FCS三大控制系統(tǒng)的特點和差異

1、PLC、DCS、FCS三大控制系統(tǒng)的特點和差異1.前言上世紀九十年代走向實用化的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，正以迅猛的勢頭快速發(fā)展，是目前世界上最新型的控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是目前自動化技術中的一個熱點， 正受到國內外自動化設備制造商與用戶越來越強烈的關注。 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，將給自動化領域帶來又一次革命，其深度和廣度將超過歷史的任何一次，從而開創(chuàng)自動化的新紀元。在有些彳f業(yè)，F(xiàn)CS是由PLC發(fā)展而來的；而在另一些行業(yè)，F(xiàn)CS又是由DCS發(fā)展而來的，所以FCS與PLC及DCS之間有著千絲萬縷的聯(lián)系，又存在著本質的差異。本文試就PLC、DCS、FCS三大控制系統(tǒng)的特點和差異作一分析，指出它們之間

2、的淵源及發(fā)展方向。2 .PLC、DCS、FCS三大控制系統(tǒng)的基本特點目前，在連續(xù)型流程生產自動控制(PA)或習慣稱之謂工業(yè)過程控制中，有三大控制系統(tǒng)，即PLC、DCS和FCSo它們各自的基本特點如下：2.1PLC(1)從開關量控制發(fā)展到順序控制、運送處理，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PLC網(wǎng)絡。這比用PC機作主站方便之處是：有用戶編程時，不必知道通信協(xié)議，只要按說明書格式寫就行。(5)PLC網(wǎng)格既可作為獨立DCS/TDCS,也可作為DCS/TDCS的子系統(tǒng)。

3、(6)大系統(tǒng)同DCS/TDCS,如TDC3000、CENTUMCS、WDPFI、MOD300。(7)PLC網(wǎng)絡如Siemens公司的SINECL1、SINECH1、S4、S5、S6、S7等，GE公司的GENET、三菱公司的MELSECNET、MELSECNET/MINIo(8)主要用于工業(yè)過程中的順序控制，新型PLC也兼有閉環(huán)控制功能。(9)制造商：GOULD(美)、AB(美)、GE(美)、OMRON(日)、MITSUBISHI(日)、Siemens(德)等。2.2DCS或TDCS(1)分散控制系統(tǒng)DCS與集散控制系統(tǒng)TDCS是集4C(Communication,Computer,Contro

4、l、CRT)技術于一身的監(jiān)控技術。(1)從上到下的樹狀拓撲大系統(tǒng)，其中通信(Communication)是關鍵。(3)PID在中斷站中，中斷站聯(lián)接計算機與現(xiàn)場儀器儀表與控制裝置。(4)是樹狀拓撲和并行連續(xù)的鏈路結構，也有大量電纜從中繼站并行到現(xiàn)場儀器儀表。(5)模擬信號，A/DD/A、帶微處理器的混合。(6)一臺儀表一對線接到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)場儀表(現(xiàn)場測控站)的3級結構。(8)缺點是成本高，各公司產品不能互換，不能互操作，大DCS系統(tǒng)是各家不同的。(9)用于大規(guī)模的連續(xù)過程控制，如石化等。(10)制造商：Bailey(美)

5、、Westinghous(美)、HITACH(日)、LEEDS&NORTHRMP(美)、SIEMENS(德)、Foxboro(美)、ABB(瑞士)、Hartmann&Braun(德)、Yokogawa(日)、Honewell(美國)、Taylor(美)等。2.3FCS(1)基本任務是：本質(本征)安全、危險區(qū)域、易變過程、難于對付的非常環(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)場儀表、控制裝置、PID與控制中心，取代每臺儀器兩根線。(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、串行、數(shù)字通信系統(tǒng)取代單變量、單

6、點、并行、模擬系統(tǒng)。(6)是互聯(lián)的、雙向的、開放的取代單向的、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)場電腦操縱，還可掛到上位機，接同一總線的上一級計算機。(9)局域網(wǎng)，再可與internet相通。(10)改變傳統(tǒng)的信號標準、通信標準和系統(tǒng)標準入企業(yè)管理網(wǎng)。(11)制造商：美Honeywell、Smar、FisherRosemount、AB/Rockwell、ElsagBailey、Foxboro、Yamatake、日Yokogawa、歐SiemensGECAlsthom、Schneider、procesData、ABB等。(12)3類FCS的典型1)連續(xù)的工藝過程自動控制

