PLC、DCS、FCS三大類型控制系統(tǒng)的基本特點(diǎn)

丁善達(dá)趙景萍黃龍尹宏

（1.山東泰安昆侖能源有限公司，山東泰安 271000；2.昆侖能源投資（山東）有限公司，山東青島 266500）

PLC、DCS、FCS三大類型控制系統(tǒng)的基本特點(diǎn)

丁善達(dá)1趙景萍2黃龍1尹宏1

（1.山東泰安昆侖能源有限公司，山東泰安 271000；2.昆侖能源投資（山東）有限公司，山東青島 266500）

在自動(dòng)控制發(fā)展的過程中，出現(xiàn)了PLC、DCS、FCS三種控制方式，這三種控制方式有各自的特點(diǎn)。FCS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(zhì)的差異。本文概述了PLC控制系統(tǒng)、DCS控制系統(tǒng)、FCS控制系統(tǒng)、三大控制系統(tǒng)的基本特點(diǎn)。

自動(dòng)控制 可編程控制器PLC集散控制系統(tǒng)DCS 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS

1 PLC控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

PLC可編程控制器是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種新型自動(dòng)化控制裝置，最早是用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器控制裝置，功能上只有邏輯計(jì)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)以及順序控制等，而且只能進(jìn)行開關(guān)量控制，因此其英文原名為“Programmable Logic Controller”，簡稱PLC，中文稱“可編程邏輯控制器”?？删幊炭刂破髋c傳統(tǒng)的繼電器控制線路相比，具有很多優(yōu)點(diǎn)。

1.1 應(yīng)用靈活

PLC為標(biāo)準(zhǔn)的積木式硬件結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場安裝十分簡便。各種控制功能通過軟件編程完成，因而能適應(yīng)各種復(fù)雜情況下的控制要求，也便于控制系統(tǒng)的改進(jìn)和修正，特別適合工藝流程變更較多的場合。

1.2 功能完善

PLC既有開關(guān)量輸入/輸出，也有模擬量輸入/輸出，還具有邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、順序控制、PID調(diào)節(jié)、自診斷、記錄等功能。除了適用于離散型開關(guān)量控制系統(tǒng)外，也用于連續(xù)的流程控制系統(tǒng)。

1.3 操作方便，維修簡單

PLC采用工程人員習(xí)慣的梯形圖形式編程，易懂易學(xué)，編程和修改程序方便。PLC還具有完善的顯示和診斷功能，故障和異常狀態(tài)均有顯示，便于操作人員、維修人員及時(shí)了解出現(xiàn)的故障。出現(xiàn)故障后可通過更換模塊或插件迅速排除故障。

1.4 節(jié)點(diǎn)利用率高，成本低

傳統(tǒng)繼電器控制電路中一個(gè)繼電器只能提供幾個(gè)節(jié)點(diǎn)用于連鎖，在可編程控制器中，一個(gè)輸入中的開關(guān)量或程序中的一個(gè)“線圈”可提供用戶所需用的任意的連鎖節(jié)點(diǎn)，即節(jié)點(diǎn)在程序中可不受限制的使用。PLC提供的繼電器節(jié)點(diǎn)、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、順控器的數(shù)量與實(shí)際數(shù)量的繼電器、計(jì)時(shí)器、計(jì)數(shù)器、順控器相比要便宜得多。

1.5 安全可靠

PLC是適應(yīng)于工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用的數(shù)字電路產(chǎn)品，制造時(shí)已從線路及電源等諸多方面嚴(yán)格把關(guān)，使之具有很強(qiáng)的抗干擾能力，PLC產(chǎn)品一般平均無故障時(shí)間可達(dá)幾萬小時(shí)。

