論DCS,PLC,FCS三大控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及差異

潘 蕊

1 DCS,PLC,FCS三大控制系統(tǒng)的基本特點(diǎn)

目前,在連續(xù)型流程生產(chǎn)自動(dòng)控制(PA)或習(xí)慣稱之為工業(yè)過程控制中,有三大控制系統(tǒng),即 PLC,DCS和 FCS。它們各自的基本特點(diǎn)如下。

1.1 DCS

1)分散控制系統(tǒng)DCS與集散控制系統(tǒng) TDCS是集 4C(Communication,Computer,Control,CRT)技術(shù)于一身的監(jiān)控技術(shù)。2)從上到下的樹狀拓?fù)浯笙到y(tǒng),其中通信(Communication)是關(guān)鍵。3)PID在中斷站中,中斷站聯(lián)接計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場儀器儀表與控制裝置。4)是樹狀拓?fù)浜筒⑿羞B續(xù)的鏈路結(jié)構(gòu),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(hào),A/D-D/A、帶微處理器的混合。6)一臺(tái)儀表一對(duì)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(jí)結(jié)構(gòu)。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(tǒng)各家是不同的。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)、Foxboro(美)、ABB(瑞士 )、Hartmann＆ Braun(德)、Yokogawa(日)、Honewell(美國)、Taylor(美)等。

1.2 PLC

1)從開關(guān)量控制發(fā)展到順序控制、運(yùn)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(tái)PC機(jī)為主站,多臺(tái)同型PLC為從站。4)也可一臺(tái) PLC為主站,多臺(tái)同型PLC為從站,構(gòu)成 PLC網(wǎng)絡(luò)。這比用 PC機(jī)作主站方便之處是:有用戶編程時(shí),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(dú)立 DCS/TDCS,也可作為 DCS/TDCS的子系統(tǒng)。6)大系統(tǒng)同 DCS/TDCS,如 TDC3000,CENTUMCS,WDPFI,MOD 300。7)PLC網(wǎng)絡(luò)如 Siemens公司的 SINEC-L1,SINEC-H 1,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),MITSUBISH I(日),Siemens(德)等。

1.3 FCS

1)基本任務(wù)是:本質(zhì)(本征)安全、危險(xiǎn)區(qū)域、易變過程、難于對(duì)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(tái)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(diǎn)、串行、數(shù)字通信系統(tǒng)取代單變量、單點(diǎn)、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(jī),接同一總線的上一級(jí)計(jì)算機(jī)。9)局域網(wǎng),可與internet相通。10)改變傳統(tǒng)的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)、通信標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)入企業(yè)管理網(wǎng)。11)制造商:美 Honeywell,Smar,Fisher-Rosemount,AB/Rockwell,Elsag-Bailey,Foxboro,Yamatake,日 Yokogawa,歐 Siemens,GEC-Alsthom,Schneider,proces-Data,ABB等。

2 三大控制系統(tǒng)之間的差異

2.1 差異要點(diǎn)

DCS系統(tǒng)的關(guān)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(wù)是為系統(tǒng)所有部件之間提供通信網(wǎng)絡(luò),因此,數(shù)據(jù)公路自身的設(shè)計(jì)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(duì)絞線、同軸電纜或光纖電纜。為保證通信的完整,大部分DCS廠家都能提供冗余數(shù)據(jù)。為了保證系統(tǒng)的安全性,使用了復(fù)雜的通信規(guī)約和檢錯(cuò)技術(shù)。

FCS的關(guān)鍵要點(diǎn)有三點(diǎn) :

1)FCS系統(tǒng)的核心是總線協(xié)議,即總線標(biāo)準(zhǔn)。為了使現(xiàn)場總線滿足可互操作性要求,使其成為真正的開放系統(tǒng),在IEC國際標(biāo)準(zhǔn),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(shí)現(xiàn)互操作,每個(gè)現(xiàn)場總線裝置都用裝置DD來描述。DD能夠認(rèn)為是裝置的一個(gè)驅(qū)動(dòng)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(guān),所以可以使現(xiàn)場裝置實(shí)現(xiàn)真正的互操作性。開放的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的互操作性,就一個(gè)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(duì)其產(chǎn)品是開放的,并具有互操作性。2)FCS系統(tǒng)的基礎(chǔ)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(chǔ),道理很簡單,FCS系統(tǒng)執(zhí)行的是自動(dòng)控制裝置與現(xiàn)場裝置之間的雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號(hào)制。如果現(xiàn)場裝置不遵循統(tǒng)一的總線協(xié)議,即相關(guān)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(diǎn),現(xiàn)場總線的一大特點(diǎn)就是要增加現(xiàn)場一級(jí)控制功能。3)FCS系統(tǒng)的本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場化。對(duì)于一個(gè)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(shí)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(jī)房之間的信息往返?？梢哉f現(xiàn)場總線的本質(zhì)就是信息處理的現(xiàn)場化。減少信息往返是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)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(yīng)時(shí)間的好處。

