引言

    DCS與PLC都是應(yīng)用于自控領(lǐng)域的控制系統(tǒng)。隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)自動化程度越來越高，對自動控制系統(tǒng)的可靠性、可操作性的要求越來越高。有許多人在選擇控制系統(tǒng)時對選擇DCS還是PLC，哪一種更適合自己的需求很難決定。以下針對這種情況，對DCS與PLC系統(tǒng)的發(fā)展、基本結(jié)構(gòu)、配置、應(yīng)用等進行比較和分析。

1)集散控制系統(tǒng)DCS(Distributed ControlSystem)是基于“4C”技術(shù)(computer Conn．olCommunication CRT)在20世紀70年代中期出現(xiàn)的新型工業(yè)控制系統(tǒng)。采用分布式的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，目的是為了減少風險，提高系統(tǒng)可靠性。它將整個控制系統(tǒng)按照區(qū)域、功能和回路作適當分解，再通過總線或通訊網(wǎng)絡(luò)將它們連接為有機整體。1975年Honeywen公司推出了第一套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(Programmable LogicController)是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下使用而設(shè)計的。工業(yè)生產(chǎn)過程中大量的開關(guān)量的順序控制按照邏輯條件進行順序動作，并按照邏輯關(guān)系進行連鎖保護動作的控制及大量離散量的數(shù)據(jù)采集，這些功能傳統(tǒng)上是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。1968年美國GM公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱ProgrammableController(PC)。

1結(jié)構(gòu)及特點

1)DCS是計算機技術(shù)、控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高度結(jié)合的產(chǎn)物。從結(jié)構(gòu)上劃分，DCS包括過程級、操作級和管理級。過程級主要由過程控制站、I／0單元和現(xiàn)場儀表組成，是系統(tǒng)控制功能的主要實施部分。操作級包括：操作員站和工程師站，完成系統(tǒng)的操作和組態(tài)。管理級主要是指工廠管理信息系統(tǒng)(MIs系統(tǒng))，作為DCS更高層次的應(yīng)用，目前國內(nèi)應(yīng)用這一系統(tǒng)的行業(yè)較少。

DCS的關(guān)鍵技術(shù)在于網(wǎng)絡(luò)，從上到下是樹狀拓撲和并行連續(xù)的鏈路結(jié)構(gòu)，中間站聯(lián)接計算機、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、底板或機架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。

PLC的關(guān)鍵技術(shù)在于其內(nèi)部固化了一個能解釋梯形圖語言的程序及輔助通訊程序，梯形圖語言的解釋程序的效率決定了PLC的性能，通訊程序決定了PLC與外界交換信息的難易。對于簡單的應(yīng)用，通常以獨立控制器的方式運作，不需與外界交換信息，只需內(nèi)部固化有能解釋梯形圖語言的程序即可。

2)在網(wǎng)絡(luò)方面DCS網(wǎng)絡(luò)是整個系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，和利時公司的MACS系統(tǒng)中的系統(tǒng)網(wǎng)采用的是雙冗余的100Mbps的工業(yè)以太網(wǎng)，采用國際標準協(xié)議TCP／IP。它是安全可靠雙冗余的高速通訊網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)的拓展性與開放性更好。而PLC因為基本上都為個體工作，在與別的PLC或上位機進行通訊時，所采用的網(wǎng)絡(luò)形式基本都是單網(wǎng)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也經(jīng)常與國際標準不符。在網(wǎng)絡(luò)安全上PLC沒有很好的保護措施。

3)DCS整體考慮方案。操作員站都具備工程師站的功能，站與站之間在運行方案程序下裝后是一種緊密聯(lián)合的關(guān)系，任何站、任何功能、任何被控裝置之間都是相互連鎖控制協(xié)調(diào)控制的。DCS可以控制和監(jiān)視工藝全過程，對自身進行診斷、維護和組態(tài)。但是，由于自身的致命弱點，其I／O信號采用傳統(tǒng)的模擬量信號，因此，它無法在DCS工程師站上對現(xiàn)場儀表(比如變送器、執(zhí)行器等)進行遠方診斷、維護和組態(tài)。當采用現(xiàn)場總線儀表時才能通過現(xiàn)場測控站對現(xiàn)場儀表進行診斷和維護。

原來單用PLC互相連接構(gòu)成的系統(tǒng)，其站與站(PLC與PLC)之間的聯(lián)系是一種松散的連接方式，做不出協(xié)調(diào)控制的功能。現(xiàn)在的PLC可以采用共同的上位機，使用PLC網(wǎng)絡(luò)(如Siemens公司的SD厄C-Ll、SDmC—H1、S4、S5、S6、S7等，GE公司的GENET、三菱公司的MELSEC—NET、MELSEC一Ⅻ巳T，M刀N1等)來協(xié)調(diào)控制。

