超全面的DCS、FCS、PLC講解文章

導(dǎo)讀

    目前，在連續(xù)型流程生產(chǎn)自動控制或習(xí)慣稱之為工業(yè)過程控制中，有三大控制系統(tǒng)，即PLC、DCS和FCS。今天自動化頻道就給大家介紹它們各自的基本特點及這三大系統(tǒng)之間的差異等。

三大控制系統(tǒng)各自的特點

    1.分散控制系統(tǒng)DCS與集散控制系統(tǒng)TDCS是集4C(Com-munication。Computer，Control，CRT)技術(shù)于一身的監(jiān)控技術(shù)。

    2. 從上到下的樹狀拓?fù)浯笙到y(tǒng)，其中通信(Communication)是關(guān)鍵。

    3. PID在中斷站中，中斷站聯(lián)接計算機與現(xiàn)場儀器儀表與控制裝置。

    4. 是樹狀拓?fù)浜筒⑿羞B續(xù)的鏈路結(jié)構(gòu)，也有大量電纜從中繼站并行到現(xiàn)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(wǎng)LAN。

    7. DCS是控制(工程師站)、操作(操作員站)、現(xiàn)場儀表(現(xiàn)場測控站)的3級結(jié)構(gòu)。

    8. 缺點是成本高，各公司產(chǎn)品不能互換，不能互操作，大DCS系統(tǒng)各家是不同的。

    9. 用于大規(guī)模的連續(xù)過程控制，如石化等。

    1. 從開關(guān)雖控制發(fā)展到順序控制、運送處理，是從下往上的。

    2. 連續(xù)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(gòu)成PIE網(wǎng)絡(luò)。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(xié)議，只要按說明書格式寫就行。            

    5. PLC網(wǎng)格既可作為獨立DCS／TDCS，也可作為DCS／TDCS的子系統(tǒng)。

    6. 大系統(tǒng)同DCS／TDCS，如TDC3000，CENTUMCS，WDPFI。MOD300。

    7. PLC網(wǎng)絡(luò)如Siemens公司的SINEC．L1，SINEC．HI，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(yè)過程中的順序控制，新型PLC也兼有閉環(huán)控制功能。

    1.基本任務(wù)是：本質(zhì)(本征)安全、危險區(qū)域、易變過程、難于對付的非常環(huán)境。

    2. 全數(shù)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(lián)接分散的現(xiàn)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(jié)點、串行、數(shù)字通信系統(tǒng)取代單變量、單點、并行、模擬系統(tǒng)。

    6. 是互聯(lián)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(xiàn)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(wǎng)，可與intemet相通。

    10. 改變傳統(tǒng)的信號標(biāo)準(zhǔn)、通信標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)入企業(yè)管理網(wǎng)。

三大控制系統(tǒng)之間的差異

差異要點

           DCS系統(tǒng)的關(guān)鍵是通信。也可以說數(shù)據(jù)公路是分散控制系統(tǒng)DCS的脊柱。由于它的任務(wù)是為系統(tǒng)所有部件之間提供通信網(wǎng)絡(luò)，因此，數(shù)據(jù)公路自身的設(shè)計就決定了總體的靈活性和安全性。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。為了保證系統(tǒng)的安全性，使用復(fù)雜的通信規(guī)約和檢錯技術(shù)。

    FCS的關(guān)鍵要點有三點：

    1. FCS系統(tǒng)的核心是總線協(xié)議，即總線標(biāo)準(zhǔn)。為了使現(xiàn)場總線滿足可互操作性要求，使其成為真正的開放系統(tǒng)，在IEC國際標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場總線通訊協(xié)議模型的用戶層中，就明確規(guī)定用戶層具有裝置描述功能。為了實現(xiàn)互操作，每個現(xiàn)場總線裝置都用裝置DD來描述。DD能夠認(rèn)為是裝置的一個驅(qū)動器，它包括所有必要的參數(shù)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(guān)，所以可以使現(xiàn)場裝置實現(xiàn)真正的互操作性。開放的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的互操作性，就一個特定類型的現(xiàn)場總線而言，只要遵循該類型現(xiàn)場總線的總線協(xié)議，對其產(chǎn)品是開放的，并具有互操作性。 

    2. FCS系統(tǒng)的基礎(chǔ)是數(shù)字智能現(xiàn)場裝置。數(shù)字智能現(xiàn)場裝置是FCS系統(tǒng)的硬件支撐，是基礎(chǔ)，道理很簡單，FCS系統(tǒng)執(zhí)行的是自動控制裝置與現(xiàn)場裝置之間的雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號制。如果現(xiàn)場裝置不遵循統(tǒng)一的總線協(xié)議，即相關(guān)的通訊規(guī)約，不具備數(shù)字通信功能，那么所謂雙向數(shù)字通信只是一句空話，也不能稱之為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。再一點，現(xiàn)場總線的一大特點就是要增加現(xiàn)場一級控制功能。