7、如石油化工，其中木安防爆”技術是絕對重要的，典型產品是FF、WorldFIP、ProfibusPA;2)分立的工藝動作自動控制如汽車制造機器人、汽車，典型產品是ProfibusDP、CANbus;3)多點控制如樓宇自動化，典型產品是LONWork、ProfibusFMSo從上述基本要點的描述中，我們是否注意到一點，用于過程控制的三大系統(tǒng)，沒有一個是針對電站而開發(fā)的，或者說，在他們開發(fā)的初期，都并非以電站做系統(tǒng)的首選控制對象。而在這些系統(tǒng)的使用說明中也絕不把電站做為首選適用范圍，有的在適用范圍中根本就不提電站。現(xiàn)在奇怪的是，這三大控制系統(tǒng)，尤其是DCS、PLC,都在電站得到了廣泛應用，而且效果也

8、非常好。3.三大控制系統(tǒng)之間的差異我們已經(jīng)知道，F(xiàn)CS是由DCS與PLC發(fā)展而來，F(xiàn)CS不僅具備DCS與PLC的特點，而且跨出了革命性的一步。而目前，新型的DCS與新型的PLC,都有向對方靠攏的趨勢。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)控制方面也不差，并且兩者都能組成大型網(wǎng)絡，DCS與PLC的適用范圍，已有很大的交叉。下一節(jié)就僅以DCS與FCS進行比較。在前面的章節(jié)中，實際上已涉及到DCS與FCS的差異，下面將就體系結構、投資、設計、使用等方面進行敘述。3.1差異要點DCSDCS系統(tǒng)的關鍵是通信。也可以說數(shù)據(jù)公路是分散控制系統(tǒng)DCS的脊柱。由于它的任務是為系統(tǒng)所有部件

9、之間提供通信網(wǎng)絡，因此，數(shù)據(jù)公路自身的設計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：一對絞線、同軸電纜或光纖電纜。通過數(shù)據(jù)公路的設計參數(shù)，基本上可以了解一個特定DCS系統(tǒng)的相對優(yōu)點與弱點。(1)系統(tǒng)能處理多少I/O信息。(2)系統(tǒng)能處理多少與控制有關的控制回路的信息。(3)能適應多少用戶和裝置(CRT、控制站等)。(4)傳輸數(shù)據(jù)的完整性是怎樣徹底檢查的。(5)數(shù)據(jù)公路的最大允許長度是多少。(6)數(shù)據(jù)公路能支持多少支路。(7)數(shù)據(jù)公路是否能支持由其它制造廠生產的硬件(可編程序控制器、計算機、數(shù)據(jù)記錄裝置等)。為保證通信的完整，大部分DCS廠家都能提供冗余數(shù)據(jù)公路。為了保證系統(tǒng)的安全性，

10、使用了復雜的通信規(guī)約和檢錯技術。所謂通信規(guī)約就是一組規(guī)則，用以保證所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被接收，并且被理解得和發(fā)送的數(shù)據(jù)一樣。目前在DCS系統(tǒng)中一般使用兩類通信手段，即同步的和異步的，同步通信依靠一個時鐘信號來調節(jié)數(shù)據(jù)的傳輸和接收，異步網(wǎng)絡采用沒有時鐘的報告系統(tǒng)。FCSFCS的關鍵要點有三點(1)FCS系統(tǒng)的核心是總線協(xié)議，即總線標準前面的章節(jié)已經(jīng)敘述，一種類型的總線，只要其總線協(xié)議一經(jīng)確定，相關的關鍵技術與有關的設備也就被確定。就其總線協(xié)議的基本原理而言，各類總線都是一樣的，都以解決雙向串行數(shù)字化通訊傳輸為基本依據(jù)。但由于各種原因，各類總線的總線協(xié)議存在很大的差異。為了使現(xiàn)場總線滿足可互操作性要求，使

