PLC控制系統(tǒng)與DCS控制系統(tǒng)的優(yōu)勢分析

山西鋁廠設計院 張雪蓮

1.DCS系統(tǒng)

1.1 DCS簡介

DCS在國內自控行業(yè)稱之為集散控制系統(tǒng)。它綜合了計算機、通訊、顯示和控制等4C技術，其實質是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網絡為紐帶的多級計算機系統(tǒng)，其基本思想是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態(tài)方便。

1.2 DCS的結構

在結構上，DCS包括過程級、操作級和管理級三個部分。過程級是系統(tǒng)控制功能的主要實施部分，是由過程控制站、I/O單元和現(xiàn)場儀表組成。操作員站和工程師站組成了操作級，它的作用是完成系統(tǒng)的操作和組態(tài)。

1.3 DCS特點

高可靠性、開放性、靈活性、易于維護、協(xié)調性、控制功能齊全。DCS即為集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System）。DCS是多級計算機系統(tǒng)，以通信網絡為紐帶，由過程控制級和過程監(jiān)控級組成。DCS綜合了計算機、通訊、顯示和控制4項技術，也稱為4C技術，DCS的主要思想是分散控制、分級管理、集中操作、靈活配置、組態(tài)便捷。DCS是拓撲大系統(tǒng)，呈樹狀，從上到下，通信是該系統(tǒng)的關鍵；PID在中斷站里，現(xiàn)場儀器儀表和控制裝置與計算機的連接依靠中斷站；DCS是樹狀的拓撲結構，且結構是并行連續(xù)的鏈路狀，也存在許多電纜由中繼站并行到工程項目現(xiàn)場的儀器儀表；DCS系統(tǒng)的模擬信號由智能儀表的部件和幾臺計算機構成，漸漸的用數字信號來替代模擬信號，信號形式是A/D-D/A；由一臺儀表與一對線連接到I/O，從控制站連接到局域網LAN；DCS控制系統(tǒng)是控制、操作和現(xiàn)場儀表的3級結構；每家企業(yè)的大的DCS控制系統(tǒng)不相同；主要使用于大型的連續(xù)過程控制。

2.PLC系統(tǒng)

2.1 PLC簡介

PLC即可編程邏輯控制器，它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程。

2.2 PLC特點

可靠性高、抗干擾能力強、功能強適用面廣、編程簡單容易掌握、使用和維護方便。

2.3 PLC的特點

PLC即為可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller），是使用一種可以編程的存儲器，通過所存儲的程序，來進行邏輯運算，或通過用戶的指令來進行順序控制、計數、定時和算術操作，并且通過模擬式或數字的輸入或輸出來控制各種類型的機械生產，或控制生產的過程。PLC已經從控制開關量的階段發(fā)展到進行順序控制或運算處理，是從低級向高級運送處理，從下往上的運算處理；PLC具有連續(xù)不間斷的HD控制等多項功能，PID在中斷站里；PLC可以使用一臺PC機作為主站，同種型號多臺PLC作為從站，PLC也可以使用一臺PLC作為主站，同種型號PLC作為從站，組成PLC網絡，后者比前者的方便之處是當用戶進行編程時，不需要了解通信協(xié)議，按照說明書的格式編寫就行；PLC網格不但可當做獨立的DCS/TDCS，同時也可以當做DCS/TDCS的子系統(tǒng)；PLC大系統(tǒng)與DCS/TDCS一致。

3.DCS與PLC的區(qū)別

DCS是集散式控制系統(tǒng)的一種，PLC是控制裝置，所以說DCS與PLC是系統(tǒng)和裝置的區(qū)別。不管何種裝置的功能和裝置之間的協(xié)調，都可由系統(tǒng)來實現(xiàn)；而PLC裝置所實現(xiàn)的只能是這個單元所具有的功能。

