DCS 與PLC 控制系統(tǒng)的特點(diǎn)分析

1、DCS 與PLC 控制系統(tǒng)的特點(diǎn)分析.txt18擁有誠(chéng)實(shí)，就舍棄了虛偽；擁有誠(chéng)實(shí)，就舍棄了無(wú)聊；擁有踏實(shí)，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(shí)擁有，在一些時(shí)候，大度舍棄也是一種境界。DCS 與PLC 控制系統(tǒng)的特點(diǎn)分析DCS 與PLC 都是應(yīng)用于自控領(lǐng)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(dòng)化程度越來(lái)越高,對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的可*性、可操作性的要求越來(lái)越高。有許多人在選擇控制系統(tǒng)時(shí)對(duì)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(duì)這種情況,對(duì)DCS 與PLC 系統(tǒng)的發(fā)展、基本結(jié)構(gòu)、配置、應(yīng)用等進(jìn)行比較和分析,希望對(duì)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(shù)(Computer Control Communication CRT) 在20 世紀(jì)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),目的是為了減少風(fēng)險(xiǎn),提高系統(tǒng)可*性。它將整個(gè)控制系統(tǒng)按照區(qū)域、功能和回路作適當(dāng)分解,再通過(guò)總線或通訊網(wǎng)絡(luò)將它們連接為有機(jī)整體。1975 年Honey2well 公司推出了第一套DCS 控制系統(tǒng),首先被應(yīng)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(yùn)算操作的電子系統(tǒng),專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下使用而設(shè)計(jì)的

3、。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,大量的開(kāi)關(guān)量的順序控制,按照邏輯條件進(jìn)行順序動(dòng)作,并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動(dòng)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(guò)氣動(dòng)或電氣控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。1968 年美國(guó)GM(通用汽車(chē)) 公司提出取代繼電氣控制裝置的要求,第二年,美國(guó)數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置,首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制,這就是第一代可編程序控制器,稱(chēng)Programmable Controller(PC) 。2 結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)(1) DCS 是計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高度結(jié)合的產(chǎn)物。從結(jié)構(gòu)上劃分,DCS 包括過(guò)程級(jí)、操作級(jí)和管理級(jí)。過(guò)程級(jí)主要由過(guò)程控制站、I/ O 單元和

4、現(xiàn)場(chǎng)儀表組成,是系統(tǒng)控制功能的主要實(shí)施部分。操作級(jí)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(jí)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(yīng)用,目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用這一系統(tǒng)的行業(yè)較少。DCS 的關(guān)鍵技術(shù)在于網(wǎng)絡(luò),從上到下是樹(shù)狀拓?fù)浜筒⑿羞B續(xù)的鏈路結(jié)構(gòu),中間站聯(lián)接計(jì)算機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表和控制裝置。PLC 從結(jié)構(gòu)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(nèi)存塊、電源等,這些元素組合成一個(gè)不可拆卸的整體。模塊式PLC 包括CPU 模塊、I/ O 模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架,這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。PLC 的關(guān)鍵

5、技術(shù)在于其內(nèi)部固化了一個(gè)能解釋梯形圖語(yǔ)言的程序及輔助通訊程序,梯形圖語(yǔ)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(duì)于簡(jiǎn)單的應(yīng)用,通常以獨(dú)立控制器的方式運(yùn)作,不需與外界交換信息,只需內(nèi)部固化有能解釋梯形圖語(yǔ)言的程序即可。(2) 在網(wǎng)絡(luò)方面,DCS 網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)系統(tǒng)的中樞神經(jīng),和利時(shí)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議TCP/ IP。它是安全可*雙冗余的高速通訊網(wǎng)絡(luò),系統(tǒng)的拓展性與開(kāi)放性更好。而PLC 因?yàn)榛旧隙紴閭€(gè)體工作,在與別的PLC 或上位機(jī)進(jìn)行通訊時(shí),所采用的網(wǎng)絡(luò)形式基本都是單網(wǎng)結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