4)DCS在整個設(shè)計上留有大量的可擴展性接口，外接系統(tǒng)或擴展系統(tǒng)都十分方便。缺點是成本高，各公司產(chǎn)品不能互換，不能相互操作。DCS系統(tǒng)是各家不同的，所搭接的整個系統(tǒng)完成后想隨意的增加或減少操作員站都是很難實現(xiàn)的。

5)在安全性上DCS系統(tǒng)為保證控制設(shè)備的安全可靠采用了雙冗余的控制單元。當重要控制單元出現(xiàn)故障時，都會有相關(guān)的冗余單元實時無擾動的切換為工作單元，保證整個系統(tǒng)的安全可靠連續(xù)工作。PLC所搭接的系統(tǒng)基本沒有冗余的概念，更談不上冗余控制策略。特別是當其某個PLC單元發(fā)生故障時，不得不將整個系統(tǒng)停下來，才能進行更換、維護并需重新編程。所以DCS系統(tǒng)安全可靠性更高。

6)系統(tǒng)軟件。對各種工藝控制方案進行更新是DCS的一項最基本的功能。當某個方案發(fā)生變化后，工程師只需要在工程師站上將更改過的方案編譯后執(zhí)行下裝命令就可以了。下裝過程是由系統(tǒng)自動完成的，不影響原控制方案運行。對于PLC構(gòu)成的系統(tǒng)來說，工作量極其龐大，首先需要確定所要編輯更新的是哪個PLC，然后要用與之對應(yīng)的編譯器進行程序編譯，最后再用專用的機器(讀寫器)專門一對一的將程序傳送給這個PLC。在系統(tǒng)調(diào)試期間，調(diào)試時間長和調(diào)試成本高，而且極其不利于日后的維護，在控制精度上也相差甚遠。因此在大中型控制項目中(500點以上)基本不采用全部由PLC所連接而成的系統(tǒng)。

7)模塊DCS系統(tǒng)所有I／O模塊都帶有CPU，可以實現(xiàn)對采集及輸出信號品質(zhì)的判斷與標量變換，故障帶電插拔，隨機更換。而PLC模塊只是簡單電氣轉(zhuǎn)換單元，沒有智能芯片，發(fā)生故障后相應(yīng)單元全部癱瘓。

(1)PLC響應(yīng)速度快；DCS響應(yīng)速度慢。

(2)DCS要作復(fù)雜的運算，內(nèi)存較大；PLC一般不做復(fù)雜運算，內(nèi)存小。

(3)DCS的數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一，可以應(yīng)用工位號管理；PIC的數(shù)據(jù)庫不統(tǒng)一，必須以地址為基礎(chǔ)管理。

(4)冗余功能DCS更容易實現(xiàn)。

8)DCS與PLC的系統(tǒng)內(nèi)核的實現(xiàn)形式不同。因為DCS的控制程序編譯以后的代碼是采用程序調(diào)用運行的，而PLC的程序是采用編譯后對語句代碼的順序掃描實現(xiàn)的。這就是為什么PLC至今對模擬量的處理不如DCS功能強大。而DCS對開關(guān)量的處理不如PLC快速的原因。至于Siemens等公司現(xiàn)在推出的PCS7等一體化系統(tǒng)都是在他們的CPU模塊中采用雙CPU進行處理，分別完成模擬量和開關(guān)量的處理。表面上看似一個系統(tǒng)，實際是雙系統(tǒng)的整合。

2主要制造商和產(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)品有美國的HoneyweU公司(TDC2000、TDC3000、TPS、PKS)、westinghous公司(wDPF、Ovation)、日本的橫河公司、日立公司、山武霍尼威爾公司、德國SⅢMENS公司、Hamnann＆Braun公司、EURO公司、瑞士的ABB公司(N90、DDUSTRIAL IT、玳n90)，國內(nèi)主要有北京安控科技發(fā)展有限公司、北京和利時有限公司(MACS、FOCS)、浙大中自(JX300X、Ⅸ500)、新華公司(XDPS．400)等。

2)PIC在全世界有大約200家生產(chǎn)廠家。主要廠家及產(chǎn)品有施耐德公司(Quantum、Premium、Momentum等)、AB公司(SLC、MicmLogix、ControlLogix等)、西門子公司SIMAT2IC S7-400／300／200系列)、GE公司、日本歐姆龍、三菱、富士、松下等。國內(nèi)PLC生產(chǎn)廠約30家，但沒有形成頗具規(guī)模的生產(chǎn)能力和名牌產(chǎn)品，還有一部分是以仿制、來件組裝或貼牌方式生產(chǎn)。