2.2 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(gè)現(xiàn)場儀表可實(shí)現(xiàn)多變量通信,不同制造廠生產(chǎn)的裝置間可以完全互操作,增加現(xiàn)場一級(jí)的控制功能,系統(tǒng)集成大大簡化,并且維護(hù)十分簡便。

2.3 設(shè)計(jì)、投資及使用

比較的前提是 DCS系統(tǒng)與典型的、理想的 FCS系統(tǒng)進(jìn)行比較。為什么要做如此的假設(shè)。作為DCS系統(tǒng)發(fā)展到今天,開發(fā)初期提出的技術(shù)要求卻已滿足并得到了完善,目前的狀況是進(jìn)一步提高,因此也就不存在典型、理想的說法。而作為 FCS系統(tǒng),20世紀(jì) 90年代剛進(jìn)入實(shí)用化,作為開發(fā)初期的技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)的制定不能說沒有關(guān)系。過去的十多年,各總線組織都忙于制定標(biāo)準(zhǔn),開發(fā)產(chǎn)品,占領(lǐng)更多的市場,目的就是要擠身于國際標(biāo)準(zhǔn),合法的占領(lǐng)更大的市場?，F(xiàn)在有關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)的爭戰(zhàn)已告一段落,各大公司組織都已意識(shí)到,要真正占領(lǐng)市場,就得完善系統(tǒng)及相關(guān)產(chǎn)品。

2.4 PLC的發(fā)展

PLC于 20世紀(jì) 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(jì)時(shí)、計(jì)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(jì)算機(jī),它使用了可編程序存儲(chǔ)器儲(chǔ)存指令,執(zhí)行諸如邏輯、順序、計(jì)時(shí)、計(jì)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(jī)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。PLC作為一個(gè)站掛在高速總線上,充分發(fā)揮 PLC在處理開關(guān)量方面的優(yōu)勢。另外,火力發(fā)電廠輔助車間,例如補(bǔ)給水處理車間、循環(huán)水車間、除灰除渣車間、輸煤車間等,在這些車間的工藝過程多以順序控制為主。PLC對(duì)于順序控制有其獨(dú)特的優(yōu)勢。編者以為,輔助車間的控制系統(tǒng)應(yīng)以遵循現(xiàn)場總線通訊協(xié)議的PLC或能與 FCS進(jìn)行通訊交換信息的PLC為優(yōu)選對(duì)象。

3 系統(tǒng)的發(fā)展運(yùn)用

自1973年提出第一臺(tái)以微處理器為基礎(chǔ)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)于以往任何一種控制系統(tǒng),可以滿足工廠 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(luò),以滿足工廠呼聲越來越高的加強(qiáng)管理的要求。

但是,自從有了FCS,并于 20世紀(jì) 90年代走向?qū)嵱没詠?不斷有如下論點(diǎn)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(dāng)調(diào)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(huì)自動(dòng)消失”“今后十年,傳統(tǒng)的 4m A～20m A模擬信號(hào)制將逐步被雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號(hào)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)FCS”……這些論點(diǎn)歸納為一句話:FCS將取代DCS,DCS從此將消亡。

上述論點(diǎn)皆出自于權(quán)威專家之口,確實(shí)不無道理。雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號(hào)制以及由它而產(chǎn)生的巨大的推動(dòng)力,加速現(xiàn)場裝置與控制儀表的變革,開發(fā)出越來越多的功能完善的數(shù)字智能現(xiàn)場裝置。再則,FCS是由 DCS以及 PLC發(fā)展而來,它保留了DCS的特點(diǎn),或者說FCS吸收了DCS多年開發(fā)研究以及現(xiàn)場實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn),當(dāng)然也包括教訓(xùn)。由此而得出結(jié)論,“FCS將取代 DCS”,似乎也是順理成章之事。

同時(shí)我們也應(yīng)看到,DCS系統(tǒng)發(fā)展也近 30年,在工廠的應(yīng)用如此廣泛。

4 結(jié)語

目前的 DCS與新型的 PLC,由于多年的開發(fā)研究,在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),現(xiàn)在的DCS已不是當(dāng)初的 DCS,同樣如此,新型的 PLC也不是開發(fā)初期的PLC。我們說是DCS取代了 PLC或者說是PLC取代了 DCS,顯然都是不合適的。

[1]熊新民.自動(dòng)控制原理與系統(tǒng)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2003:7.

[2]王銀鎖.過程控制系統(tǒng)[M].北京:百科知識(shí),2009:1.

[3]凌志浩.DCS與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)[M].北京:高等教育出版社,2008:9.