11、其成為真正的開放系統(tǒng)，在IEC國際標準，現(xiàn)場總線通訊協(xié)議模型的用戶層中，就明確規(guī)定用戶層具有裝置描述功能。為了實現(xiàn)互操作，每個現(xiàn)場總線裝置都用裝置描述DD來描述。DD能夠認為是裝置的一個驅動器，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，并且與主站無關，所以可以使現(xiàn)場裝置實現(xiàn)真正的互操作性。實際情況是否如上述一致，回答是否定的。目前通過的現(xiàn)場總線國際標準含8種類型，而原IEO國際標準只是8種類型之一，與其它7種類型總線的地位是平等的。其它7種總線，不論其市場占有率有多少，每個總線協(xié)議都有一套軟件、硬件的支撐。它們能夠形成系統(tǒng)，形成產品，而原IEC現(xiàn)場總

12、線國際標準，是一個既無軟件支撐也無硬件支撐的空架子。所以，要實現(xiàn)這些總線的相互兼容和互操作，就目前狀態(tài)而言，幾乎是不可能的。通過上述，我們是否可以得出這樣一種映象：開放的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的互操作性，就一個特定類型的現(xiàn)場總線而言，只要遵循該類型現(xiàn)場總線的總線協(xié)議，對其產品是開放的，并具有互操作性。換句話說，不論什么廠家的產品，也不一家是該現(xiàn)場總線公司的產品，只要遵循該總線的總線協(xié)議，產品之間是開放的，并具有互操作性，就可以組成總線網(wǎng)絡。(2)FCS系統(tǒng)的基礎是數(shù)字智能現(xiàn)場裝置數(shù)字智能現(xiàn)場裝置是FCS系統(tǒng)的硬件支撐，是基礎，道理很簡單，F(xiàn)CS系統(tǒng)執(zhí)行的是自動控制裝置與現(xiàn)場裝置之間的雙向數(shù)字通信現(xiàn)場

13、總線信號制。如果現(xiàn)場裝置不遵循統(tǒng)一的總線協(xié)議，即相關的通訊規(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，也不能稱之為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。再一點，現(xiàn)場總線的一大特點就是要增加現(xiàn)場一級控制功能。如果現(xiàn)場裝置不是多功能智能化的產品，那么現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點也就不存在了，所謂簡化系統(tǒng)、方便設計、利于維護等優(yōu)越性也是虛的。(3)FCS系統(tǒng)的本質是信息處理現(xiàn)場化對于一個控制系統(tǒng)，無論是采用DCS還是采用現(xiàn)場總線，系統(tǒng)需要處理的信息量至少是一樣多的。實際上，采用現(xiàn)場總線后，可以從現(xiàn)場得到更多的信息?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)的信息量沒有減少，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

14、線纜傳輸信息的能力，另一方面要讓大量信息在現(xiàn)場就地完成處理，減少現(xiàn)場與控制機房之間的信息往返?？梢哉f現(xiàn)場總線的本質就是信息處理的現(xiàn)場化。減少信息往返是網(wǎng)絡設計和系統(tǒng)組態(tài)的一條重要原則。減少信息往返常?？蓭砀纳葡到y(tǒng)響應時間的好處。因此，網(wǎng)絡設計時應優(yōu)先將相互間信息交換量大的節(jié)點，放在同一條支路里。減少信息往返與減少系統(tǒng)的線纜有時會相互矛盾。這時仍應以節(jié)省投資為原則來做選擇。如果所選擇系統(tǒng)的響應時間允許的話，應選節(jié)省線纜的方案。如所選系統(tǒng)的響應時間比較緊張，稍微減少一點信息的傳輸就夠用了，那就應選減少信息傳輸?shù)姆桨浮，F(xiàn)在一些帶現(xiàn)場總線的現(xiàn)場儀表本身裝了許多功能塊，雖然不同產品同種功能塊在性能上會

