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摘    要：

本文闡述了分散控制系統(tǒng) (DCS) 與可編程控制器 (PLC) 的特點(diǎn)及發(fā)展, 從概念、設(shè)計(jì)原理、應(yīng)用范圍、數(shù)據(jù)庫、組態(tài)維護(hù)以及實(shí)際應(yīng)用等方面分析了兩者的不同。

關(guān)鍵詞：

分散控制系統(tǒng); 可編程控制器; 設(shè)計(jì)原理;

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

一、分散控制系統(tǒng) ( DCS) 概述

分散控制系統(tǒng)DCS ( Distributed Control System) , 又稱分布式控制系統(tǒng), 產(chǎn)生于20 世紀(jì)70 年代中期, 最初是由儀表制造廠商研發(fā)出來, 當(dāng)時(shí)主要應(yīng)用于化工行業(yè)。它是在集中控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來, 綜合了計(jì)算機(jī)、通信、顯示和控制等4C技術(shù), 是一個(gè)由過程控制級(jí)和過程監(jiān)控級(jí)組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng), 具有連續(xù)控制、批量控制、邏輯順序控制、數(shù)據(jù)采集等功能。DCS將分散的儀表控制和集中式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)二者的優(yōu)勢有機(jī)結(jié)合起來, 體系結(jié)構(gòu)是一個(gè)分布式、分支樹狀結(jié)構(gòu), 從垂直結(jié)構(gòu)來看, 分為分散過程控制級(jí)、集中操作監(jiān)控級(jí)以及綜合信息管理級(jí)三級(jí), 各級(jí)之間既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系, 每一級(jí)中又可水平分解成不同的子模塊, 如分散過程控制級(jí)就可分為現(xiàn)場控制站、PLC、智能調(diào)節(jié)器和其他測控裝置。其具有通用性強(qiáng)、系統(tǒng)組態(tài)靈活、控制功能完善、數(shù)據(jù)處理方便、顯示操作集中、人機(jī)界面友好、安裝簡單規(guī)范化、調(diào)試方便、運(yùn)行安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。

二、可編程控制器 ( PLC) 概述

可編程控制器PLC ( Programmable Logic Controller) , 是集微機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、通信技術(shù)于一體的通用工業(yè)控制裝置, 20 世紀(jì)60 年代末研制成功, 研發(fā)之初主要應(yīng)用于汽車制造業(yè)。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展, PLC在工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域里得到了廣泛的應(yīng)用, 由輸入部分、邏輯處理部分及輸出部分構(gòu)成, 其工作原理是將傳感器、儀表等控制設(shè)備分散地置于工業(yè)控制的現(xiàn)場, 在PLC運(yùn)行時(shí), 其內(nèi)部事先存儲(chǔ)好的PLC程序執(zhí)行每條指令, 通過遠(yuǎn)程I/O、同位鏈路, 將現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集到上位機(jī) ( 或上位網(wǎng)絡(luò)) 處理, 形成具有一定實(shí)時(shí)性的監(jiān)控系統(tǒng), 具有工作可靠、編程容易、安裝靈活、性能價(jià)格比高等特點(diǎn)。

三、分散控制系統(tǒng) ( DCS) 與可編程控制器 ( PLC) 的主要區(qū)別

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

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

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

( 四) 數(shù)據(jù)通訊不同。DCS通常使用兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu), 第一層為程級(jí)網(wǎng)絡(luò), 在這一層中, 大部分DCS在標(biāo)準(zhǔn)串口傳輸協(xié)議的RS232 或RS458 的基礎(chǔ)上建立自己的總線協(xié)議, 特別是在模擬量采集數(shù)據(jù)龐大以及現(xiàn)場干擾因素較多的時(shí)候, 標(biāo)準(zhǔn)串口協(xié)議無法滿足控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大、安全性高的要求, 需要建立抗干擾能力強(qiáng)的異步通訊方式的總線結(jié)構(gòu); 第二層是操作級(jí)網(wǎng)絡(luò), 在這一層中通常選用TP/CP協(xié)議這種標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)使采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)CPU轉(zhuǎn)換成整形數(shù)據(jù)或?qū)嵭螖?shù)據(jù)開始傳輸, 通訊速度為100Mbit/s。由于PLC通常應(yīng)用于小型控制系統(tǒng)中, 工作任務(wù)相對(duì)簡單, 交換和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有限, 通常使用一層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu), 建立的是基于RS232 或RS458 的標(biāo)準(zhǔn)串口傳輸協(xié)議。

