DCS PLC與順序控制

劉紅亮

從DCS與PLC結構、可靠性、運行速度、容量、操作、組態(tài)、維護，以及今后連網(wǎng)、通訊、自控的發(fā)展方向等多方面考慮，討論了把過程控制和順控系統(tǒng)設置進同一套DCS系統(tǒng)的可行性，沒有必要也不應該1套裝置搞多套控制系統(tǒng)，包括用PLC獨立完成安全聯(lián)鎖。

DCS；PLC；可靠性；順序控制；安全聯(lián)鎖

1.DCS與PLC

上世紀60年代以后，隨著生產(chǎn)過程的大型化和復雜化，誕生了計算機集中監(jiān)視和控制的集中控制系統(tǒng)。集中控制方便了監(jiān)視、操作和管理，同樣也使危險性高度集中，系統(tǒng)一旦故障，對裝置造成的影響及危險性都是非常大的。隨著微處理機的誕生，為新型控制系統(tǒng)的開發(fā)創(chuàng)造了無比優(yōu)越的條件。1975年11月，隨著計算機(COM PU T ER)、通訊(COM M UN ICAT ION)、控制(CON TRL)和CRT 4C技術的不斷發(fā)展和完善，美國霍尼韋爾(HON EYW ELL)首次向全世界推出了分散控制系統(tǒng)TDC-2000被稱為當時“最鼓舞人心的事件”。從第1套DCS系統(tǒng)誕生至今，DCS系統(tǒng)已經(jīng)歷了4個發(fā)展階段。

1975~1980年為初創(chuàng)階段。由于軟硬件技術的限制，此時的DCS系統(tǒng)性能還不十分完善，硬件結構還不十分成熟。

1981~1987年為第2個階段。這一時期容錯、冗余技術已成熟使用，系統(tǒng)可靠性很高，性能十分優(yōu)越，各種控制功能十分豐富。

1987~1993年為第3階段，各廠家的DCS開始向以OSI為基礎的MAP協(xié)議靠攏，以求達到不同系統(tǒng)的互聯(lián)。

1994年至今為第4階段，DCS系統(tǒng)在硬件上使用了更先進的CPU及冗余技術，貯存容量及通訊速度大幅度提高，軟件上采用通用操作系統(tǒng)。

早在DCS出現(xiàn)前的1969年DEC公司按照GM(美國通用汽車公司)的10條要求研制出世界上第1臺PLC，首次安裝在美國底特律的GM公司的汽車裝配線上一舉獲得成功，1969年在DEC之后GOU LDM OD ICON使PLC商品化，PLC是專門設計出來用于同繼電器產(chǎn)品競爭的，并且已逐漸取代了繼電器。PLC做為一種工業(yè)控制專用計算機已跨過25年的歷史，經(jīng)歷了5個發(fā)展階段：

1969~1972年是PLC的出世階段，各家PLC結構差異很大、功能簡單、硬件結構以分離元件為主，體積較大。

1972~1976年為第2階段，系統(tǒng)開始標準化、系統(tǒng)化，整機功能由專用向通用過渡。

1976~1987年為第3階段，PLC逐步演變成一種專業(yè)的工業(yè)計算機，可靠性大大提高，成本大幅度降低，面向過程的梯形圖語言及其變種語句表語言問世，為PLC的普及奠定了基礎。

1981~1988年為第4階段，梯形圖語言和語句表語言完全成熟，基本標準化，SFC語言問世。

IEC發(fā)表PLC標準草案，各廠家的PLC向規(guī)范化系列化發(fā)展。

1988年至今為第5階段，IEC正式頌布PLC標準。整體式PLC與外界連接的輸入、輸出部分標準化、模塊化，并與主機分離。

2.過程控制、順控、安全聯(lián)鎖全部在DCS系統(tǒng)中完成

順控是工業(yè)控制過程中重要的一環(huán)，大量采用離散的開/關信號，執(zhí)行較復雜的邏輯控制功能來完成間斷的、批量的工業(yè)生產(chǎn)過程。