15、稍有差別，但一個網(wǎng)絡支路上有許多功能雷同功能塊的情況是客觀存在的。選用哪一個現(xiàn)場儀表上的功能塊，是系統(tǒng)組態(tài)要解決的問題?？紤]這個問題的原則是：盡量減少總線上的信息往返。一般可以選擇與該功能有關的信息輸出最多的那臺儀表上的功能塊。3.2典型系統(tǒng)比較通過使用現(xiàn)場總線，用戶可以大量減少現(xiàn)場接線，用單個現(xiàn)場儀表可實現(xiàn)多變量通信，不同制造廠生產的裝置間可以完全互操作，增加現(xiàn)場一級的控制功能，系統(tǒng)集成大大簡化，并且維護十分簡便。3.3設計、投資及使用比較的前題是DCS系統(tǒng)與典型的、理想的FCS系統(tǒng)進行比較。為什么要做如此的假設。做為DCS系統(tǒng)發(fā)展到今天，開發(fā)初期提出的技術要求卻已滿足并得到了完善，目前的狀

16、況是進一步提高，因此也就不存在典型、理想的說法。而作為FCS系統(tǒng)，90年代剛進入實用化，作為開發(fā)初期的技術要求：兼容開放，雙向數(shù)字通信、數(shù)字智能現(xiàn)場裝置、高速總線等，目前還不理想有待完善。這種狀態(tài)與現(xiàn)場總線國際標準的制定不能說沒有關系。過去的十多年，各總線組織都忙于制定標準，開發(fā)產品，占領更多的市場，目的就是要擠身于國際標準，合法的占領更大的市場?，F(xiàn)在有關國際標準的爭戰(zhàn)已告一段落，各大公司組織都已意識到，要真正占領市場，就得完善系統(tǒng)及相關產品。我們可以做這樣的預測，不久的將來，完善的現(xiàn)場總線系統(tǒng)及相關產品必須成為世界現(xiàn)場總線技術的主流。具體比較：(1)DCS系統(tǒng)是個大系統(tǒng)，其控制器功能強而且在

17、系統(tǒng)中的作用十分重要，數(shù)據(jù)公路更是系統(tǒng)的關鍵，所以，必須整體投資一步到位，事后的擴容難度較大。而FCS功能下放較徹底，信息處理現(xiàn)場化，數(shù)字智能現(xiàn)場裝置的廣泛采用，使得控制器功能與重要性相對減弱。因此，F(xiàn)CS系統(tǒng)投資起點低，可以邊用、邊擴、邊投運。(2)DCS系統(tǒng)是封閉式系統(tǒng)，各公司產品基本不兼容。而FCS系統(tǒng)是開放式系統(tǒng)，用戶可以選擇不同廠商、不同品牌的各種設備連入現(xiàn)場總線，達到最佳的系統(tǒng)集成。(3)DCS系統(tǒng)的信息全都是二進制或模擬信號形成的，必須有D/A與A/D轉換。而FCS系統(tǒng)是全數(shù)字化，就免去了D/A與A/D變換，高集成化高性能，使精度可以從不.5%提高到d0.1%o(4)FCS系統(tǒng)可

18、以將PID閉環(huán)控制功能裝入變送器或執(zhí)行器中，縮短了控制周期，目前可以從DCS的每秒25次，提高到FCS的每秒1020次，從而改善調節(jié)性能。(5)DCS它可以控制和監(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(含變送器、執(zhí)行器等)進行遠方診斷、維護和組態(tài)。FCS采用全數(shù)字化技術，數(shù)字智能現(xiàn)場裝置發(fā)送多變量信息，而不僅僅是單變量信息，并且還具備檢測信息差錯的功能。FCS采用的是雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號制。因此，它可以對現(xiàn)場裝置(含變送器、執(zhí)行機構等)進行遠方診斷、維護和組態(tài)。FCS的這點優(yōu)越性是DC

