探討DCS與PLC在化工領域的應用

欒家斌

（中昊（大連）化工研究設計院有限公司，遼寧 大連 116023）

隨著計算機控制技術的全面普及應用，作為計算機控制技術代表的分散控制系統（DCS）及可編程邏輯控制器（PLC）得到了進一步的發展，且有相互融合的發展趨勢，向現場總線控制系統（FCS）過渡。

在化工領域，化工裝置生產過程具有易燃易爆、腐蝕性強等特點，對過程的連續控制的要求較高，因此對生產過程進行實時、可靠、安全的自動化控制成為一種發展的趨勢。目前，化工領域的大型過程控制主要采用分散控制系統（DCS），小型化的獨立過程控制一般采用可編程邏輯控制器（PLC），少數采用現場總線控制系統（FCS）?，F場總線控制系統是由DCS與PLC發展而來，且具備兩者的特點，通過開放的、具有互操作性的現場總線網絡將現場儀表和設備互聯起來。

1 DCS與PLC的發展歷史

自20世紀70年代問世以來，DCS（Distributed Control Systems）因其方便靈活的特點，市場占有份額不斷增加，應用水平不斷提高，已牢牢占據著化工領域過程控制的主導地位。在化工領域中，DCS通常采用中央控制室（CCR）的方式，將過程控制的管理層級統一放置在中央控制室（CCR），通過信息網絡將其它各層級連接起來，構成完整的過程控制體系。

PLC（Programmable Logic Controller）是可編程邏輯控制器的縮寫，最初的PLC僅能實現數字量的控制，大大制約了PLC的進一步發展。當下，改進的PLC控制技術可同時對數字量和模擬量進行控制，實現模擬量閉環控制功能，具有可靠、安全等特點，與DCS在控制功能方面已有較大的交叉面，特別是在公用工程輔助車間方面占據著一定的市場。

2 DCS與PLC的特點與差異

分散控制系統（DCS）與可編程邏輯控制器（PLC）的特點與差異主要體現在以下幾個方面：

2.1 發展過程方面

DCS控制系統是由儀表生產廠商在儀表盤監控系統的基礎上發展而來的，側重于現場儀表等電子設備的模擬量控制，并且不斷地吸收最新的計算機控制技術和通信技術，以構建一個全面的安全可靠高效的控制系統。

PLC裝置是為替代傳統繼電器控制而研制的可編程邏輯控制器，擅長于數字量控制，可靠性高，抗干擾能力強，廣泛應用于工業環境中過程控制。

2.2 功能擴展方面

DCS控制系統廠商所采用的通訊協議可能各不相同，但網絡傳輸平臺均選擇以太網絡，且提供了方便的外接擴展接口，為以后的功能擴展提供了極大的便利。

PLC裝置通常針對設備進行使用，搭接完成后很少需要功能擴展，因此在功能擴展與兼容性方面較為困難。

2.3 可靠性方面

DCS控制系統采用冗余控制單元，可實現故障狀態下的無干擾切換，以保證系統的安全可靠，不足的是對接地電阻有較高的要求。

PLC裝置采用循環順序掃描的方式，控制精度高，但無冗余控制程序且無法實現模塊的熱插拔，維修更換需整個系統停車后進行，有較大的局限性。

2.4 數據庫方面

DCS控制系統通常有統一的系統數據庫，系統中的各個環節均可以實現對數據庫的實時引用，對其它環節提供了極大的方便。

PLC裝置各環節基本上都各自建立數據庫，沒有一個統一的數據庫平臺，具有較大的不確定性。

2.5 系統規模方面

DCS控制系統通常適用于較大規模的裝置系統，系統控制點數少則上千，多則上萬，具有良好的協調能力。

PLC裝置適用于規模不大的裝置系統，且對模擬量的控制要求不高。

3 DCS與PLC的實際應用

以中鹽昆山有限公司遷建年產60萬噸純堿項目為例，通過采用分散型控制系統（DCS）在中央控制室完成對主生產裝置、輔助生產裝置、公用工程的監視、控制和管理，而部分專業性較強的成套設備控制系統采用PLC控制系統。整個裝置設置2個中央控制室，采用中央控制室、就地控制室和現場機柜室相結合的配置方式。具體如下：

