論DCS,PLC,FCS三大控制系統的特點及差異

潘 蕊

1 DCS,PLC,FCS三大控制系統的基本特點

目前,在連續型流程生產自動控制(PA)或習慣稱之為工業過程控制中,有三大控制系統,即 PLC,DCS和 FCS。它們各自的基本特點如下。

1.1 DCS

1)分散控制系統DCS與集散控制系統 TDCS是集 4C(Communication,Computer,Control,CRT)技術于一身的監控技術。2)從上到下的樹狀拓撲大系統,其中通信(Communication)是關鍵。3)PID在中斷站中,中斷站聯接計算機與現場儀器儀表與控制裝置。4)是樹狀拓撲和并行連續的鏈路結構,也有大量電纜從中繼站并行到現場儀器儀表。5)模擬信號,A/D-D/A、帶微處理器的混合。6)一臺儀表一對線接到 I/O,由控制站掛到局域網LAN。7)DCS是控制(工程師站)、操作(操作員站)、現場儀表(現場測控站)的3級結構。8)缺點是成本高,各公司產品不能互換,不能互操作,大DCS系統各家是不同的。9)用于大規模的連續過程控制,如石化等。 10)制造商:Bailey(美)、Foxboro(美)、ABB(瑞士 )、Hartmann＆ Braun(德)、Yokogawa(日)、Honewell(美國)、Taylor(美)等。

1.2 PLC

1)從開關量控制發展到順序控制、運送處理,是從下往上的。2)連續 PID控制等多功能,PID在中斷站中。3)可用一臺PC機為主站,多臺同型PLC為從站。4)也可一臺 PLC為主站,多臺同型PLC為從站,構成 PLC網絡。這比用 PC機作主站方便之處是:有用戶編程時,不必知道通信協議,只要按說明書格式寫就行。5)PLC網格既可作為獨立 DCS/TDCS,也可作為 DCS/TDCS的子系統。6)大系統同 DCS/TDCS,如 TDC3000,CENTUMCS,WDPFI,MOD 300。7)PLC網絡如 Siemens公司的 SINEC-L1,SINEC-H 1,S4,S5,S6,S7等,GE公司的 GENET,三菱公司的 MELSEC-NET,MELSEC-NET/MINI。8)主要用于工業過程中的順序控制,新型PLC也兼有閉環控制功能。9)制造商:GOULD(美),AB(美),GE(美),OMRON(日),MITSUBISH I(日),Siemens(德)等。

1.3 FCS

1)基本任務是:本質(本征)安全、危險區域、易變過程、難于對付的非常環境。2)全數字化、智能、多功能取代模擬式單功能儀器、儀表、控制裝置。3)用兩根線聯接分散的現場儀表、控制裝置、PID與控制中心,取代每臺儀器兩根線。4)在總線上 PID與儀器、儀表、控制裝置都是平等的。5)多變量、多節點、串行、數字通信系統取代單變量、單點、并行、模擬系統。6)是互聯的、雙向的、開放的取代單向的、封閉的。7)用分散的虛擬控制站取代集中的控制站。8)由現場電腦操縱,還可掛到上位機,接同一總線的上一級計算機。9)局域網,可與internet相通。10)改變傳統的信號標準、通信標準和系統標準入企業管理網。11)制造商:美 Honeywell,Smar,Fisher-Rosemount,AB/Rockwell,Elsag-Bailey,Foxboro,Yamatake,日 Yokogawa,歐 Siemens,GEC-Alsthom,Schneider,proces-Data,ABB等。

2 三大控制系統之間的差異

2.1 差異要點

DCS系統的關鍵是通信。也可以說數據公路是分散控制系統 DCS的脊柱。由于它的任務是為系統所有部件之間提供通信網絡,因此,數據公路自身的設計就決定了總體的靈活性和安全性。數據公路的媒體可以是:一對絞線、同軸電纜或光纖電纜。為保證通信的完整,大部分DCS廠家都能提供冗余數據。為了保證系統的安全性,使用了復雜的通信規約和檢錯技術。

FCS的關鍵要點有三點 :

1)FCS系統的核心是總線協議,即總線標準。為了使現場總線滿足可互操作性要求,使其成為真正的開放系統,在IEC國際標準,現場總線通訊協議模型的用戶層中,就明確規定用戶層具有裝置描述功能。為了實現互操作,每個現場總線裝置都用裝置DD來描述。DD能夠認為是裝置的一個驅動器,它包括所有必要的參數描述和主站所需的操作步驟。由于DD包括描述裝置通信所需的所有信息,并且與主站無關,所以可以使現場裝置實現真正的互操作性。開放的現場總線控制系統的互操作性,就一個特定類型的現場總線而言,只要遵循該類型現場總線的總線協議,對其產品是開放的,并具有互操作性。2)FCS系統的基礎是數字智能現場裝置。數字智能現場裝置是 FCS系統的硬件支撐,是基礎,道理很簡單,FCS系統執行的是自動控制裝置與現場裝置之間的雙向數字通信現場總線信號制。如果現場裝置不遵循統一的總線協議,即相關的通訊規約,不具備數字通信功能,那么所謂雙向數字通信只是一句空話,也不能稱之為現場總線控制系統。再一點,現場總線的一大特點就是要增加現場一級控制功能。3)FCS系統的本質是信息處理現場化。對于一個控制系統,無論是采用DCS還是采用現場總線,系統需要處理的信息量至少是一樣多的。實際上,采用現場總線后,可以從現場得到更多的信息。現場總線系統的信息量沒有減少,甚至增加了,而傳輸信息的線纜卻大大減少了。這就要求一方面要大大提高線纜傳輸信息的能力,另一方面要讓大量信息在現場就地完成處理,減少現場與控制機房之間的信息往返。可以說現場總線的本質就是信息處理的現場化。減少信息往返是網絡設計和系統組態的一條重要原則。減少信息往返常常可帶來改善系統響應時間的好處。