6、也經(jīng)常與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)不符。在網(wǎng)絡(luò)安全上,PLC 沒(méi)有很好的保護(hù)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(yùn)行方案程序下裝后是一種緊密聯(lián)合的關(guān)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(diào)控制的。DCS 可以控制和監(jiān)視工藝全過(guò)程,對(duì)自身進(jìn)行診斷、維護(hù)和組態(tài)。但是,由于自身的致命弱點(diǎn),其I/ O 信號(hào)采用傳統(tǒng)的模擬量信號(hào),因此,它無(wú)法在DCS 工程師站上對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表(比如變送器、執(zhí)行器等) 進(jìn)行遠(yuǎn)方診斷、維護(hù)和組態(tài)。當(dāng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線儀表時(shí)才能通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控站對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行診斷和維護(hù)。原來(lái)單用PLC 互相連接構(gòu)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(diào)控制的功能?，F(xiàn)在的PLC 可以采用共同的上位機(jī),使用PLC 網(wǎng)絡(luò)(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(lái)協(xié)調(diào)控制。(4) DCS 在整個(gè)設(shè)計(jì)上留有大量的可擴(kuò)展性接口,外接系統(tǒng)或擴(kuò)展系統(tǒng)都十分方便,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)是各家不同的. PLC 所搭接的整個(gè)系統(tǒng)完成后,想隨意的增加或減少操作員站都是很難實(shí)現(xiàn)的。(5) 在安全性上,DCS 系統(tǒng)為保證控制設(shè)備的安全可*,采用

8、了雙冗余的控制單元,當(dāng)重要控制單元出現(xiàn)故障時(shí),都會(huì)有相關(guān)的冗余單元實(shí)時(shí)無(wú)擾動(dòng)的切換為工作單元,保證整個(gè)系統(tǒng)的安全可*。PLC 所搭接的系統(tǒng)基本沒(méi)有冗余的概念,更談不上冗余控制策略。特別是當(dāng)其某個(gè)PLC單元發(fā)生故障時(shí),不得不將整個(gè)系統(tǒng)停下來(lái),才能進(jìn)行更換、維護(hù)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(duì)各種工藝控制方案進(jìn)行更新是DCS的一項(xiàng)最基本的功能,當(dāng)某個(gè)方案發(fā)生變化后,工程師只需要在工程師站上將更改過(guò)的方案編譯后,執(zhí)行下裝命令就可以了。下裝過(guò)程是由系統(tǒng)自動(dòng)完成的,不影響原控制方案運(yùn)行。對(duì)于PLC 構(gòu)成的系統(tǒng)來(lái)說(shuō),工作量極其龐大,首先需要確定所要編輯更新的是哪個(gè)PLC

9、,然后要用與之對(duì)應(yīng)的編譯器進(jìn)行程序編譯,最后再用專(zhuān)用的機(jī)器(讀寫(xiě)器)專(zhuān)門(mén)一對(duì)一的將程序傳送給這個(gè)PLC。在系統(tǒng)調(diào)試期間,調(diào)試時(shí)間長(zhǎng)和調(diào)試成本高,而且極其不利于日后的維護(hù),在控制精度上相差甚遠(yuǎn)。因此在大中型控制項(xiàng)目中(500 點(diǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)采集及輸出信號(hào)品質(zhì)的判斷與標(biāo)量變換,故障帶電插拔,隨機(jī)更換。而PLC 模塊只是簡(jiǎn)單電氣轉(zhuǎn)換單元,沒(méi)有智能芯片,發(fā)生故障后相應(yīng)單元全部癱瘓。PLC 響應(yīng)速度快;DCS 響應(yīng)速度慢。DCS 要作復(fù)雜的運(yùn)算,內(nèi)存較大;PLC 一般不做復(fù)雜運(yùn)算,內(nèi)存小。DCS

10、的數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)一,可以應(yīng)用工位號(hào)管理;PLC 的數(shù)據(jù)庫(kù)不統(tǒng)一,必須以地址為基礎(chǔ)管理。冗余功能,DCS 更容易實(shí)現(xiàn)。(8) DCS 與PLC 的系統(tǒng)內(nèi)核的實(shí)現(xiàn)形式不同。因?yàn)镈CS 的控制程序編譯以后的代碼是采用程序調(diào)用運(yùn)行的,而PLC 的程序是采用編譯后對(duì)語(yǔ)句代碼的順序掃描實(shí)現(xiàn)的。這就是為什么PLC 至今對(duì)模擬量的處理不如DCS 功能強(qiáng)大,而DCS 對(duì)開(kāi)關(guān)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(jìn)行處理,分別完成模擬量和開(kāi)關(guān)量的處理,表面上看似一個(gè)系統(tǒng),實(shí)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(lái),第四代DCS 產(chǎn)品已推上市場(chǎng),主要生產(chǎn)廠家及產(chǎn)品有美國(guó)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(guó)SIEMENS公司、Hartmann &Braun 公司、EURO 公司,瑞士的ABB 公司(N90、INDUSTRIAL IT、INFI90) ;國(guó)內(nèi)主要有北京安控科技發(fā)展有限公司,北京和利時(shí)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(mén)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(guó)內(nèi)PLC 生產(chǎn)廠約30 家,但沒(méi)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(lái)件組裝或”貼牌”方式生產(chǎn)。4 應(yīng)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(yùn)行。我國(guó)DCS