2 DCS控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

分散控制系統(tǒng)DCS又名集中分散控制系統(tǒng)，簡稱集散控制系統(tǒng)，是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)和CRT技術(shù)為一體的綜合性高技術(shù)產(chǎn)品。DCS通過操作站對(duì)整個(gè)工藝過程進(jìn)行集中監(jiān)視、操作、管理，通過控制站對(duì)工藝過程各部分進(jìn)行分散控制，既不同于常規(guī)儀表控制系統(tǒng)，又不同于集中式的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，而是集中了兩者的優(yōu)點(diǎn)，克服了它們各自的不足。DCS是一個(gè)以微機(jī)為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的分級(jí)系列，這些產(chǎn)品可以根據(jù)控制對(duì)象任意組合，為連續(xù)或間歇過程提供任意程度的分散控制。DCS具有如下特點(diǎn)。

2.1 控制功能多樣化

DCS的最低級(jí)為現(xiàn)場控制站或現(xiàn)場控制單元，一般都具有幾十種運(yùn)算控制算法或其他數(shù)學(xué)和邏輯功能，如四則運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、前饋、超前控制、PID控制等等。根據(jù)控制對(duì)象的不同要求，把這些功能有機(jī)地組合起來，能方便地滿足系統(tǒng)的要求。

2.2 操作簡單

DCS各級(jí)都配備了靈活的人機(jī)接口。操作員通過CRT可以對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行集中監(jiān)視，可通過各種功能鍵實(shí)現(xiàn)各種操作功能。

2.3 系統(tǒng)便于擴(kuò)展

DCS的設(shè)計(jì)是根據(jù)不同規(guī)模的工程對(duì)象進(jìn)行的。其設(shè)計(jì)采用積木式的結(jié)構(gòu)，以模板、模板箱及控制柜和站為單位，逐步增加。用戶通過通訊可以方便地從單臺(tái)數(shù)字調(diào)節(jié)器或過程控制站擴(kuò)展成小系統(tǒng)，或?qū)⑿∫?guī)模系統(tǒng)擴(kuò)展成中規(guī)?；虼笠?guī)模系統(tǒng)。DCS設(shè)置有工程師站或工程師鍵盤，系統(tǒng)工程師根據(jù)控制對(duì)象可以生成需要的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

2.4 維護(hù)方便

DCS的設(shè)計(jì)是按照標(biāo)準(zhǔn)化、積木化、系列化進(jìn)行的。積木式的模板功能單一，便于裝配和維修更換，系統(tǒng)配有智能的自動(dòng)故障檢查診斷程序和再啟動(dòng)等功能，維修非常方便。

2.5 可靠性高

DCS是監(jiān)視集中而控制分散，故障影響面小，并且在設(shè)計(jì)時(shí)已考慮到有連鎖保護(hù)功能、自診斷功能、冗余措施、系統(tǒng)故障人工手動(dòng)控制操作措施等，使系統(tǒng)可靠性大大提高。

3 FCS控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

現(xiàn)場總線組成的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)，稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS。這是繼基地式儀表控制系統(tǒng)、單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、數(shù)字儀表控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)后的新一代控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)突破了DCS系統(tǒng)中通信由專用網(wǎng)絡(luò)的封閉系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)所造成的缺陷，把基于封閉、專用的解決方案變成了基于公開化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案。即可以把來自不用廠商而遵守同一協(xié)議規(guī)范的自動(dòng)化設(shè)備通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化的各種功能。同時(shí)把DCS集中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，變成了新型全分布式結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場，依靠現(xiàn)場智能設(shè)備本身便可以實(shí)現(xiàn)基本控制功能。

3.1 現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制

傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)采用了一對(duì)一的設(shè)備鏈接，按控制回路、檢測回路，分別進(jìn)行連接。也就是說，位于現(xiàn)場的各類變送器、檢測儀表、各類執(zhí)行機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)閥、開關(guān)、電機(jī)等，和位于控制室內(nèi)的盤裝儀表或DCS系統(tǒng)中監(jiān)控站內(nèi)的輸入輸出接口之間，均為一對(duì)一的物理連接?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)采用了智能現(xiàn)場設(shè)備，能夠把原先DCS系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊，各類輸入輸出模塊置入現(xiàn)場設(shè)備，再加上現(xiàn)場設(shè)備具有通信能力，現(xiàn)場的測量變送器儀表可以與調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接傳送信號(hào)，因而控制系統(tǒng)功能能夠不依賴控制室的計(jì)算機(jī)或控制儀表而直接在現(xiàn)場完成，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制。