    3. FCS系統(tǒng)的本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場化。對于一個控制系統(tǒng)，無論是采用DCS還是采用現(xiàn)場總線，系統(tǒng)需要處理的信息量至少是一樣多的。實際上，采用現(xiàn)場總線后，可以從現(xiàn)場得到更多的信息。現(xiàn)場總線系統(tǒng)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(xiàn)場就地完成處理，減少現(xiàn)場與控制機房之間的信息往返?？梢哉f現(xiàn)場總線的本質(zhì)就是信息處理的現(xiàn)場化。減少信息往返是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和系統(tǒng)組態(tài)的一條重要原則。減少信息往返常常可帶來改善系統(tǒng)響應(yīng)時間的好處。

典型系統(tǒng)比較

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

設(shè)計、投資及使用

    比較的前提是DCS系統(tǒng)與典型的、理想的FCS系統(tǒng)進(jìn)行比較。為什么要做如此的假設(shè)。作為DCS系統(tǒng)發(fā)展到今天，開發(fā)初期提出的技術(shù)要求卻已滿足并得到了完善，目前的狀況是進(jìn)一步提高，因此也就不存在典型、理想的說法。而作為FCS系統(tǒng)，20世紀(jì)90年代剛進(jìn)入實用化，作為開發(fā)初期的技術(shù)要求：兼容開放，雙向數(shù)字通信、數(shù)字智能現(xiàn)場裝置、高速總線等，目前還不理想有待完善。這種狀態(tài)與現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)的制定不能說沒有關(guān)系。過去的十多年，各總線組織都忙于制定標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)產(chǎn)品，占領(lǐng)更多的市場，目的就是要擠身于國際標(biāo)準(zhǔn)，合法的占領(lǐng)更大的市場?，F(xiàn)在有關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)的爭戰(zhàn)已告一段落，各大公司組織都已意識到，要真正占領(lǐng)市場，就得完善系統(tǒng)及相關(guān)產(chǎn)品。

PLC的發(fā)展

    PLC于20世紀(jì)60年代末期在美國首先出現(xiàn)，目的是用來取代繼電器，執(zhí)行邏輯、計時、計數(shù)等順序控制功能，建立柔性程序控制系統(tǒng)。1976年正式命名，并給予定義：PIE是一種數(shù)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(zhí)行諸如邏輯、順序、計時、計數(shù)與演算等功能，并通過模擬和數(shù)字輸入、輸出等組件，控制各種機械或工作程序。經(jīng)過30多年的發(fā)展，PIE已十分成熟與完善，并開發(fā)了模擬量閉環(huán)控制功能。PIE在FCS系統(tǒng)中的地位似乎已被確定并無多少爭論。PIE作為一個站掛在高速總線上，充分發(fā)揮PIE在處理開關(guān)量方面的優(yōu)勢。另外，火力發(fā)電廠輔助車間，例如補給水處理車間、循環(huán)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(yōu)勢。

系統(tǒng)的發(fā)展運用

    自1973年提出第一臺以微處理器為基礎(chǔ)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(shù)字式分散控制系統(tǒng)DCS。它的性能大大優(yōu)于以往任何一種控制系統(tǒng)，可以滿足工廠DAS，MCS，SCS和APS各系統(tǒng)的各種要求，目前還可以通過工業(yè)以太網(wǎng)建立管理層網(wǎng)絡(luò)，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(jì)90年代走向?qū)嵱没詠?，不斷有如下論點在公開刊物上發(fā)表，即：“從現(xiàn)在起，新的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS將逐步取代傳統(tǒng)的DCS”“當(dāng)調(diào)節(jié)功能下放到現(xiàn)場去以后，傳統(tǒng)的DCS就沒有存在的必要而會自動消失?‘今后十年，傳統(tǒng)的4 mA～20 mA模擬信號制將逐步被雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號制所取代，模擬與數(shù)字的分散型控制系統(tǒng)DCS將更新?lián)Q代為全數(shù)字現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)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(quán)威專家之口，確實不無道理。雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號制以及由它而產(chǎn)生的巨大的推動力，加速現(xiàn)場裝置與控制儀表的變革，開發(fā)出越來越多的功能完善的數(shù)字智能現(xiàn)場裝置。再則，F(xiàn)CS是由DCS以及PLC發(fā)展而來，它保留了DCS的特點，或者說FCS吸收了DCS多年開發(fā)研究以及現(xiàn)場實踐的經(jīng)驗，當(dāng)然也包括教訓(xùn)。由此而得出結(jié)論，“FCS將取代DCS”，似乎也是順理成章之事。同時我們也應(yīng)看到，DCS系統(tǒng)發(fā)展也近30年，在工廠的應(yīng)用如此廣泛。

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