( 五) 數(shù)據(jù)庫不同。DCS有著統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫, 系統(tǒng)內(nèi)諸如組態(tài)、報(bào)表、記錄等在內(nèi)的信息數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中, 數(shù)據(jù)庫是獨(dú)立于控制系統(tǒng)而存在的, 當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)所有的數(shù)據(jù)都會(huì)被保存下來并且不斷更新, 這樣一旦有需要就可在數(shù)據(jù)庫中直接提取使用; 而PLC中沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫, 即使是大型的PLC系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫也是通過服務(wù)且嵌入式實(shí)施的, 所有的數(shù)據(jù)并不是統(tǒng)一的, 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)組態(tài)軟件和監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)保存于自身的數(shù)據(jù)庫中, 而不會(huì)保存在系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫中。

( 六) 組態(tài)維護(hù)不同。早期DCS以模塊功能為主, 側(cè)重儀表控制, 可靠性、安全性高, 系統(tǒng)昂貴, 通常應(yīng)用于主廠房的控制; 而PLC以梯形圖為主, 強(qiáng)調(diào)邏輯運(yùn)算能力, 價(jià)格較DCS稍微便宜一些, 多用于輔助車間。DCS是一個(gè)體系, 在設(shè)計(jì)之初就考慮到了調(diào)試和維護(hù)等方面的需要, 留有大量的可擴(kuò)展性接口, 當(dāng)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的系統(tǒng)無法滿足需要時(shí), 可擴(kuò)展性接口就能發(fā)揮作用。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)要及時(shí)對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行檢查, 測試DPU的負(fù)荷率, 不得擅自更改組態(tài)功能。DCS采用的是雙冗余的控制單元, 當(dāng)某些控制單元發(fā)生故障時(shí), 相關(guān)的冗余單元會(huì)實(shí)時(shí)切換為工作單元, 確保了整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行, 有著成熟且完善的解決方案, 維修人員既可到現(xiàn)場對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修, 也可以利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行在線修改; 而PLC之間多為松散的連接關(guān)系, 整個(gè)系統(tǒng)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(huì)配置智能芯片, 一旦發(fā)生問題, 相應(yīng)的單元會(huì)癱瘓, 由于缺乏完善的解決方案, 短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)無法恢復(fù)正常。早期的DCS由廠家提供專用的人機(jī)交換裝置, PLC多采用通用的監(jiān)控軟件, 用戶可直接在市場中購買。

( 七) 歷史沿革不同。DCS產(chǎn)生于儀表制造行業(yè), 其產(chǎn)生的目的是為用戶提供安全可靠的工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng), 因此發(fā)展的過程是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)的研究成果應(yīng)用到DCS中, 構(gòu)建一個(gè)完整的、安全系數(shù)更高的集散控制系統(tǒng), PLC源于繼電控制裝置, 生產(chǎn)的目的是取代以電路物理來進(jìn)行控制的繼電器, 成為依靠存儲(chǔ)于PLC內(nèi)存中程序的實(shí)現(xiàn)控制的具有計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)等功能的柔性程序控制裝置, 因此其發(fā)展的方向是不斷提高各項(xiàng)能力指標(biāo), 給用戶提供一個(gè)完善的功能靈活的控制裝置。

四、DCS、PLC的實(shí)際應(yīng)用對(duì)比

盡管PLC技術(shù)日益成熟, 運(yùn)算能力、尋址能力有了大幅度的提高, 分布式IO站點(diǎn)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(fā)電行業(yè)中的應(yīng)為為例, 火力發(fā)電的熱控主機(jī)對(duì)于系統(tǒng)的專業(yè)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(wǎng)絡(luò)、CPU等重要環(huán)節(jié)中采用的是1: 1 冗余設(shè)計(jì), 其監(jiān)控軟件由廠家根據(jù)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(jī)部分大多由DCS控制, 而PLC因其模塊型號(hào)繁多, 多為非冗余設(shè)計(jì), 維修難度大, 安全性、可靠性相對(duì)差一些, 因此輔網(wǎng)部分多采用PLC控制, 極少有主機(jī)部分用PLC控制。

五、結(jié)語

DCS和PLC作為計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物, 對(duì)推動(dòng)自動(dòng)化水平的提高有著積極的意義。二者在應(yīng)用上有著較大的相通性, 從總體趨勢來看, 行業(yè)決定了各自的發(fā)展方向。未來DCS的開放性將逐漸加強(qiáng), 實(shí)現(xiàn)DCS與CLIPS系統(tǒng)的調(diào)度層、管理層、決策層 ( 輔助決策層) 無縫連接, 真正實(shí)現(xiàn)管控一體化; PLC將朝兩方面發(fā)展, 一方面向簡單、超小型方向發(fā)展, 以適應(yīng)單機(jī)控制的“機(jī)電一體化”, 另一方面則向大型化、復(fù)雜化、多功能、分散型、多層分布式、全自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展。

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來源：化工行業(yè)資訊