2.2 典型系統比較

通過使用現場總線,用戶可以大量減少現場接線,用單個現場儀表可實現多變量通信,不同制造廠生產的裝置間可以完全互操作,增加現場一級的控制功能,系統集成大大簡化,并且維護十分簡便。

2.3 設計、投資及使用

比較的前提是 DCS系統與典型的、理想的 FCS系統進行比較。為什么要做如此的假設。作為DCS系統發展到今天,開發初期提出的技術要求卻已滿足并得到了完善,目前的狀況是進一步提高,因此也就不存在典型、理想的說法。而作為 FCS系統,20世紀 90年代剛進入實用化,作為開發初期的技術要求:兼容開放,雙向數字通信、數字智能現場裝置、高速總線等,目前還不理想有待完善。這種狀態與現場總線國際標準的制定不能說沒有關系。過去的十多年,各總線組織都忙于制定標準,開發產品,占領更多的市場,目的就是要擠身于國際標準,合法的占領更大的市場。現在有關國際標準的爭戰已告一段落,各大公司組織都已意識到,要真正占領市場,就得完善系統及相關產品。

2.4 PLC的發展

PLC于 20世紀 60年代末期在美國首先出現,目的是用來取代繼電器,執行邏輯、計時、計數等順序控制功能,建立柔性程序控制系統。1976年正式命名,并給予定義:PLC是一種數字控制專用電子計算機,它使用了可編程序存儲器儲存指令,執行諸如邏輯、順序、計時、計數與演算等功能,并通過模擬和數字輸入、輸出等組件,控制各種機械或工作程序。經過 30多年的發展,PLC已十分成熟與完善,并開發了模擬量閉環控制功能。PLC在FCS系統中的地位似乎已被確定并無多少爭論。PLC作為一個站掛在高速總線上,充分發揮 PLC在處理開關量方面的優勢。另外,火力發電廠輔助車間,例如補給水處理車間、循環水車間、除灰除渣車間、輸煤車間等,在這些車間的工藝過程多以順序控制為主。PLC對于順序控制有其獨特的優勢。編者以為,輔助車間的控制系統應以遵循現場總線通訊協議的PLC或能與 FCS進行通訊交換信息的PLC為優選對象。

3 系統的發展運用

自1973年提出第一臺以微處理器為基礎的控制器以來,它逐步完善,并最終形成功能齊全、安全可靠的數字式分散控制系統DCS。它的性能大大優于以往任何一種控制系統,可以滿足工廠 DAS,MCS,SCS和APS各系統的各種要求,目前還可以通過工業以太網建立管理層網絡,以滿足工廠呼聲越來越高的加強管理的要求。

但是,自從有了FCS,并于 20世紀 90年代走向實用化以來,不斷有如下論點在公開刊物上發表,即:“從現在起,新的現場總線控制系統 FCS將逐步取代傳統的 DCS”“當調節功能下放到現場去以后,傳統的 DCS就沒有存在的必要而會自動消失”“今后十年,傳統的 4m A～20m A模擬信號制將逐步被雙向數字通信現場總線信號制所取代,模擬與數字的分散型控制系統 DCS將更新換代為全數字現場總線控制系統FCS”……這些論點歸納為一句話:FCS將取代DCS,DCS從此將消亡。

上述論點皆出自于權威專家之口,確實不無道理。雙向數字通信現場總線信號制以及由它而產生的巨大的推動力,加速現場裝置與控制儀表的變革,開發出越來越多的功能完善的數字智能現場裝置。再則,FCS是由 DCS以及 PLC發展而來,它保留了DCS的特點,或者說FCS吸收了DCS多年開發研究以及現場實踐的經驗,當然也包括教訓。由此而得出結論,“FCS將取代 DCS”,似乎也是順理成章之事。

同時我們也應看到,DCS系統發展也近 30年,在工廠的應用如此廣泛。

4 結語

目前的 DCS與新型的 PLC,由于多年的開發研究,在各自保留自身原有的特點外,又相互補充,形成新的系統,現在的DCS已不是當初的 DCS,同樣如此,新型的 PLC也不是開發初期的PLC。我們說是DCS取代了 PLC或者說是PLC取代了 DCS,顯然都是不合適的。

[1]熊新民.自動控制原理與系統[M].武漢:武漢大學出版社,2003:7.

[2]王銀鎖.過程控制系統[M].北京:百科知識,2009:1.

[3]凌志浩.DCS與現場總線控制系統[M].北京:高等教育出版社,2008:9.