痪。 ①PLC 响应速度快;DCS 响应速度慢。

②DCS 要作复杂的运算,内存较大;PLC 一般不做复杂 运算,内存小。

③DCS 的数据库统一,可以应用工位号管理;PLC 的数 据库不统一,必须以地址为基础管理。

④冗余功能,DCS 更容易实现。

(8) DCS 与PLC 的系统内核的实现形式不同。因为 DCS 的控制程序编译以后的代码是采用程序调用运行的, 而PLC 的程序是采用编译后对语句代码的顺序扫描实现 的。这就是为什么PLC 至今对模拟量的处理不如DCS 功 能强大,而DCS 对开关量的处理不如PLC 快速的原因。至 于Siemens 等公司现在推出的PCS7 等一体化系统都是在他 们的CPU 模块中采用双CPU 进行处理,分别完成模拟量和 开关量的处理,表面上看似一个系统,实际是双系统的整 合。

3 主要制造商和产品

(1) 自1975 年以来,第四代DCS 产品已推上市场,主 要生产厂家及产品有美国的HoneyWell 公司( TDC2000、

TDC3000、TPS、PKS) 、Westinghous 公司(WDPF、Ovation) ,日本 的横河公司、日立公司、山武霍尼威尔公司,德国SIEMENS 公司、Hartmann &;Braun 公司、EURO 公司,瑞士的ABB 公司 (N90、INDUSTRIAL IT、INFI90) ;国内主要有北京安控科技发 展有限公司,北京和利时有限公司(MACS、FOCS) ,浙大中自 (JX300X、JX500) ,新华公司(XDPS - 400) 等。

(2) PLC 在全世界有大约200 家生产厂家,主要厂家及 产品有施耐德公司(Quantum、Premium、Momentum 等) ,A - B 公司(SLC、MicroLogix、Control Logix 等) ,西门子公司(SIMAT2 IC S7 - 400/ 300/ 200 系列) , GE 公司,日本欧姆龙、三菱、富 士、松下等;国内PLC 生产厂约30 家,但没有形成颇具规模 的生产能力和名牌产品,还有一部分是以仿制、来件组装 或”贴牌”方式生产。 4 应用状况

(1) 自1975 年Honeywell 公司推出第一套DCS 以后,全

世界有60 余家公司生产了1500 余种产品,目前约有10 000 套DCS 在运行。我国DCS 发展较晚,大约在20 世纪80 年 代末才开始逐渐普及。目前还处在从大型工程逐步向中、 小型工程,从主要应用领域(如石化、化工、电力、冶金等行 业) 逐步向全工业范围(如市政、食品、建材、环保、交通等) 扩展阶段,市场远没有饱和。特别在最近一段时期,将会有 大量的国内企业采用先进的DCS 来改造传统产业,它们的 技术改造为DCS 提供了十分巨大的市场空间。

目前,我国国民经济的主要领域使用DCS 系统已经十 分普遍,不但大型、中型工程项目采用,不少小型项目也开 始采用。DCS 现在是流程工业自控系统最主要的产品。 石化是DCS 使用比较早和普遍的领域,石化领域采购 DCS 的金额占设备采购总金额的13. 6 %。该领域几乎全部 大型工程都是采用国外系统,其中Honeywell 公司、日本横 河电机株式会社处于领先地位。

化工领域也是DCS 的主要应用领域,大约占设备采购 总金额的20. 3 %。在化工领域国产DCS 已经取得较大的 业绩,但该领域销售额最高的目前还是日本横河,其次是

Honey - well、浙大中自、Emerson 以及北京和利时等公司。 火电站是DCS 的大用户,每年占DCS 市场总额的34. 9 % (含核电和热电系统) 。现在除60 万千瓦机组和部分30 万 千瓦新建机组外,30 万千瓦改造机组和30 万千瓦以下的 新建机组已经大量采用国产DCS。

冶金领域随着技术的发展以及该行业自身对

__的特殊要求,DCS 的使用量正在逐步减小,被PLC 系统所替 代。目前, DCS 的金额大约占设备采购总金额的12 % , ABB 和Siemens 在冶金领域名列前茅。

食品行业以酿酒行业使用最多,Siemens 由于与丹麦一 家啤酒厂合作开发了一套专用系统,在中国市场占有率最 高,其次为Honeywell。

(2) PLC 技术自二十世纪80 年代走向成熟以来,产品

的网络能力、模拟量处理能力、运算速度、内存、复杂运算能 力均大大增强,不再局限于逻辑控制的应用,而越来越应用 于过程控制方面。目前世界上有200 多个厂家生产300 多 种PLC 产品,应用在汽车(23 %) 、粮食加工(16. 4 %) 、化学/ 制药(14. 6 %) 、金属/ 矿山(11. 5 %) 、纸浆/ 造纸(11. 3 %) 等 行业。

5 发展前景

随着DCS 与PLC 功能的不断发展和完善,新型的DCS 与新型的PLC ,都有向对方*拢的趋势。新型的DCS 已有 很强的顺序控制功能;而新型的PLC ,在处理闭环控制方面 性能较好,而且无论在控制器方面还是网络方面都能做到 冗余。二者能组成大型网络,适用范围已有很大的交叉,技 术上相互融合,并在此基础上集成了全数字化的FCS(现场

总线控制系统) 。FCS 系统在我国工控领域已得到广泛应 用,但还没成为主流控制,并且在我国还存在一些问题,有 待进一步完善。所以用户对FCS 的接受和认可还需要一个 过程。 6 结论

随着计算机技术和微电子技术的快速发展,DCS 与 PLC除各自保留自身原有的特点外,又相互补充,形成新的 系统。新型的DCS 和PLC 功能上已没有多大的差别。如 果说它们有什么区别的话,就是设计原理不同。PLC 是基 于开关量控制而开发、发展起来的,而DCS 起源于模拟量 控制系统。PLC 的优势是顺序控制,DCS 的优势是模拟量 控制。若控制回路较多、模拟量的采集量较大,尤其是在热 电阻、热电偶的采集量较多的情况下,应选用DCS。若都是 逻辑控制,应选用PLC。介于二者之间的,按投资预算决 定。若投资预算比较充分,就可以决定采用DCS。因为 DCS 不仅在完成模拟量控制方面比较善长,而且有几种 PLC 经现场使用证明,它们的热电阻的输入模块和DCS 的 输入模块的价格基本一样,从调试的角度看,PLC 的信号输 入卡没有DCS 的好用,有时在调试时还容易损坏。