19、S無法比擬的。(6)FCS由于信息處理現(xiàn)場化，與DCS相比可以省去相當數(shù)量的隔離器、端子柜、I/O終端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜，同時也節(jié)省了I/O裝置及裝置室的空間與占地面積。有專家認為可以省去60%o(7)與(6)同樣理由，F(xiàn)CS可以減少大量電纜與敷設電纜用的橋架等，同時也節(jié)省了設計、安裝和維護費用。有專家認為可以節(jié)省66%o對于(6)、(7)兩點應補充說明的是，采用FCS系統(tǒng)，節(jié)省投資的效果是不用懷疑的，但是否如有的專家所說達6066%。這些數(shù)字在多篇文章中出現(xiàn)，編者認為這是相互轉摘的結果，目前還未找到這些數(shù)字的原始出處，因此，讀者在引用這些數(shù)字時要慎重。(8)FCS相對于DCS

20、組態(tài)簡單，由于結構、性能標準化，便于安裝、運行、維護。(9)用于過程控制的FCS設計開發(fā)要點。這一點并不作為與DCS的比較，只是說明用于過程控制或者說用于模擬連續(xù)過程類的FCS在設計開發(fā)中應重點考慮的問題。1)要求總線本安防爆功能，而且是頭等重要的。2)基本監(jiān)控如流量、料位、溫度、壓力等的變化是緩慢的，而且還有滯后效應，因此，節(jié)點監(jiān)控并不需要快電子學的響應時間， 但要求有復雜的模擬量處理能力。這一物理特征決定了系統(tǒng)基本上多采用主一從之間的集中輪詢制，這在技術上是合理的，在經(jīng)濟上是有利的。3）流量、料位、溫度、壓力等參數(shù)的測量，其物理原理是古典的，但傳感器、變送器及控制器應向數(shù)字智能化發(fā)展。4）

21、作為針對連續(xù)過程類及其儀器儀表而開發(fā)的FCS,應側重于低速總線H1的設計完善。4 .PLC與DCS的前景我們已經(jīng)知道有的FCS是由PLC發(fā)展而來，而有的FCS是由DCS發(fā)展而來，那么，今天FCS已走向實用化，PLC與DCS前景又將如何。PLC于60年代末期在美國首先出現(xiàn)，目的是用來取代繼電器，執(zhí)行邏輯、計時、計數(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：PLC是一種數(shù)字控制專用電子計算機，它使用了可編程序存儲器儲存指令，執(zhí)行諸如邏輯、順序、計時、計數(shù)與演算等功能，并通過模擬和數(shù)字輸入、輸出等組件，控制各種機械或工作程序。經(jīng)過30多年的發(fā)展，PLC已十分成熟與完善，并

22、開發(fā)了模擬量閉環(huán)控制功能。PLC在FCS系統(tǒng)中的地位似乎已被確定并無多少爭論。IEC推薦的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)體系結構,PLC作為一個站掛在高速總線上。編者以為，輔助車間的控制系統(tǒng)應以遵循現(xiàn)場總線通訊協(xié)議的PLC或能與FCS進行通訊交換信息的PLC為優(yōu)選對象。自1973年提出第一臺以微處理器為基礎的控制器以來，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)于以住任何一種控制系統(tǒng)?？梢詽M足火電廠DAS、MCS、SCS和APS各系統(tǒng)的各種要求，目前還可以通過工業(yè)以太網(wǎng)建立管理層網(wǎng)絡，以滿足火電廠呼聲越來越高的加強管理的要求?？梢赃@樣說，DCS系統(tǒng)的監(jiān)控可以復蓋大型火電機組的工藝全過程。但是，自從有了FCS,并于90年代走向實用化以來，不斷有如下論點在公開刊物上發(fā)表，即：從現(xiàn)在起，新的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS將逐步取代傳統(tǒng)的DCS;當調節(jié)功能下放到現(xiàn)場去以后，傳統(tǒng)的DCS就沒有存在的必要而會自動消失”；今后十年，傳統(tǒng)的420mA模擬信號制將逐步被雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號制所取代，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)場總線控制系統(tǒng)FCSo這些論點歸納為一句話：FCS將取代DCS,DCS從此將消亡。上述論點皆出自于權威專家之口，確實不無道理。數(shù)字通訊是一種趨勢，它代表了技術進步，是任何人阻擋不了的。雙向數(shù)字通信