DCS與PLC控制新版系統(tǒng)的特點(diǎn)分析

DCS和PLC控制系統(tǒng)特點(diǎn)分析DCS和PLC全部是應(yīng)用于自控領(lǐng)域控制系統(tǒng)。伴隨工業(yè)生產(chǎn)快速發(fā)展,工業(yè)自動化程度越來越高,對自動控制系統(tǒng)可*性、可操作性要求越來越高。有很多人在選擇控制系統(tǒng)時對選擇DCS還是PLC,哪一個更適合自己需求極難決定。文章針對這種情況,對DCS和PLC系統(tǒng)發(fā)展、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、配置、應(yīng)用等進(jìn)行比較和分析,期望對廣大讀者有所幫助。1起源①集散控制系統(tǒng)DCS(DistributedControlSystem)是基于”4C”技術(shù)(ComputerControlCommunicationCRT)在20世紀(jì)70年代中期出現(xiàn)新型工業(yè)控制系統(tǒng)。采取分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),目標(biāo)是為了降低風(fēng)險,提升系統(tǒng)可*性。它將整個控制系統(tǒng)根據(jù)區(qū)域、功效和回路作合適分解,再經(jīng)過總線或通訊網(wǎng)絡(luò)將它們連接為有機(jī)整體。1975年Honey2well企業(yè)推出了第一套DCS控制系統(tǒng),首先被應(yīng)用于石油化工行業(yè)。②可編程控制器PLC(ProgrammableLogicController)是一個數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng),專為在工業(yè)環(huán)境下使用而設(shè)計(jì)。工業(yè)生產(chǎn)過程中,大量開關(guān)量次序控制,根據(jù)邏輯條件進(jìn)行次序動作,并根據(jù)邏輯關(guān)系進(jìn)行連鎖保護(hù)動作控制,及大量離散量數(shù)據(jù)采集,這些功效傳統(tǒng)上是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。1968年美國GM(通用汽車)企業(yè)提出替換繼電氣控制裝置要求,第二年,美國數(shù)字企業(yè)研制出了基于集成電路和電子技術(shù)控制裝置,首次采取程序化手段應(yīng)用于電氣控制,這就是第一代可編程序控制器,稱ProgrammableController(PC)。2結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)(1)DCS是計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高度結(jié)合產(chǎn)物。從結(jié)構(gòu)上劃分,DCS包含過程級、操作級和管理級。過程級關(guān)鍵由過程控制站、I/O單元和現(xiàn)場儀表組成,是系統(tǒng)控制功效關(guān)鍵實(shí)施部分。操作級包含:操作員站和工程師站,完成系統(tǒng)操作和組態(tài)。管理級關(guān)鍵是指工廠管理信息系統(tǒng)(MIS系統(tǒng)),作為DCS更高層次應(yīng)用,目前中國應(yīng)用這一系統(tǒng)行業(yè)較少。DCS關(guān)鍵技術(shù)在于網(wǎng)絡(luò),從上到下是樹狀拓?fù)浜筒⑿羞B續(xù)鏈路結(jié)構(gòu),中間站聯(lián)接計(jì)算機(jī)、現(xiàn)場儀器儀表和控制裝置。PLC從結(jié)構(gòu)上分為固定式和組合式(模塊式)2種。固定式PLC包含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不可拆卸整體。模塊式PLC包含CPU模塊、I/O模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機(jī)架,這些模塊能夠根據(jù)一定規(guī)則組合配置。