1）中央控制室包括：原煤儲運、氣化、凈化、氨冷凍、氨（壓縮）合成裝置、供水等工程裝置。

2）聯堿裝置控制室：重堿、煅燒、氯化銨、壓縮、冷凍、原鹽儲運、純堿和氯化銨包裝及儲運裝置，及配套的輔助工程裝置。

全廠生產裝置的DCS控制系統由操作站、輔助操作臺、打印機、控制站、I／O機柜、安全柵及端子柜、總線設備、配電柜及網絡設備等組成。中央控制室（CCR）和現場機柜間設置工程師站，用于組態維護，故障診斷等工作。其中，中央控制室設公共的硬件平臺及以太網接口用于連接全廠信息管理系統。各控制站配置冗余的串行通信接口連接SIS、PAS、設備成套PLC等系統。本裝置中，控制系統的操作站設置在中央控制室（設工程師站5個，操作站17個），各控制站設置在相應的現場機柜室中。

本項目控制系統位于中央控制室，其它輔助裝置DCS位于各生產單元現場；合成裝置內所有MODBUS接口的設備，要求DCS系統配置相應的接口與應用組態。儀表、電氣等信號數據通過電纜傳送到現場機柜室或就地控制室，然后再從現場機柜室或就地控制室以光纜形式傳送到全廠中央控制室（CCR），特別要注意的是，從現場機柜室或就地控制室到中央控制室（CCR）的信號要采用雙冗余形式，在中央控制室（CCR）進行全部的控制、監測、報警及報表等操作。DCS系統的人機操作界面還將同時監視其他控制系統的信息，如安全儀表系統（SIS）、氣體報警系統（GDS）、壓縮機組控制系統（CCS）等。

DCS控制系統采用常規技術，現場儀表、電氣等信號通過標準信號與DCS控制系統進行通信，除負責對各生產裝置的基本過程進行操作、控制和監視外，同時應完成順序控制、工藝聯鎖等其他要求。對于信號引入到DCS控制系統的儀表應采用較高可靠性的儀表，DCS控制系統的控制器、通訊、電源、控制回路和重要的聯鎖回路的通道應采用冗余配置，系統的安全準則應嚴格遵循分散度準則，負荷率準則，獨立性準則，完整性準則。

同時，裝置內設有多套單機控制系統（西門子PLC），這些系統必須與DCS系統實現通訊，并且在DCS系統操作站的顯示屏上實現監測。PLC控制裝置應用于相對比較獨立或特殊的大型設備控制、監視和儀表安全保護功能上。在中鹽昆山有限公司遷建年產60萬噸純堿項目中，考慮到PLC控制裝置的安全可靠性，鍋爐島控制系統、脫鹽水控制系統、污水回用及濃鹽水蒸發控制系統、原水凈化控制系統、全廠污水處理控制系統、脫硫脫硝控制系統均獨立采用PLC控制裝置，同時可與DCS控制系統進行數據通信，操作人員能夠在DCS操作站上對設備的運行進行監視與操作。

聯堿裝置采用獨立的DCS控制系統，對聯堿裝置的生產工藝進行過程監視和控制，同時通過OPC接口與中央控制室全廠信息管理系統（MIS）連接，通信線路采用兩路光纜進行通訊，以便重要信號的顯示、監控，但裝置儀表、電氣信號等的控制均在純堿裝置獨立的DCS控制系統內完成。

由于純堿及小蘇打裝置的生產工藝無易燃易爆危險，故聯堿裝置內無安全完整性等級要求，因此不考慮ESD（緊急停車系統）。壓縮機組的控制系統由供貨商隨機組成套提供，且采用可編程邏輯控制器（PLC）進行監視控制并與主生產裝置DCS控制系統進行通訊。對于可燃、毒害氣體報警裝置，可獨立設置可燃、毒害氣體檢測盤，并將信號傳送到DCS控制系統顯示報警。

4 現場總線控制系統

現場總線控制系統（Fieldbus Control System－FCS）是以現場總線為基礎貫穿于生產現場，在測量、執行機構（過程控制現場儀表）和控制設備（控制室操作站）之間實現雙向、串行、多節點數字通信的控制系統。現場總線控制系統將DCS系統的現場控制器和PLC裝置的I／O功能延伸到現場儀器儀表上，具有布局廣泛、信息化、雙向通信等多種特點，是過程控制領域的新的突破。

5 結 語

隨著新技術的不斷進步，DCS系統與PLC裝置不再局限于各自的擅長領域，開始積極汲取對方的特點，取長補短，逐漸形成了綜合性的控制系統。在選擇控制系統時，已不能過于強調DCS系統與PLC裝置的優劣，而應當建立在充分滿足工藝要求的基礎上。同時，現場總線控制系統FCS在充分吸收了DCS系統與PLC裝置各自特點的基礎上，提出了一種新的控制思想，開創了過程控制領域的一個新時代，相信將成為工業控制領域發展的新潮流。