DCS系統(tǒng)與PLC系統(tǒng)的特點淺析

黃曉峰，林清俊，陳福利

HUANG Xiao-feng1,LIN Qing-jun1,CHEN Fu-li2

（1. 北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120；2. 涿神公司 設(shè)計部電氣室，涿州 072750）

0 引言

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)技術(shù)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)的可靠性、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。以下針對這種情況，對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。

1）集散控制系統(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)。采用分布式的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，目的是為了減少風(fēng)險，提高系統(tǒng)可靠性。它將整個控制系統(tǒng)按照區(qū)域、功能和回路作適當(dāng)分解，再通過總線或通訊網(wǎng)絡(luò)將它們連接為有機整體。1975 年Honeywell 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)。

2）可編程控制器PLC（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(shè)計的。工業(yè)生產(chǎn)過程中大量的開關(guān)量的順序控制按照邏輯條件進(jìn)行順序動作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)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(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Programmable Controller（PC）。

1 結(jié)構(gòu)及特點

1）DCS 是計算機技術(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(yīng)用，目前國內(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)，從上到下是樹狀拓?fù)浜筒⑿羞B續(xù)的鏈路結(jié)構(gòu)，中間站聯(lián)接計算機、現(xiàn)場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、底板或機架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。

PLC的關(guān)鍵技術(shù)在于其內(nèi)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(yīng)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(nèi)部固化有能解釋梯形圖語言的程序即可。

2）在網(wǎng)絡(luò)方面DCS 網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)協(xié)議TCP/ IP。它是安全可靠雙冗余的高速通訊網(wǎng)絡(luò)，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(jìn)行通訊時，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)議也經(jīng)常與國際標(biāo)準(zhǔn)不符。在網(wǎng)絡(luò)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(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)視工藝全過程，對自身進(jìn)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(jìn)行遠(yuǎn)方診斷、維護和組態(tài)。當(dāng)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(jìn)行診斷和維護。

原來單用PLC 互相連接構(gòu)成的系統(tǒng)，其站與站（PLC 與PLC）之間的聯(lián)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，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）來協(xié)調(diào)控制。

4）DCS在整個設(shè)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，不能相互操作。DCS系統(tǒng)是各家不同的，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(shè)備的安全可靠采用了雙冗余的控制單元。當(dāng)重要控制單元出現(xiàn)故障時，都會有相關(guān)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)的安全可靠連續(xù)工作。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(dāng)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(jìn)行更換、維護并需重新編程。所以DCS 系統(tǒng)安全可靠性更高。

6）系統(tǒng)軟件。對各種工藝控制方案進(jìn)行更新是DCS的一項最基本的功能。當(dāng)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(gòu)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，然后要用與之對應(yīng)的編譯器進(jìn)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(diào)試期間，調(diào)試時間長和調(diào)試成本高，而且極其不利于日后的維護，在控制精度上也相差甚遠(yuǎn)。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(zhì)的判斷與標(biāo)量變換，故障帶電插拔，隨機更換。而PLC 模塊只是簡單電氣轉(zhuǎn)換單元，沒有智能芯片，發(fā)生故障后相應(yīng)單元全部癱瘓。

（1）PLC 響應(yīng)速度快；DCS 響應(yīng)速度慢。

（2）DCS 要作復(fù)雜的運算，內(nèi)存較大；PLC一般不做復(fù)雜運算，內(nèi)存小。

（3）DCS 的數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一，可以應(yīng)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(chǔ)管理。

（4）冗余功能DCS 更容易實現(xiàn)。

8）DCS 與PLC 的系統(tǒng)內(nèi)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(diào)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(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關(guān)量的處理。表面上看似一個系統(tǒng)，實際是雙系統(tǒng)的整合。

2 主要制造商和產(chǎn)品

1）自1975 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(nèi)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 家生產(chǎn)廠家。主要廠家及產(chǎn)品有施耐德公司（Quantum、Premium、Momentum 等）、AB公 司（SLC、MicroLogix、ControlLogix 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(nèi)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)。

3 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10000套DCS 在運行。我國DCS發(fā)展較晚，大約在20 世紀(jì)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(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）擴展階段，市場遠(yuǎn)沒有飽和。特別在最近一段時期，將會有大量的國內(nèi)企業(yè)采用先進(jìn)的DCS 來改造傳統(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空間。

目前，我國國民經(jīng)濟的主要領(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(lǐng)域，石化領(lǐng)域采購DCS 的金額占設(shè)備采購總金額的13.6 %。該領(lǐng)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(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)備采購總金額的20.3%。在化工領(lǐng)域國產(chǎn)DCS已經(jīng)取得較大的業(yè)績，但該領(lǐng)域銷售額最高的目前還是日本橫河，其次是Honeywell、浙大中自、Emerson 以及北京和利時等公司。

火電站是DCS 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(lǐng)域隨著技術(shù)的發(fā)展以及該行業(yè)自身的特殊要求，DCS 的使用量正在逐步減小而被PLC系統(tǒng)所替代。目前， DCS的金額大約占設(shè)備采購總金額的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(shù)自二十世紀(jì)80 年代走向成熟以來，產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)能力、模擬量處理能力、運算速度、內(nèi)存、復(fù)雜運算能力均大大增強，不再局限于邏輯控制的應(yīng)用，而越來越應(yīng)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(yīng)用在汽車（23%）、糧食加工（16.4%） 、化學(xué)/制藥（14.6%） 、金屬/礦山（11.5%） 、紙漿/造紙（11. 3%） 等行業(yè)。

4 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娇繑n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(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)場總線控制系統(tǒng)）。FCS 系統(tǒng)在我國工控領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)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(jìn)一步完善。所以用戶對FCS 的接受和認(rèn)可還需要一個過程。

5 結(jié)論

隨著計算機技術(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外，又相互補充形成了新的系統(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(shè)計原理不同。PLC是基于開關(guān)量控制而開發(fā)、發(fā)展起來的，而DCS 起源于模擬量控制系統(tǒng)。PLC 的優(yōu)勢是順序控制，DCS 的優(yōu)勢是模擬量控制。若控制回路較多、模擬量的采集量較大，尤其是在熱電阻、熱電偶的采集量較多的情況下應(yīng)選用DCS。若都是邏輯控制應(yīng)選用PLC。介于二者之間的，按投資預(yù)算決定。若投資預(yù)算比較充分，就可以決定采用DCS。因為DCS 不僅在完成模擬量控制方面比較擅長，而且有幾種PLC 經(jīng)現(xiàn)場使用證明它們的熱電阻的輸入模塊和DCS 的輸入模塊的價格基本一樣，從調(diào)試的角度看，PLC 的信號輸入卡沒有DCS 的好用，有時在調(diào)試時還容易損壞。