第9章控制系統(tǒng)比較

控制系統(tǒng)類型及其對(duì)比PCS系統(tǒng)即基層自動(dòng)化系統(tǒng)，主要包括以下幾種控制系統(tǒng)：……1、DCS2、PLC3、PAC4、SCADA、RTU5、PC-based控制器、IPC第一部分分散控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem)，采用功能分級(jí)、軟硬件分布配置、監(jiān)控管理功能集中于中央站和有相當(dāng)操作級(jí)別的終端，實(shí)時(shí)性強(qiáng)的控制和調(diào)節(jié)功能由分站完成，中央站停止工作不影響分站功能和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)于局部網(wǎng)絡(luò)通信控制也不應(yīng)因此而中斷。由HONEYWELL(霍尼韋爾)公司在1975年首先推出的系統(tǒng)。即：TDC2000，它只有模擬量控制。目前生產(chǎn)DCS的廠家：（1）國(guó)外：HONEYWELL公司－ExpersionPKS;ABB－IndustrialIT；Simenz－PCS7；日本橫河的YEPARKMARKⅡ等等。（2）國(guó)內(nèi)：浙大中控、和利時(shí)等。一、DCS1、基本概念：（1）第一個(gè)階段---20世紀(jì)50年代前后，過(guò)程控制開始發(fā)展。這一階段主要采用了基地式儀表和部分單元組合儀表，多數(shù)為氣動(dòng)式儀表。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制參數(shù)少。（2）第二個(gè)階段---20世紀(jì)60年代，電子技術(shù)的發(fā)展，為自動(dòng)化技術(shù)工具的完善提供了條件，開始大量采用單元組合儀表，組裝儀表也已使用，能夠滿足比較復(fù)雜的模擬和邏輯控制規(guī)律相結(jié)合的控制系統(tǒng)需要。計(jì)算機(jī)開始用在工業(yè)生產(chǎn)中，比較復(fù)雜的控制算法如串級(jí)控制、比值控制和均勻控制等開始使用。2、發(fā)展歷程一、DCS（3）第三個(gè)階段----70年代以后，微型機(jī)的出現(xiàn)，是過(guò)程控制發(fā)展到現(xiàn)代過(guò)程控制的新階段。采用了以微處理器為核心的智能單元組合儀表，儀表可靠性能提高了，適應(yīng)了各種復(fù)雜的控制系統(tǒng)的要求。由于生產(chǎn)過(guò)程是一個(gè)分散的系統(tǒng)，為滿足工業(yè)生產(chǎn)分散過(guò)程的需要，集散型控制系統(tǒng)（DCS）應(yīng)運(yùn)而生。（4）現(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)－FCS。3、DCS組成DCS由四部份組成（也可以說(shuō)成三部分）：I/O板、控制器、操作站和通訊網(wǎng)絡(luò)。人機(jī)接口包括操作站、工程師站和歷史站?？刂破鱅/O部件和生產(chǎn)過(guò)程相聯(lián)接，操作站和人相聯(lián)系，通訊網(wǎng)絡(luò)把這兩部分聯(lián)成系統(tǒng)。所以操作站是DCS的重要組成部分，工程師站給控制器和操作站組態(tài)，歷史站記錄生產(chǎn)過(guò)程的歷史數(shù)據(jù)。最近幾年開發(fā)的人機(jī)界面還有動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器。一、DCS4、現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線是20世紀(jì)80年代末、90年代初國(guó)際上形成的,用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、在微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng),也被稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)以數(shù)字信號(hào)取代模擬信號(hào)，在3C（Computer計(jì)算機(jī)、Control控制、Communication通信）技術(shù)的基礎(chǔ)上，大量現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與控制信息就地采集、就地處理、就地使用，許多控制功能從控制室移至現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。一、DCS現(xiàn)場(chǎng)總線FCS4.1現(xiàn)場(chǎng)總線類型目前，國(guó)內(nèi)、外的現(xiàn)場(chǎng)總線有60幾種之多。2000年1月4日通過(guò)IEC61158.3～6標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)包括了8種類型的現(xiàn)場(chǎng)總線子集，它們分別是：①基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF(原有的技術(shù)規(guī)范IEC61158)；②ControlNet；③Profibus；④P—Net；⑤FFHSE；⑥SwiftNet；⑦WordFIP；⑧Interbus。④、⑥是用于有限領(lǐng)域的專用現(xiàn)場(chǎng)總線；②、③、⑦、⑧是由PLC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)，本質(zhì)上以遠(yuǎn)程I/O總線技術(shù)為基礎(chǔ)，通常不具備通過(guò)總線向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電和本征安全性能；①、⑤則由傳統(tǒng)DCS控制系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)，具有總線供電和本征安全功能；①、⑧屬于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)總線，②、⑤屬于監(jiān)控級(jí)現(xiàn)場(chǎng)總線；③、⑦則是包括兩個(gè)層次的現(xiàn)場(chǎng)總線。一、DCS一、DCS4.2現(xiàn)場(chǎng)總線與以太網(wǎng)比較物理層比較(2)介質(zhì)訪問(wèn)控制方式比較