3.1 安全可靠性不同

DCS的設計使用的是雙冗余過程處理器、雙電源和雙冗余網絡。如果重要控制元件有了故障，其他與之相關的冗余元件就會實時沒有干擾的變成工作元件，使系統(tǒng)能夠安全運行。但起初的PLC控制系統(tǒng)完全沒有把冗余的設計思想引入進去，系統(tǒng)沒有足夠的安全可靠性，經過改進后，實現(xiàn)了雙冗余控制。同時，DCS系統(tǒng)的硬件插拔可以帶電熱插拔，即當某一模塊遭到破壞或發(fā)生了其它故障時，系統(tǒng)不需要停止運行，維修技術人員就能及時替換被損壞的硬件。而很多PLC沒有上述的功能。

3.2 兼容性和可擴展性不同

當前，DCS系統(tǒng)的兼容性和可擴展性非常強大，尤其適用于大型的系統(tǒng)工程。大多數操作級的網絡平臺都選擇了以太網絡的形式，采用的是當前標準的或變形的TCP/IP協(xié)議，進而為系統(tǒng)的擴展提供了很大的方便。而PLC系統(tǒng)最原始的開發(fā)目的是針對設備控制，大多數沒有或只有很少部分有兼容性和擴展性的需求，所以，如果出現(xiàn)兩個或兩個以上的系統(tǒng)的資源需要共享時，PLC是相當的困難。

3.3 數據庫不同

DCS系統(tǒng)具有比較統(tǒng)一的數據庫，也就是說在任何情況下都可以引用DCS系統(tǒng)中的某一已經存在于數據庫原始數據。但PLC系統(tǒng)的數據庫就不是這樣了，相比較而言它沒有DCS統(tǒng)一，例如監(jiān)控軟件和組態(tài)軟件抑或是歸檔軟件都有各自的數據庫。

3.4 時間調度和任務的處理方式不同

由于DCS系統(tǒng)已經實現(xiàn)了集散控制，因此它可以先靈活地設定任務周期，進而輕松的處理多個任務。但PLC的程序與之不同，大都不能按原來設定的周期進行循環(huán)運行。

3.5 網絡結構不同

DCS網絡是DCS系統(tǒng)的中樞神經，通常包括兩層網絡結構，而采用單網結構的PLc網絡形式基本上是為個體而工作。TCP/IP協(xié)議是標準的以太網協(xié)議，是雙冗余設計，具有很好的開放性與拓展性。而且PLC系統(tǒng)的網絡安全也相對較差。

3.6 系統(tǒng)軟件功能不同

DCS應用于化工、電力等大工業(yè)的過程控制更有優(yōu)勢，因為DCS的軟件包功能強大，有配方的功能，不同的行業(yè)有不同的專家軟件，簡化了用戶的組態(tài)編程工作。DCS的基本功能是對各種工藝進行控制，如果某一方案有了變化，技術人員只需在操作臺就能更改方案，不影響原來的控制方案正常運行，它通過編譯就可執(zhí)行命令，然后由系統(tǒng)自動運行。PLC系統(tǒng)不利于維護，它的工作進程是先確定哪個PLC需要編譯，然后再進行程序的編譯，最后再一對一傳送程序。

表1 PLC與DCS的比較

圖1 混合式控制系統(tǒng)

4.PLC與DCS比較及優(yōu)勢分析

目前工業(yè)控制領域效果最令人滿意和最廣泛使用的兩種控制技術就包括可編程序控制器（PLC）及集散控制系統(tǒng)（DCS），同時它們各自的優(yōu)勢及劣勢也是很明顯的，如在高速的順序控制中PLC占主導地位，而且PLC體積小，使用靈活，價格相對較低，而在復雜的過程控制中DCS占優(yōu)勢，但體積大，價格相對較高。但在通訊功能及管理能力方面PLC不及DCS，DCS通訊及管理能力較強。如果按從弱至強將PLC與DCS的性能劃分為1至10個等級，則可將它們的對比列于表1。