安全聯(lián)鎖一般只須要執(zhí)行較簡單的邏輯功能。

過程控制系統(tǒng)要求用模擬信號，完成復雜的數(shù)字及邏輯運算功能。

過去，由于技術上的原因，加上傳統(tǒng)觀念對人們的影響，世界上許多國家的設計資料及規(guī)范均要求把過程控制與安全聯(lián)鎖分開，這就造成大量的裝置過程控制與順控，特別是過程控制與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)分別采用相互獨立的控制系統(tǒng)。隨著生產(chǎn)工藝越來越復雜，隨著4C技術突飛猛進地發(fā)展，DCS已取代了常規(guī)控制儀表完成過程控制，PLC取代了繼電器完成順序控制及安全聯(lián)鎖。DCS與PLC無論從硬件結構，還是在軟件上都很相似，而現(xiàn)在DCS系統(tǒng)在功能上要比PLC強得多，DCS有很好的操作監(jiān)視界面，有豐富的管理軟件，有很強的控制功能，可利用率已達到99.9999%。用DCS取代PLC，在1套工業(yè)裝置中即完成過程控制又要完成順控，特別是安全聯(lián)鎖，這是完全可能的，并且在工業(yè)界中已有考慮應用，這也是工業(yè)自動化發(fā)展的一個方向。

從系統(tǒng)結構上看。從系統(tǒng)硬件構成來看，DCS系統(tǒng)是由上位管理計算機，操作站和控制站等組成，而有些DCS系統(tǒng)還設立了專門的邏輯控制站，(即PLC)如TDC-3000的LM。1個控制站(包括獨立的邏輯控制站)就相當于1臺PLC，其硬件結構也與PLC基本相同，包括I/O模件、通訊模件(站內(nèi)部)、存貯模件和CPU運算模件。從軟件及通訊上來看DCS的基本出發(fā)點就是分散控制，每一個控制站與控制站，控制站與操作站、上位機之間是相對獨立的，不論哪一個站出現(xiàn)故障都不會對其他站造成影響，如果選用高分散型的控制站還可進一步把危險分散。因此從系統(tǒng)結構上看DCS的一個現(xiàn)場控制站對整個系統(tǒng)可以說是獨立的，其可靠性完全可以和1臺PLC相比，僅受本站內(nèi)故障的影響。

可靠性。由于DCS系統(tǒng)采用了容錯、糾錯，從電源、I/O到通訊以及存貯運算等一系列的冗余，甚至四重鏡面CPU等多種高可靠性措施，加上今天的電子元器件，集成電路可靠性大幅度提高，整個系統(tǒng)平均無故障時間MTBF高達10萬d，平均修復時間MTTR為10-2d，利用率A高達99.9999%，即使假設目標故障率H為每年0.01%，對DCS要求的故障率D為100次/a，系統(tǒng)的利用率為：U=H/D則U=(0.01%)/100=0.00001%，可利用率=1-U=99.9999%。

從DCS與PLC的發(fā)展過程來看，DCS，PLC都經(jīng)歷了4~5代，已完全成熟，從硬件選型到制造工藝，DCS和PLC廠家都是精益求精，選用最先進的CPU(32BITMC68020~MC68040)，采用最先進的表面貼裝技術，在軟件方面采用成熟的可靠的操作系統(tǒng)?？傊祭昧水斀袷澜缟献钕冗M優(yōu)秀的手段，PLC沒有任何優(yōu)勢可言，而DCS第2代產(chǎn)品中就采用了分散，冗余等先進手段。

由DCS完成安全聯(lián)鎖有利于把事故消除在萌芽狀態(tài)。把生產(chǎn)的安全可靠性提到重要地位上來，尋求更完善可靠的安全控制策略，要求對不正常情況的出現(xiàn)進行自動檢測、診斷、控制。隨著生產(chǎn)工藝的大型化、復雜化及精密化，單純的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)不論從及時性、可靠性，還是從經(jīng)濟性的角度考慮，都存在很多不足之處，難以處理復雜的情況。而在DCS內(nèi)可以采用故障檢測和診斷技術，可以在故障的萌芽階段就被發(fā)現(xiàn)，這樣可以及時處理，避免事故擴大，并減少停車損失。國外已有了安全性檢測和保護系統(tǒng)的軟件商品，這也只有在DCS系統(tǒng)中才能很好地運行(需要各種信息)。