13、發(fā)展較晚,大約在20 世紀(jì)80 年代末才開(kāi)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(yīng)用領(lǐng)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(kuò)展階段,市場(chǎng)遠(yuǎn)沒(méi)有飽和。特別在最近一段時(shí)期,將會(huì)有大量的國(guó)內(nèi)企業(yè)采用先進(jìn)的DCS 來(lái)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),它們的技術(shù)改造為DCS 提供了十分巨大的市場(chǎng)空間。目前,我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主要領(lǐng)域使用DCS 系統(tǒng)已經(jīng)十分普遍,不但大型、中型工程項(xiàng)目采用,不少小型項(xiàng)目也開(kāi)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(lǐng)域,石化領(lǐng)域采購(gòu)DCS 的金額占設(shè)備采購(gòu)總金額的13. 6 %。該

14、領(lǐng)域幾乎全部大型工程都是采用國(guó)外系統(tǒng),其中Honeywell 公司、日本橫河電機(jī)株式會(huì)社處于領(lǐng)先地位。化工領(lǐng)域也是DCS 的主要應(yīng)用領(lǐng)域,大約占設(shè)備采購(gòu)總金額的20. 3 %。在化工領(lǐng)域國(guó)產(chǎn)DCS 已經(jīng)取得較大的業(yè)績(jī),但該領(lǐng)域銷(xiāo)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(shí)等公司?；痣娬臼荄CS 的大用戶,每年占DCS 市場(chǎng)總額的34. 9 %(含核電和熱電系統(tǒng)) ?，F(xiàn)在除60 萬(wàn)千瓦機(jī)組和部分30 萬(wàn)千瓦新建機(jī)組外,30 萬(wàn)千瓦改造機(jī)組和30 萬(wàn)千瓦以下的新建機(jī)組已經(jīng)大量采用國(guó)產(chǎn)DCS。冶金領(lǐng)域隨著技術(shù)的發(fā)展以及該行業(yè)自身對(duì)_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(shè)備采購(gòu)總金額的12 % ,ABB 和Siemens 在冶金領(lǐng)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(kāi)發(fā)了一套專(zhuān)用系統(tǒng),在中國(guó)市場(chǎng)占有率最高,其次為Honeywell。(2) PLC 技術(shù)自二十世紀(jì)80 年代走向成熟以來(lái),產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)能力、模擬量處理能力、運(yùn)算速度、內(nèi)存、復(fù)雜運(yùn)算能力均大大增強(qiáng),不再局限于邏輯控制的應(yīng)用,而越來(lái)越應(yīng)用于過(guò)程控制方面。目前世界上有200 多個(gè)廠家生產(chǎn)300 多種PLC 產(chǎn)品,應(yīng)用在汽車(chē)(23 %) 、糧食加工(16. 4 %) 、化學(xué)/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?qū)Ψ?攏的趨勢(shì)。新型的DCS 已有很強(qiáng)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(wú)論在控制器方面還是網(wǎng)絡(luò)方面都能做到冗余。二者能組成大型網(wǎng)絡(luò),適用范圍已有很大的交叉,技術(shù)上相互融合,并在此基礎(chǔ)上集成了全數(shù)字化的FCS(現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)) 。FCS 系統(tǒng)在我國(guó)工控領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用,但還沒(méi)成為主流控制,并且在我國(guó)還存在一些問(wèn)題,有待進(jìn)一步完善。所以用戶對(duì)FCS 的接受和認(rèn)可還需要一個(gè)過(guò)程。6 結(jié)論隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的快速發(fā)展,DCS 與PLC除各自保留自身原有的特點(diǎn)外,又相互補(bǔ)充,形成新的系統(tǒng)。新型的DCS 和PLC 功能上已沒(méi)有多大的差別。如果說(shuō)它們有什么區(qū)別的話,就是設(shè)計(jì)原理不同。PLC 是基于開(kāi)關(guān)量控制而開(kāi)發(fā)