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摘    要：

本文闡述了分散控制系統 (DCS) 與可編程控制器 (PLC) 的特點及發展, 從概念、設計原理、應用范圍、數據庫、組態維護以及實際應用等方面分析了兩者的不同。

關鍵詞：

分散控制系統; 可編程控制器; 設計原理;

作者簡介：吳兆國 (1981~) , 男, 江西宜春人;上海新華控制技術集團科技有限公司工程師;研究方向:自動控制及工程應用

一、分散控制系統 ( DCS) 概述

分散控制系統DCS ( Distributed Control System) , 又稱分布式控制系統, 產生于20 世紀70 年代中期, 最初是由儀表制造廠商研發出來, 當時主要應用于化工行業。它是在集中控制系統的基礎上發展而來, 綜合了計算機、通信、顯示和控制等4C技術, 是一個由過程控制級和過程監控級組成的以通信網絡為紐帶的多級計算機系統, 具有連續控制、批量控制、邏輯順序控制、數據采集等功能。DCS將分散的儀表控制和集中式計算機控制系統二者的優勢有機結合起來, 體系結構是一個分布式、分支樹狀結構, 從垂直結構來看, 分為分散過程控制級、集中操作監控級以及綜合信息管理級三級, 各級之間既相互獨立又相互聯系, 每一級中又可水平分解成不同的子模塊, 如分散過程控制級就可分為現場控制站、PLC、智能調節器和其他測控裝置。其具有通用性強、系統組態靈活、控制功能完善、數據處理方便、顯示操作集中、人機界面友好、安裝簡單規范化、調試方便、運行安全可靠等優點。

二、可編程控制器 ( PLC) 概述

可編程控制器PLC ( Programmable Logic Controller) , 是集微機技術、自動化技術、通信技術于一體的通用工業控制裝置, 20 世紀60 年代末研制成功, 研發之初主要應用于汽車制造業。隨著計算機網絡技術和通信技術的不斷發展, PLC在工業控制的各個領域里得到了廣泛的應用, 由輸入部分、邏輯處理部分及輸出部分構成, 其工作原理是將傳感器、儀表等控制設備分散地置于工業控制的現場, 在PLC運行時, 其內部事先存儲好的PLC程序執行每條指令, 通過遠程I/O、同位鏈路, 將現場數據采集到上位機 ( 或上位網絡) 處理, 形成具有一定實時性的監控系統, 具有工作可靠、編程容易、安裝靈活、性能價格比高等特點。

三、分散控制系統 ( DCS) 與可編程控制器 ( PLC) 的主要區別

( 一) 概念不同。DCS和PLC之間最直觀的區別就是, DCS是一個體系, 而PLC只是一個裝置, DCS系統可以實現任何裝置的功能, 而PLC裝置只具備本單元的功能。這種區別影響到了方方面面的不同。

( 二) 設計原理不同。DCS是伴隨著運算放大器的發展而發展起來的, 早期的DCS使用模擬量控制的方式, 所有的函數、各變量之間的關系以功能塊或者膨脹塊的方式存儲于DCS中; 而PLC則是在模仿原繼電器控制原理的基礎上產生的, 早期的PLC通過開關量邏輯進行控制, 應用時需要事先將需要的生產工序要求以程序的形式存入PLC的用戶程序存儲器中, 接著輸入相應的數字就可按照程序的要求進行生產。20 世紀80 年代后期, PLC增加了新的功能, 除了進行邏輯運算之外, 還可進行一些控制回路算法, 但僅限于簡單的控制回路算法, 復雜的算法還無法實現。PLC在運算方面有著簡單快捷的優勢, 解算時間以微秒甚至毫秒來計算。有關研究表明, 運用PLC解算1K邏輯程序耗時不到1 毫秒。盡管PLC在解算方面有著巨大的優勢, 但是由于其所用的是梯形圖編程的方式在模擬量的運算上同DCS還有著不小的差距。DCS解算一些較為復雜的運算, 特別是模擬量的運算方面僅需幾百微秒, 運算速度高于PLC。

( 三) 應用范圍不同。DCS一般應用于中型或者大型的自控場所, 設備的控制量在600 點以上; 而PLC一般應用于設備的控制量在600 以下的小型自控場所。

( 四) 數據通訊不同。DCS通常使用兩層網絡結構, 第一層為程級網絡, 在這一層中, 大部分DCS在標準串口傳輸協議的RS232 或RS458 的基礎上建立自己的總線協議, 特別是在模擬量采集數據龐大以及現場干擾因素較多的時候, 標準串口協議無法滿足控制系統數據量大、安全性高的要求, 需要建立抗干擾能力強的異步通訊方式的總線結構; 第二層是操作級網絡, 在這一層中通常選用TP/CP協議這種標準的以太網使采集到的數據經CPU轉換成整形數據或實形數據開始傳輸, 通訊速度為100Mbit/s。由于PLC通常應用于小型控制系統中, 工作任務相對簡單, 交換和傳輸的數據有限, 通常使用一層網絡結構, 建立的是基于RS232 或RS458 的標準串口傳輸協議。