現(xiàn)場(chǎng)總線介質(zhì)訪問(wèn)控制方式：

現(xiàn)場(chǎng)總線的介質(zhì)訪問(wèn)控制方式要滿足工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的要求，即通信的實(shí)時(shí)性和確定性。確定性指站點(diǎn)每次得到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)間隔和時(shí)間是確定的；實(shí)時(shí)性指網(wǎng)絡(luò)分配給站點(diǎn)的服務(wù)時(shí)間和間隔可以保證站點(diǎn)完成它確定的任務(wù)。

目前現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)采用的介質(zhì)訪問(wèn)控制方式主要有：令牌、主從、生產(chǎn)者/客戶（producer/consumer）。

以太網(wǎng)介質(zhì)訪問(wèn)控制方式：

CSMA/CD(載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè))是以太網(wǎng)（或IEEE802.3）采用的介質(zhì)訪問(wèn)控制方式。一、DCS二、PLC1、基本概念：可編程序控制器，專為在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用而設(shè)計(jì)，采用可編程序的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)操作指令，并通過(guò)數(shù)字式的或模擬式的輸入輸出控制機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程（IEC—1985）。1969年美國(guó)通用公司生產(chǎn)第一套PLC（ProgrammableLogicController）。國(guó)內(nèi)外許多生產(chǎn)PLC廠家。著名廠家有A—B（Allen－Bradley）艾倫一布拉德利公司，MODICON莫迪康公司，GE－FSNUC公司，TI（TexasInstrument）德州儀器公司，WESTHOUSEElectric西屋電氣公司，IPM（InternationalParallelMachines）國(guó)際并行機(jī)器公司等歐洲PLC的廠家有60余家:西門子（Siemens）于1973年研制出第一臺(tái)PLC。金鐘默勒（KlocknerMoellerGmbh），AEG，法國(guó)的TE(Telemecanique）(施耐德）瑞士的Selectron公司等。二、PLC二、PLC

1971年，日本從美國(guó)引進(jìn)PLC技術(shù)，由日立公司研制成功日本第一臺(tái)PLC。日本生產(chǎn)PLC的廠家有40余家：三菱電機(jī)(MITSUBISHI),歐姆龍(OMRON),富士電機(jī)（FujiElectric）,東芝（TOSHIBA）,光洋（KOYO)，松下電工（MEW）,和泉（IDEC），夏普(SHARP）,安川等公司。二、PLC我國(guó)在70年代末和80年代初開始引進(jìn)PLC。我國(guó)早期獨(dú)立研制PLC的單位有：北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所，大連組合機(jī)床研究所，成都機(jī)床電器研究所，中科院北京計(jì)算機(jī)所及自動(dòng)化所，長(zhǎng)春一汽，上海起重電器廠，上海香島機(jī)電公司，上海自力電子設(shè)備廠等單位。以上諸單位都沒(méi)有形成規(guī)模化生產(chǎn)。2、發(fā)展歷程

上世紀(jì)80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時(shí)期，年增長(zhǎng)率一直保持為30~40%。在這時(shí)期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，PLC逐漸進(jìn)入過(guò)程控制領(lǐng)域，在某些應(yīng)用上取代了在過(guò)程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。

PLC具有通用性強(qiáng)、使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。PLC在工業(yè)自動(dòng)化控制特別是順序控制中的地位，在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，是無(wú)法取代的。3、PLC構(gòu)成從結(jié)構(gòu)上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個(gè)不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。二、PLC三、PAC1、基本概念：PAC這個(gè)概念的提出是針對(duì)PLC的概念而來(lái)，作為一種快速和可靠的解決方案，由自動(dòng)化研究機(jī)構(gòu)(ARC)提出的，它表示可編程自動(dòng)化控制器，用于描述結(jié)合了PLC和PC功能的新一代工業(yè)控制器。傳統(tǒng)的PLC廠商使用PAC的概念來(lái)描述他們的高端系統(tǒng)，而PC控制廠商則用來(lái)描述他們的工業(yè)化控制平臺(tái)。采用現(xiàn)有的商業(yè)計(jì)算機(jī)技術(shù)，所以具有更優(yōu)異的效能，并具有可伸縮性。透過(guò)商業(yè)化大量生產(chǎn)的平臺(tái)，所以易于維護(hù)和具有較低的發(fā)生故障時(shí)間等特性。