PLC關(guān)鍵技術(shù)在于其內(nèi)部固化了一個能解釋梯形圖語言程序及輔助通訊程序,梯形圖語言解釋程序效率決定了PLC性能,通訊程序決定了PLC和外界交換信息難易。對于簡單應(yīng)用,通常以獨(dú)立控制器方法運(yùn)作,不需和外界交換信息,只需內(nèi)部固化有能解釋梯形圖語言程序即可。(2)在網(wǎng)絡(luò)方面,DCS網(wǎng)絡(luò)是整個系統(tǒng)中樞神經(jīng),和利時企業(yè)MACS系統(tǒng)中系統(tǒng)網(wǎng)采取是雙冗余100Mbps工業(yè)以太網(wǎng),采取國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議TCP/IP。它是安全可*雙冗余高速通訊網(wǎng)絡(luò),系統(tǒng)拓展性和開放性愈加好。而PLC因?yàn)榛A(chǔ)上全部為個體工作,在和別PLC或上位機(jī)進(jìn)行通訊時,所采取網(wǎng)絡(luò)形式基礎(chǔ)全部是單網(wǎng)結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也常常和國際標(biāo)準(zhǔn)不符。在網(wǎng)絡(luò)安全上,PLC沒有很好保護(hù)方法。(3)DCS整體考慮方案。操作員站全部含有工程師站功效,站和站之間在運(yùn)行方案程序下裝后是一個緊密聯(lián)合關(guān)系,任何站、任何功效、任何被控裝置之間全部是相互連鎖控制,協(xié)調(diào)控制。DCS能夠控制和監(jiān)視工藝全過程,對本身進(jìn)行診療、維護(hù)和組態(tài)。不過,因?yàn)楸旧碇旅觞c(diǎn),其I/O信號采取傳統(tǒng)模擬量信號,所以,它無法在DCS工程師站上對現(xiàn)場儀表(比如變送器、實(shí)施器等)進(jìn)行遠(yuǎn)方診療、維護(hù)和組態(tài)。當(dāng)采取現(xiàn)場總線儀表時才能經(jīng)過現(xiàn)場測控站對現(xiàn)場儀表進(jìn)行診療和維護(hù)。原來單用PLC相互連接組成系統(tǒng),其站和站(PLC和PLC)之間聯(lián)絡(luò)是一個松散連接方法,做不出協(xié)調(diào)控制功效?，F(xiàn)在PLC能夠采取共同上位機(jī),使用PLC網(wǎng)絡(luò)(如Siemens企業(yè)SINEC-L1、SINEC-H1、S4、S5、S6、S7等,GE企業(yè)GENET、三菱企業(yè)MELSEC-NET、MELSEC-NET/MINI等)來協(xié)調(diào)控制。(4)DCS在整個設(shè)計(jì)上留有大量可擴(kuò)展性接口,外接系統(tǒng)或擴(kuò)展系統(tǒng)全部十分方便,缺點(diǎn)是成本高,各企業(yè)產(chǎn)品不能交換,不能互操作,大DCS系統(tǒng)是各家不一樣.PLC所搭接整個系統(tǒng)完成后,想隨意增加或降低操作員站全部是極難實(shí)現(xiàn)。(5)在安全性上,DCS系統(tǒng)為確?？刂圃O(shè)備安全可*,采取了雙冗余控制單元,當(dāng)關(guān)鍵控制單元出現(xiàn)故障時,全部會有相關(guān)冗余單元實(shí)時無擾動切換為工作單元,確保整個系統(tǒng)安全可*。PLC所搭接系統(tǒng)基礎(chǔ)沒有冗余概念,更談不上冗余控制策略。尤其是當(dāng)其某個PLC單元發(fā)生故障時,不得不將整個系統(tǒng)停下來,才能進(jìn)行更換、維護(hù)并需重新編程。所以DCS系統(tǒng)安全可*性更高。(6)系統(tǒng)軟件,對多種工藝控制方案進(jìn)行更新是DCS一項(xiàng)最基礎(chǔ)功效,當(dāng)某個方案發(fā)生改變后,工程師只需要在工程師站上將更改過方案編譯后,實(shí)施下裝命令就能夠了。下裝過程是由系統(tǒng)自動完成,不影響原控制方案運(yùn)行。