( 五) 數據庫不同。DCS有著統一的數據庫, 系統內諸如組態、報表、記錄等在內的信息數據都存儲在數據庫中, 數據庫是獨立于控制系統而存在的, 當系統運行時所有的數據都會被保存下來并且不斷更新, 這樣一旦有需要就可在數據庫中直接提取使用; 而PLC中沒有統一的數據庫, 即使是大型的PLC系統中的數據庫也是通過服務且嵌入式實施的, 所有的數據并不是統一的, 系統運行時組態軟件和監控軟件的數據會自動保存于自身的數據庫中, 而不會保存在系統中的數據庫中。

( 六) 組態維護不同。早期DCS以模塊功能為主, 側重儀表控制, 可靠性、安全性高, 系統昂貴, 通常應用于主廠房的控制; 而PLC以梯形圖為主, 強調邏輯運算能力, 價格較DCS稍微便宜一些, 多用于輔助車間。DCS是一個體系, 在設計之初就考慮到了調試和維護等方面的需要, 留有大量的可擴展性接口, 當發現現有的系統無法滿足需要時, 可擴展性接口就能發揮作用。系統運行時要及時對系統硬件進行檢查, 測試DPU的負荷率, 不得擅自更改組態功能。DCS采用的是雙冗余的控制單元, 當某些控制單元發生故障時, 相關的冗余單元會實時切換為工作單元, 確保了整個系統的安全可靠運行, 有著成熟且完善的解決方案, 維修人員既可到現場對設備進行維修, 也可以利用計算機進行在線修改; 而PLC之間多為松散的連接關系, 整個系統完成后無法增加或減少操作員站, 只有極少量的PLC模塊中會配置智能芯片, 一旦發生問題, 相應的單元會癱瘓, 由于缺乏完善的解決方案, 短時間內系統無法恢復正常。早期的DCS由廠家提供專用的人機交換裝置, PLC多采用通用的監控軟件, 用戶可直接在市場中購買。

( 七) 歷史沿革不同。DCS產生于儀表制造行業, 其產生的目的是為用戶提供安全可靠的工業生產控制系統, 因此發展的過程是將計算機技術、控制技術的研究成果應用到DCS中, 構建一個完整的、安全系數更高的集散控制系統, PLC源于繼電控制裝置, 生產的目的是取代以電路物理來進行控制的繼電器, 成為依靠存儲于PLC內存中程序的實現控制的具有計數、計時等功能的柔性程序控制裝置, 因此其發展的方向是不斷提高各項能力指標, 給用戶提供一個完善的功能靈活的控制裝置。

四、DCS、PLC的實際應用對比

盡管PLC技術日益成熟, 運算能力、尋址能力有了大幅度的提高, 分布式IO站點也在提高, 但是與DCS相比仍有著一定的差距。以二者在火力發電行業中的應為為例, 火力發電的熱控主機對于系統的專業性和安全性有著較高的要求, DCS由于IO模塊大多采用光隔離16 位卡, 在電源、網絡、CPU等重要環節中采用的是1: 1 冗余設計, 其監控軟件由廠家根據DCS硬件“量身定制”, IO模塊為可插拔式, 具有維修簡單的特性, 因此熱控主機部分大多由DCS控制, 而PLC因其模塊型號繁多, 多為非冗余設計, 維修難度大, 安全性、可靠性相對差一些, 因此輔網部分多采用PLC控制, 極少有主機部分用PLC控制。

五、結語

DCS和PLC作為計算機技術和控制技術結合的產物, 對推動自動化水平的提高有著積極的意義。二者在應用上有著較大的相通性, 從總體趨勢來看, 行業決定了各自的發展方向。未來DCS的開放性將逐漸加強, 實現DCS與CLIPS系統的調度層、管理層、決策層 ( 輔助決策層) 無縫連接, 真正實現管控一體化; PLC將朝兩方面發展, 一方面向簡單、超小型方向發展, 以適應單機控制的“機電一體化”, 另一方面則向大型化、復雜化、多功能、分散型、多層分布式、全自動網絡方向發展。

參考文獻

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來源：化工行業資訊