目前生產(chǎn)PAC的廠家如羅克維爾、研華、貝加萊等。PAC技術(shù)是一種新型的控制技術(shù)，與PLC相比，具有開放的體系結(jié)構(gòu)和優(yōu)秀的互操作性、靈活性；與PC相比，又具有更高的穩(wěn)定性和更好的實(shí)時(shí)性，能更好地滿足現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的要求，是目前工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。2、PAC發(fā)展前景及趨勢(shì)四、SCADA、RTU1、SCADA：（1）SCADA(SupervisoryControlAndDataAcquisition)系統(tǒng)，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，它可以應(yīng)用于電力系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、石油、化工等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過(guò)程控制等諸多領(lǐng)域。在電力系統(tǒng)以及電氣化鐵道上又稱遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過(guò)程控制與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)。它可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號(hào)報(bào)警等各項(xiàng)功能。（2）SCADA系統(tǒng)發(fā)展到今天已經(jīng)經(jīng)歷了三代。第一代是基于專用計(jì)算機(jī)和專用操作系統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)。這一階段是從計(jì)算機(jī)運(yùn)用到SCADA系統(tǒng)時(shí)開始到70年代。第二代是80年代基于通用計(jì)算機(jī)的SCADA系統(tǒng)，在第二代中，廣泛采用VAX等其它計(jì)算機(jī)以及其它通用工作站，操作系統(tǒng)一般是通用的UNIX操作系統(tǒng)。在這一階段，SCADA系統(tǒng)在電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化中與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析，自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）以及網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)合到一起構(gòu)成了EMS系統(tǒng)（能量管理系統(tǒng)）。第一代與第二代SCADA系統(tǒng)的共同特點(diǎn)是基于集中式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并且系統(tǒng)不具有開放性，因而系統(tǒng)維護(hù)，升級(jí)以及與其它聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成很大困難。

90年代按照開放的原則，基于分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍聯(lián)網(wǎng)的EMS/SCADA系統(tǒng)稱為第三代。這一階段是我國(guó)SCADA/EMS系統(tǒng)發(fā)展最快的階段，各種最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)都匯集進(jìn)SCADA/EMS系統(tǒng)中。這一階段也是我國(guó)對(duì)電力系統(tǒng)自動(dòng)化以及電網(wǎng)建設(shè)投資最大的時(shí)期。

第四代SCADA/EMS系統(tǒng)的基礎(chǔ)條件已經(jīng)或即將具備。該系統(tǒng)的主要特征是采用Internet技術(shù)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及JAVA技術(shù)等技術(shù)，繼續(xù)擴(kuò)大SCADA/EMS系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的集成，綜合安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行以及商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的需要。四、SCADA、RTU2、RTU：（1）RTU（遠(yuǎn)程測(cè)控終端），英文全稱RemoteTerminalUnit，中文全稱為遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)、工業(yè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制。其中包括：開關(guān)量輸入單元、開關(guān)量輸出單元、模擬量輸入單元、模擬量輸出單元、脈沖量輸入單元、脈沖量輸出單元、數(shù)字量輸入單元。

PLC一般主要用于工廠車間流水線的控制，而RTU在國(guó)外主要用于室外應(yīng)用，惡劣環(huán)境中，比如在一些無(wú)人值守的站點(diǎn)。（2）RTU是構(gòu)成企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的核心裝置，通常由信號(hào)輸入/出模塊、微處理器、有線/無(wú)線通訊設(shè)備、電源及外殼等組成，由微處理器控制，并支持網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它通過(guò)自身的軟件(或智能軟件)系統(tǒng)，可理想地實(shí)現(xiàn)企業(yè)中央監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)一次儀表的遙測(cè)、遙控、遙信和遙調(diào)等功能。四、SCADA、RTU四、SCADA、RTURTU是一種耐用的現(xiàn)場(chǎng)智能處理器，它支持SCADA控制中心與現(xiàn)場(chǎng)器件間的通訊。它是一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)獲取與控制單元。它的作用是在遠(yuǎn)端控制控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，獲得設(shè)備數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳給SCADA系統(tǒng)的調(diào)度中心。