對于PLC組成系統(tǒng)來說,工作量極其龐大,首先需要確定所要編輯更新是哪個PLC,然后要用和之對應(yīng)編譯器進(jìn)行程序編譯,最終再用專用機(jī)器(讀寫器)專門一對一將程序傳送給這個PLC。在系統(tǒng)調(diào)試期間,調(diào)試時間長和調(diào)試成本高,而且極其不利于以后維護(hù),在控制精度上相差甚遠(yuǎn)。所以在大中型控制項(xiàng)目中(500點(diǎn)以上),基礎(chǔ)不采取全部由PLC所連接而成系統(tǒng)。(7)模塊DCS系統(tǒng)全部I/O模塊全部帶有CPU,能夠?qū)崿F(xiàn)對采集及輸出信號品質(zhì)判定和標(biāo)量變換,故障帶電插拔,隨機(jī)更換。而PLC模塊只是簡單電氣轉(zhuǎn)換單元,沒有智能芯片,發(fā)生故障后對應(yīng)單元全部癱瘓。①PLC響應(yīng)速度快;DCS響應(yīng)速度慢。②DCS要作復(fù)雜運(yùn)算,內(nèi)存較大;PLC通常不做復(fù)雜運(yùn)算,內(nèi)存小。③DCS數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一,能夠應(yīng)用工位號管理;PLC數(shù)據(jù)庫不統(tǒng)一,必需以地址為基礎(chǔ)管理。④冗余功效,DCS更輕易實(shí)現(xiàn)。(8)DCS和PLC系統(tǒng)內(nèi)核實(shí)現(xiàn)形式不一樣。因?yàn)镈CS控制程序編譯以后代碼是采取程序調(diào)用運(yùn)行,而PLC程序是采取編譯后對語句代碼次序掃描實(shí)現(xiàn)。這就是為何PLC至今對模擬量處理不如DCS功能強(qiáng)大,而DCS對開關(guān)量處理不如PLC快速原因。至于Siemens等企業(yè)現(xiàn)在推出PCS7等一體化系統(tǒng)全部是在她們CPU模塊中采取雙CPU進(jìn)行處理,分別完成模擬量和開關(guān)量處理,表面上看似一個系統(tǒng),實(shí)際是雙系統(tǒng)整合。3關(guān)鍵制造商和產(chǎn)品(1)自1975年以來,第四代DCS產(chǎn)品已推上市場,主要生產(chǎn)廠家及產(chǎn)品有美國HoneyWell企業(yè)(TDC、TDC3000、TPS、PKS)、Westinghous企業(yè)(WDPF、Ovation),日本橫河企業(yè)、日立企業(yè)、山武霍尼威爾企業(yè),德國SIEMENS企業(yè)、Hartmann&Braun企業(yè)、EURO企業(yè),瑞士ABB企業(yè)(N90、INDUSTRIALIT、INFI90);中國關(guān)鍵有北京安控科技發(fā)展,北京和利時(MACS、FOCS),浙大中自(JX300X、JX500),新華企業(yè)(XDPS-400)等。(2)PLC在全世界有大約200家生產(chǎn)廠家,關(guān)鍵廠家及產(chǎn)品有施耐德企業(yè)(Quantum、Premium、Momentum等),A-B企業(yè)(SLC、MicroLogix、ControlLogix等),西門子企業(yè)(SIMAT2ICS7-400/300/200系列),GE企業(yè),日本歐姆龍、三菱、富士、松下等;中國PLC生產(chǎn)廠約30家,但沒有形成頗具規(guī)模生產(chǎn)能力和名牌產(chǎn)品,還有一部分是以仿制、來件組裝或”貼牌”方法生產(chǎn)。4應(yīng)用情況(1)自1975年Honeywell企業(yè)推出第一套DCS以后,全世界有60余家企業(yè)生產(chǎn)了1500余種產(chǎn)品,現(xiàn)在約有10000套DCS在運(yùn)行。中國DCS發(fā)展較晚,大約在20世紀(jì)80年代末才開始逐步普及?，F(xiàn)在還處于從大型工程逐步向中、小型工程,從關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域(如石化、化工、電力、冶金等行業(yè))逐步向全工業(yè)范圍(如市政、食品、建材、環(huán)境保護(hù)、交通等)擴(kuò)展階段,市場遠(yuǎn)沒有飽和。