在安全聯(lián)鎖中DCS不能做為PLC的后備。有觀點認為在PLC單獨完成安全聯(lián)鎖的情況下，DCS可以做為PLC的后備。

在工業(yè)控制過程中，一般的順控特別是安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，從檢測元件到報警給定器，無論是驅(qū)動繼電器，還是PLC或DCS，完成邏輯運算，然后送出執(zhí)行信號到現(xiàn)場執(zhí)行機構，這一系列的過程中的元件都是完全獨立的。特別是對于安全聯(lián)鎖，更是這樣，即操作信號(人能干預的信號)與聯(lián)鎖信號是分開的，從檢測目的，到檢測設備都是相互獨立的，即使是在DCS內(nèi)部完成順控(安全聯(lián)鎖)，這一部分功能也是相對獨立的。DCS或常規(guī)控制手段的監(jiān)視操作功能，并不能看作是聯(lián)鎖的后備功能，事實上也根本起不到安全聯(lián)鎖的作用。

當DCS出現(xiàn)大故障或停電，必將造成對工藝過程不能正常監(jiān)視、操作，以至停車，這時安全聯(lián)鎖也就不需要起作用了。由于DCS有完善的雙重化功能，如果是一般的控制站內(nèi)的故障，系統(tǒng)仍可正常運行，可通過不停站，在控制站正常運行的情況下，進行故障處理，則聯(lián)鎖系統(tǒng)照樣能正常運行，起到安全作用。

運行速度問題。隨著計算機技術的不斷發(fā)展，DCS系統(tǒng)控制站盡管容量在不斷擴大，但掃描速度也在不斷提高，有的系統(tǒng)現(xiàn)在掃描速度大于1ms，并且能區(qū)分第1事故點，大多數(shù)DCS雖達不到如此快的掃描速率，但也有各自具體的處理方法，比如回路掃描速率由用戶自己定義，對重要的回路掃描周期可以相對提高。

在工業(yè)生產(chǎn)上，絕大多數(shù)的工業(yè)過程，其反應、變化過程是比較緩慢的，根本不需要10-9S級的處理速度，加之傳感元件的反應速度或給定器的工作速度也無法達到10-9S級，因此DCS控制站的掃描速度完全可以滿足一般順控或安全聯(lián)鎖的需要。

從DCS與PLC的硬件結構或工作方式來看，是基本相同的，只是在處理信息的容量上有一定的區(qū)別。從這一點上看，PLC的掃描速率比DCS也不可能有非常大的區(qū)別。

容量上看。從硬件結構上看，現(xiàn)在最大的PLC可以達到3200個I/O點，而整套的DCS系統(tǒng)的I/O點數(shù)完全可以與之抗衡。

從軟件功能上看，DCS系統(tǒng)有豐富的功能模塊及先進的順控方法，大大超過PLC。一般的由DCS控制的工業(yè)生產(chǎn)，其順控或安全聯(lián)鎖都不十分龐大，DCS完全可以勝任。

從通訊速度上看，DCS的通訊速度，控制站與控制站之間，或控制站與操作站之間已達到5Mbps或10Mbps。

從存貯容量上看，DCS控制站的內(nèi)存可達16Mbps或更大，遠大于PLC。

便于聯(lián)網(wǎng)通訊。從全廠管理的角度出發(fā)，從控制的更高一層次的要求來看，我們又在搞全廠各裝置自動控制系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，又千方百計地利用各種通訊接口、通訊方式，把各系統(tǒng)連接起來，以便于全廠信息管理與信息采集。如果1個裝置采用1套控制系統(tǒng)來完成，不就可以大大減少這方面的工作量了嗎?