（3）RTU的發(fā)展歷程是與“三遙”工程技術(shù)相聯(lián)系?！叭b”系統(tǒng)工程是多學(xué)科、多專業(yè)的高新技術(shù)系統(tǒng)工程，涉及計(jì)算機(jī)、機(jī)械、無(wú)線電、自動(dòng)控制等技術(shù)，還涉及傳感器技術(shù)、儀器儀表技術(shù)、非電量測(cè)量技術(shù)、軟件工程、條碼技術(shù)、無(wú)線電通訊技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息處理技術(shù)等高新技術(shù)。因此，完全可以斷言，RTU的發(fā)展將必然會(huì)隨著“三遙”工程技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。三遙：遙測(cè)、遙控、遙感（遙調(diào)、遙訊、遙信）五、PC－based控制器、IPC1、PC-based控制器從外觀到可靠性也都開始可以與PLC相近。PC-based是一種基于PC技術(shù)的控制系統(tǒng)。最早的PC-based控制系統(tǒng)是以工控機(jī)為核心，通過(guò)擴(kuò)展帶PCI接口的專用板卡組成。PC-based借助于IT技術(shù)的發(fā)展，在運(yùn)算、存儲(chǔ)、組網(wǎng)和軟件開放性方面具有優(yōu)勢(shì)。在編程方面，由于IEC61131-3編程語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)的推出和廣泛采用，為PC-based控制器的高速發(fā)展鋪平了道路。這樣，PC-based控制器不僅具有PC的優(yōu)勢(shì)，也具有傳統(tǒng)PLC的優(yōu)勢(shì)。它可無(wú)縫地融合到網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的信息系統(tǒng)中。

2、IPC—工控機(jī)控制系統(tǒng)。實(shí)際上控制系統(tǒng)是以上幾種系統(tǒng)組成的混合控制系統(tǒng)（HCS）目前煤礦自動(dòng)化中應(yīng)用主要為PLC、SCADA、RTU等，DCS也有小部分應(yīng)用。PLC與DCS比較PLC與PAC比較PLC與PC－based比較第二部分自動(dòng)化控制器演化進(jìn)程一、PLC&DCS1、發(fā)展背景不同：PLC由傳統(tǒng)繼電器控制發(fā)展而來(lái)，早期以數(shù)字量邏輯控制為主；DCS由模擬儀表控制系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)，以模擬量回路控制為主。2、性能指標(biāo)比較：PLCDCS

（1）高速順序控制強(qiáng)較強(qiáng)

（2）復(fù)雜過(guò)程控制較強(qiáng)強(qiáng)

（3）硬件可靠性強(qiáng)強(qiáng)

（4）聯(lián)網(wǎng)和通訊功能弱強(qiáng)

（5）管理能力弱強(qiáng)

（6）系統(tǒng)診斷和報(bào)警弱強(qiáng)4、發(fā)展趨勢(shì)由于計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷發(fā)展，DCS和PLC兩者功能不斷相互滲透。這兩類在控制領(lǐng)域各司一方的控制系統(tǒng)，不斷吸納對(duì)方優(yōu)點(diǎn)以充實(shí)自己。

DCS加強(qiáng)PLC邏輯控制、聯(lián)鎖控制、順序控制和梯形圖語(yǔ)言編程功能，甚至一些新DCS也采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的PLC編程語(yǔ)言規(guī)范。DCS在開關(guān)量控制速度方面，已有長(zhǎng)足進(jìn)展，像開關(guān)量輸入響應(yīng)速度已達(dá)到毫秒級(jí)；而PLC則增加DCS的閉環(huán)控制、記錄儀表、CRT顯示和網(wǎng)絡(luò)通信功能。DCS和PLC正在走向統(tǒng)一。3、應(yīng)用范圍

DCS：過(guò)程控制，面向工藝變量。

PLC：機(jī)械制造和工廠自動(dòng)化，面向操作人員。一、PLC&DCS二、PLC&PAC1、從外形看，PLC、PAC相似，實(shí)質(zhì)，PAC系統(tǒng)的性能卻廣泛得多。作為一種多功能的控制平臺(tái)，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的需要，組合和搭配相關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)品以實(shí)現(xiàn)功能的側(cè)重，因?yàn)榛谕话l(fā)展平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，所以采用PAC系統(tǒng)保證了控制系統(tǒng)各功能模塊具有統(tǒng)一性，而不僅是一個(gè)完全無(wú)關(guān)的部件拼湊成的集合體。2、工業(yè)領(lǐng)域傳統(tǒng)的控制類型包括離散控制、過(guò)程控制與運(yùn)動(dòng)控制,以前往往分別采用獨(dú)立、專用的控制器，彼此之間通訊時(shí)，需要編制大量的工程化軟件，工作量大且復(fù)雜。所以這部份的需求使得PLC開始演化成開放式架構(gòu)，統(tǒng)一的開發(fā)軟件，覆蓋了多種控制類型，完成了控制平臺(tái)的橫向集成，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、項(xiàng)目實(shí)施、運(yùn)行維護(hù)、培訓(xùn)、系統(tǒng)集成、備件等環(huán)節(jié)上，都大大減少了用戶成本。（PAC產(chǎn)生）三、PLC&PC－basedPL