尤其在最近一段時期,將會有大量中國企業(yè)采取優(yōu)異DCS來改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),它們技術(shù)改造為DCS提供了十分巨大市場空間?，F(xiàn)在,中國國民經(jīng)濟(jì)關(guān)鍵領(lǐng)域使用DCS系統(tǒng)已經(jīng)十分普遍,不僅大型、中型工程項(xiàng)目采取,不少小型項(xiàng)目也開始采取。DCS現(xiàn)在是步驟工業(yè)自控系統(tǒng)最關(guān)鍵產(chǎn)品。石化是DCS使用比較早和普遍領(lǐng)域,石化領(lǐng)域采購DCS金額占設(shè)備采購總金額13.6%。該領(lǐng)域幾乎全部大型工程全部是采取國外系統(tǒng),其中Honeywell企業(yè)、日本橫河電機(jī)株式會社處于領(lǐng)先地位?；ゎI(lǐng)域也是DCS關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域,大約占設(shè)備采購總金額20.3%。在化工領(lǐng)域國產(chǎn)DCS已經(jīng)取得較大業(yè)績,但該領(lǐng)域銷售額最高現(xiàn)在還是日本橫河,其次是Honey-well、浙大中自、Emerson和北京和利時等企業(yè)。火電站是DCS大用戶,每十二個月占DCS市場總額34.9%(含核電和熱電系統(tǒng))?，F(xiàn)在除60萬千瓦機(jī)組和部分30萬千瓦新建機(jī)組外,30萬千瓦改造機(jī)組和30萬千瓦以下新建機(jī)組已經(jīng)大量采取國產(chǎn)DCS。冶金領(lǐng)域伴隨技術(shù)發(fā)展和該行業(yè)本身對__特殊要求,DCS使用量正在逐步減小,被PLC系統(tǒng)所替代?，F(xiàn)在,DCS金額大約占設(shè)備采購總金額12%,ABB和Siemens在冶金領(lǐng)域名列前茅。食品行業(yè)以釀酒行業(yè)使用最多,Siemens因?yàn)楹偷溡患移【茝S合作開發(fā)了一套專用系統(tǒng),在中國市場擁有率最高,其次為Honeywell。(2)PLC技術(shù)自二十世紀(jì)80年代走向成熟以來,產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)能力、模擬量處理能力、運(yùn)算速度、內(nèi)存、復(fù)雜運(yùn)算能力均大大增強(qiáng),不再局限于邏輯控制應(yīng)用,而越來越應(yīng)用于過程控制方面?，F(xiàn)在世界上有200多個廠家生產(chǎn)300多種PLC產(chǎn)品,應(yīng)用在汽車(23%)、糧食加工(16.4%)、化學(xué)/制藥(14.6%)、金屬/礦山(11.5%)、紙漿/造紙(11.3%)等行業(yè)。5發(fā)展前景伴隨DCS和PLC功效不停發(fā)展和完善,新型DCS和新型PLC,全部有向?qū)Ψ?攏趨勢。新型DCS已經(jīng)有很強(qiáng)次序控制功效;而新型PLC,在處理閉環(huán)控制方面性能很好,而且不管在控制器方面還是網(wǎng)絡(luò)方面全部能做到冗余。二者能組成大型網(wǎng)絡(luò),適用范圍已經(jīng)有很大交叉,技術(shù)上相互融合,并在此基礎(chǔ)上集成了全數(shù)字化FCS(現(xiàn)場總線控制系統(tǒng))。FCS系統(tǒng)在中國工控領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用,但還沒成為主流控制,而且在中國還存在部分問題,有待深入完善。所以用戶對FCS接收和認(rèn)可還需要一個過程。6結(jié)論伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)快速發(fā)展,DCS和PLC除各自保留本身原有特點(diǎn)外,又相互補(bǔ)充,形成新系統(tǒng)。新型DCS和PLC功效上已沒有多大差異。如果說它們有什么區(qū)分話,就是設(shè)計(jì)原理不一樣。PLC是基于開關(guān)量控制而