數字量的順序控制是早期的PLC主要的發(fā)展方向。但隨著PLC技術的不斷發(fā)展，PLC擴增了模擬量控制功能、通訊聯(lián)網功能、PID調節(jié)功能及分級控制功能等，當前，即使是在過去DCS占統(tǒng)治地位的化工、冶金等行業(yè)PLC控制系統(tǒng)也能發(fā)揮巨大的作用。但PLC有一個弊端即難以組成大型、復雜、綜合的系統(tǒng)，由于技術原因，如果過多的plc通過網絡與過多的PLC通訊，則可能導致瓶頸現(xiàn)象及計時上的困難。

DCS的諸多優(yōu)勢使它在控制系統(tǒng)的高端市場仍占主流地位。DCS控制系統(tǒng)最初是由模擬儀表發(fā)展而來的，因此它初期的功能以回路調節(jié)為主，之后又擴展了順序控制的功能。集中地操作管理，分散控制以提高整個系統(tǒng)的可靠性及管理能力是DCS的設計思想。但DCS比PLC價位稍高，因此國內一些資金有限的中小型企業(yè)有時難以承受DCS控制系統(tǒng)。

5.PLC與DCS系統(tǒng)的綜合應用：混合式控制系統(tǒng)結構

隨著當前計算機技術的進步與發(fā)展，通過研究人員多年的研究與開發(fā)，DCS與PLC兩大系統(tǒng)除了保留有各自自身的特點之外，二者還能互相補充，形成新的控制系統(tǒng)。二者在很多領域可以并存，可以通過彌補對方的不足，形成新的控制系統(tǒng)。當前，越來越多的以PC+PLC組成DCS系統(tǒng)的工程應用逐漸廣泛。

圖1所示為混合式控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要以DCS的設計思想為基礎，綜合PLC與DCS的各自優(yōu)勢。它主要由系統(tǒng)網絡、操作員工作站、中央服務器、控制器及輸入/輸出（I/O）模塊等部分組成。

5.1 系統(tǒng)網絡

整個DCS系統(tǒng)的基礎和核心就是系統(tǒng)網絡，整個系統(tǒng)的實時性、可靠性和可擴充性都與系統(tǒng)網絡息息相關。它的重要性對于混合式控制系統(tǒng)同樣重要。

如圖1所示，HCS是包括操作管理和過程控制在內的兩級式控制系統(tǒng)。N1網連接的操作員工作站及中央服務器構成了操作管理級。N1網是一局域網（LAN），可以選用以太網，傳輸介質可使用雙絞線、同軸電纜或光纖，它要能較快地傳輸大量的數據。星形、總線形、混合形等網絡拓撲結構都可供N1網來選擇。當前，工業(yè)控制網常用的網絡結構是總線結構。因為它有成熟的網絡技術，簡單的施工過程，而且節(jié)點的加入退出時不需要中止網絡運行。

N2網要具有實時性，這對實時性很強的過程控制十分重要。為了實現(xiàn)數據共享，一旦N2網上某節(jié)點發(fā)送數據，則該網絡上所連接的各節(jié)點要能夠同時接收到該數據。N2網的作用是將過程控制級的控制器與中央服務器相連，并且使控制器與遠程I/O、遠程I/O與遠程I/O連接起來并中央服務器連接起來。

5.2 操作員工作站

操作員工作站能夠完成HCS與用戶間信息交換，它的功能主要有3個：（1）對生產過程進行調節(jié)和控制；（2）為運行操作人員提供人機界面；（3）便于操作人員及時全面地了解系統(tǒng)運行情況。現(xiàn)在操作員工作站主要由PC機承擔，因為微型計算機性能在不斷提高。

5.3 中央服務器

中央服務器用Windows NT為操作系統(tǒng)，配以系統(tǒng)應用軟件，在部分行業(yè)還可與企業(yè)管理系統(tǒng)相連。它主要用來實現(xiàn)信息集中管理，如所有的系統(tǒng)信息、報告及總數據庫。