3.2 現(xiàn)場總線簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

這是一場死亡的舞會(huì)。凡是參加了這個(gè)舞會(huì)的鬼子，都是在赴一場死亡之舞，非死即傷。鬼子被炸懵了，再也顧不得武士道精神，掉轉(zhuǎn)屁股趕緊往山下撤。

由于采用數(shù)字信號(hào)替代模擬信號(hào)，因而可實(shí)現(xiàn)一對(duì)電線上傳輸多個(gè)信號(hào)?，F(xiàn)場總線同時(shí)又為多個(gè)設(shè)備提供電源，現(xiàn)場設(shè)備不再需要A/D、D/A轉(zhuǎn)換部件，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，節(jié)省連接電纜和安裝費(fèi)用。

3.3 現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的開放性

現(xiàn)場總線建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)開放系統(tǒng)。用戶可以按自己的需要和考慮，不限定廠家、機(jī)型，把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化領(lǐng)域的開放互連系統(tǒng)。

3.4 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的互可操作性和互用性

互可操作性是指實(shí)現(xiàn)互聯(lián)設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通，而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)互相替換。

3.5 現(xiàn)場總線系統(tǒng)采用數(shù)字傳輸方式，提高傳輸精度

模擬通信方式是用4—20mA直流模擬信號(hào)傳送信息拓?fù)湟粚?duì)一方式，即一對(duì)線只能接一臺(tái)現(xiàn)場儀表，傳送方向具有單向性，因此，接收現(xiàn)場設(shè)備信息的配線和發(fā)給現(xiàn)場設(shè)備控制信號(hào)的配線是分開的?；旌贤ㄐ欧绞绞窃?—20mA模擬信號(hào)上，把現(xiàn)場儀表信息作為數(shù)字信號(hào)重疊的通信方式，加上模擬通信方式的功能，可以進(jìn)行現(xiàn)場儀表量程的設(shè)定和零點(diǎn)調(diào)整的遠(yuǎn)程設(shè)定。

3.6 現(xiàn)場總線節(jié)省硬件數(shù)量與投資，節(jié)省安裝費(fèi)用

現(xiàn)場總線接線十分簡單，一對(duì)雙絞線或一條電纜通常可掛接多個(gè)設(shè)備，因而電纜、接線端子、槽合、槽架的用量大大減少。當(dāng)需要增加現(xiàn)場控制設(shè)備時(shí)，無需增加新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節(jié)省了投資，也減少了設(shè)計(jì)、安裝的工作量。據(jù)有關(guān)典型試驗(yàn)工程的測算資料表明，可節(jié)約安裝給用60%以上。

4 結(jié)語

雖然以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的FCS發(fā)展很快，但FCS發(fā)展還有很多工作要做，如統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、儀表智能化等。另外，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的維護(hù)和改造還需要DCS，因此FCS完全取代傳統(tǒng)的DCS還需要一個(gè)漫長的過程，同時(shí)DCS本身也在不斷的發(fā)展與完善。可以肯定的是，結(jié)合DCS、工業(yè)以太網(wǎng)、先進(jìn)控制等新技術(shù)的FCS將具有強(qiáng)大的生命力。

［1］湯媛PLC、DCS、與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的關(guān)系［J］.石油化工建設(shè)，2005（8）∶58-60.

［2］陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京∶清華大學(xué)出版社，2003.

［3］何衍慶.集散控制系統(tǒng)原理及應(yīng)用［M］.北京∶化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［4］PLC、DCS、FCS三大控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和差異分析［J］.自動(dòng)化信息，2006（6）∶41-43.

丁善達(dá)（1988—），男，黑龍江肇東人，本科，初級(jí)工程師，研究方向：自動(dòng)化控制。