運用DCS實現(xiàn)整個裝置的自控也是自動化的發(fā)展方向。自動化與工藝知識更密切的結合，工藝過程與控制設計的一體化已提到議事日程，與其讓設計出來的過程難于控制而費力地在控制策略上解決，不如一開始就考慮兩方面的關系。在線統(tǒng)計過程控制(SPC)或連接過程的總體質(zhì)量控制(SQC)都必須建立在全裝置統(tǒng)一的控制系統(tǒng)之上。

由經(jīng)營、決策、生產(chǎn)、調(diào)度，操作優(yōu)化與直接控制等層次組成的綜合自動化系統(tǒng)，也要使用全裝置、全廠的過程信息，這也要求統(tǒng)一的控制系統(tǒng)，高速通訊與綜合信息處理系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)使自動化某些方法得以實現(xiàn)，同時規(guī)模巨大的綜合自動化系統(tǒng)，又對DCS提出了新的更高的要求，促使DCS有更大的發(fā)展。

作組態(tài)維護。現(xiàn)在普遍使用的PLC，其監(jiān)視、操作都是通過各種不同接口，用工控機來完成的。其PLC與工控機之間的通訊速率，要遠遠小于DCS的5Mbps，且操作平臺一般都使用通用的操作系統(tǒng)，其針對工業(yè)控制的特殊功能要少得多。而DCS的操作具有很多專用功能，其操作性能遠遠優(yōu)于工控機，DCS還具有成熟的、豐富的管理功能，省卻了用戶的二次開發(fā)的麻煩。

組態(tài)：使用DCS系統(tǒng)控制工業(yè)過程，必須要進行針對性的組態(tài)、完成用戶軟件。如果再加上1套PLC，無論誰來組態(tài)，用戶必須再學習，熟悉一套新的系統(tǒng)。而如果把順控功能設在DCS內(nèi)部完成，則僅僅增加了一定的工作量。而且1個裝置、1套系統(tǒng)，不可能所有的順控都由PLC來完成，但全部由DCS來完成是完全可能的，這樣可給使用者帶來很大方便。

維護及管理：從運行后維護、管理的角度考慮，把PLC用DCS來替代，DCS的規(guī)?？赡軙源笠稽c，但可以從原來的兩套系統(tǒng)合為1套系統(tǒng)。這樣不論從軟件維護、修改，還是系統(tǒng)硬件日常維護，都可以減少維護人員的數(shù)量，且便于維護，而備品備件的數(shù)量和種類也可以減少很多，故障的檢修處理，也只針對1套系統(tǒng)。

實際情況。玉柴石化20萬噸溶劑油生產(chǎn)裝置，。已經(jīng)投入使用。此裝置的導熱油系統(tǒng)，火炬系統(tǒng)，有模擬輸入35點，開關量輸入/輸出274點，使用了2套西門子公司的S7-200PLC來完成順序控制過程。通過RS232接口與1臺工控機相連進行監(jiān)視操作，有獨立的控制室。主裝置采用的是和利時MACSV4.5分散系統(tǒng)，共有3個操作站US，4個控制站APM，1個工程師站UWS，1臺NM及1臺HM。主裝置控制室至導熱油爐控制室直線距離不過百米，完全可以用1臺US和1臺APM或LM來完成導熱油爐系統(tǒng)的控制，而兩個控制室可以連成1個系統(tǒng)。這樣，對用戶來說，即便于管理，也方便了操作(MACSV4.5系統(tǒng)軟件的操作性比工控機要好得多)，特別是為生產(chǎn)開車后的日常維護，備品備件帶來很大的方便。

1個裝置的幾個部分由于工藝聯(lián)系不太緊密，或由于裝置布置距離相對較遠，或由于不是由1家設計院設計，無法協(xié)調(diào)統(tǒng)一等種種原因。搞得1個裝置幾個控制室，往往主裝置是DCS，而輔助裝置是常規(guī)儀表或常規(guī)儀表帶PLC，給工藝操作帶來不少困難，大大增加了儀表維護人員的工作量。實際上只要設計管理協(xié)調(diào)搞得好，1個裝置的自控完全可以用1套DCS系統(tǒng)來完成。這樣做還有利于降低成本、提高利用率，減少今后聯(lián)網(wǎng)的費用與工作量。

[1]廉鴻帥，遲軍.西門子系列PLC原理及應用[M].北京：人民郵電出版社，2009

[2]徐國林，PLC應用技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007

[3]Michael Babb The Disappearing DCS Control Engineering， 1992.05