5.4 控制器

自動控制系統(tǒng)中的控制中樞就是控制器。由HCS可組成較大型的分散的控制系統(tǒng)，這是因為每個HCS可支持多個控制器，而每個控制器又可支持多達上百個控制回路。HCS控制器體積比DCS小得多，與PLC一樣采用了主要包括處理器、內存、I/O接口，外加通訊接口在內典型的計算機結構，它的框架沿襲了傳統(tǒng)PLC的框架尺寸結構。從尺寸與外形上看，HCS控制器與PLC有許多相似之處，但它絕不是簡單翻版PLC的，它有許多自己獨特的特征和風格。HCS控制器在過程控制中能勝任DCS所承擔的過程控制任務，它主要執(zhí)行閉環(huán)及順序控制。

5.5 輸入/輸出（I/O）模塊

HCS提供了能與工業(yè)生產現(xiàn)場I/O信號直接相連的各種規(guī)格的I/O模塊，如模擬量/數字量、直流/交流、電壓/電流及不同電壓等級的I/O模塊等。這些I/O模塊可與工業(yè)現(xiàn)場的按鈕、變送器、傳感器、電磁閥門及馬達控制器等設備元件直接相連，使用靈活方便。

6.新型混合式控制系統(tǒng)特點

6.1 控制分級分散，管理集中

HCS的某些優(yōu)勢和DCS是一致的，比如它也具有信息集中，控制分散的優(yōu)勢。系統(tǒng)具有包括操作管理級及過程控制級在內的垂直的2級功能，并且在各級之間既有分工，又有聯(lián)系，在系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)調下平穩(wěn)運行。在實際方面采用該分散控制結構，也就是將多個控制器及I/O框架分散后進行聯(lián)網，這樣設計的優(yōu)點是：（1）避免因個別設備出現(xiàn)故障殃及整個系統(tǒng)而造成的危險，提高可靠性。（2）可將生產過程的全部信息通過網絡傳送至中央服務器以實現(xiàn)信息集中。

6.2 高靈活性、強可擴展性

HCS采用的結構形式是模塊化及積木化，這樣的話用戶可選擇不同數量、不同規(guī)格的單元設備以組成不同要求、不同規(guī)模的硬件系統(tǒng)，進而滿足自身實際需要。組裝上，靈活的組裝方式使系統(tǒng)擴展變得容易，整個系統(tǒng)采用分級分散的網絡結構形式，使增加或去除某些單元不會影響整個系統(tǒng)的性能，這有利于工廠按當前規(guī)模配置系統(tǒng)，使設備的利用效率全面提高。

6.3 可靠性高

（1）冗余技術

為了避免由于某個部件失效而影響整個系統(tǒng)運行，HCS允許用戶在任何需要的關鍵部分擴充冗余部件。如將冗余的處理器、傳輸介質、中央服務器等加在控制器中，提升整個系統(tǒng)性能。

（2）自我診斷功效

HCS系統(tǒng)軟件可整個系統(tǒng)的軟硬件狀態(tài)進行在線監(jiān)視，如果有異常情況發(fā)生時，系統(tǒng)可立即自行采取有效措施，自行運行，使故障得到有效解決。

（3）斷電保護功能

在HCS控制器的處理器模塊內裝有新型鋰電池，因此在外部突然斷電的情況下數據也不會丟失。

7.結束語

在未來，工業(yè)過程控制系統(tǒng)向智能化、開放性、網絡化、信息化發(fā)展。同時，DCS及PLC系統(tǒng)將會更加完善，更多的應用于社會生產的各個環(huán)節(jié)。

[1]夏曉莉.PLC、DCS兩大控制系統(tǒng)的分析[J].中國新技術新產品,2009(9).

[2]童偉.集成PLC與DCS的新型過程控制系統(tǒng)[J].江西化工,2007(2).

[3]周明.現(xiàn)場總線控制系[M].中國電力出版社,2008,3.

[4]楊長能.可編程控制器基礎及應用[M].重慶大學出版社,2009,11.