3應(yīng)用狀況

1)自1975年Honeywen公司推出第一套DCS以后，全世界有60余家公司生產(chǎn)了1500余種產(chǎn)品，目前約有10 000套DCS在運行。我國DCS發(fā)展較晚，大約在20世紀80年代末才開始逐漸普及。目前還處在從大型工程逐步向中、小型工程，從主要應(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)保、交通等)擴展階段，市場遠沒有飽和。特別在最近一段時期，將會有大量的國內(nèi)企業(yè)采用先進的DCS來改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，它們的技術(shù)改造為DCS提供了十分巨大的市場空間。

目前，我國國民經(jīng)濟的主要領(lǐng)域使用DCS系統(tǒng)已經(jīng)十分普遍，不但大型、中型工程項目采用，不少小型項目也開始采用。DCS現(xiàn)在是流程工業(yè)自控系統(tǒng)最主要的產(chǎn)品。石化是DCS使用比較早和普遍的領(lǐng)域，石化領(lǐng)域采購DCS的金額占設(shè)備采購總金額的13．6％。該領(lǐng)域幾乎全部大型工程都是采用國外系統(tǒng)，其中HoneyweU公司、日本橫河電機株式會社處于領(lǐng)先地位。

化工領(lǐng)域也是DCS的主要應(yīng)用領(lǐng)域，大約占設(shè)備采購總金額的20．3％。在化工領(lǐng)域國產(chǎn)DCS已經(jīng)取得較大的業(yè)績，但該領(lǐng)域銷售額最高的目前還是日本橫河，其次是HoneyweU、浙大中自、Elnerson以及北京和利時等公司。

火電站是DCS的大用戶，每年占DCS市場總額的34．9％(含核電和熱電系統(tǒng))?，F(xiàn)在除60萬千瓦機組和部分30萬千瓦新建機組外，30萬千瓦改造機組和30萬千瓦以下的新建機組已經(jīng)大量采用國產(chǎn)DCS。

冶金領(lǐng)域隨著技術(shù)的發(fā)展以及該行業(yè)自身的特殊要求，DCS的使用量正在逐步減小而被PLC系統(tǒng)所替代。目前，DCS的金額大約占設(shè)備采購總金額的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由于與丹麥一家啤酒廠合作開發(fā)了一套專用系統(tǒng)，在中國市場占有率最高，其次為Honeywell。

2)PLC技術(shù)自二十世紀80年代走向成熟以來，產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)能力、模擬量處理能力、運算速度、內(nèi)存、復(fù)雜運算能力均大大增強，不再局限于邏輯控制的應(yīng)用，而越米越應(yīng)用于過程控制方面。目前世界上有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)。

4發(fā)展前景

隨著DCS與PLC功能的不斷發(fā)展和完善，新型的DCS與新型的PLC都有向?qū)Ψ娇繑n的趨勢。新型的DCS已有很強的順序控制功能；而新型的PLC在處理閉環(huán)控制方面性能較好，而且無論在控制器方面還是網(wǎng)絡(luò)方面都能做到冗余。二者能組成大型網(wǎng)絡(luò)，適用范圍已有很大的交叉，技術(shù)上相互融合，并在此基礎(chǔ)上集成了全數(shù)字化的FCS(現(xiàn)場總線控制系統(tǒng))。FCS系統(tǒng)在我國工控領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，但還沒成為主流控制，并且在我國還存在一些問題有待進一步完善。所以用戶對FCS的接受和認可還需要一個過程。

5結(jié)論

    隨著計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的快速發(fā)展，DCS與PLC除各自保留自身原有的特點外，又相互補充形成了新的系統(tǒng)。新型的DCS和PLC功能上已沒有多大的差別。如果說它們有什么區(qū)別的話，就是設(shè)計原理不同。PLC是基于開關(guān)量控制而開發(fā)、發(fā)展起來的，而DCS起源于模擬量控制系統(tǒng)。PLC的優(yōu)勢是順序控制，DCS的優(yōu)勢是模擬量控制。若控制回路較多、模擬量的采集量較大，尤其是在熱電阻、熱電偶的采集量較多的情況下應(yīng)選用DCS。若都是邏輯控制應(yīng)選用PLC。介于二者之間的，按投資預(yù)算決定。若投資預(yù)算比較充分，就可以決定采用DCS。因為DCS不僅在完成模擬量控制方面比較擅長，而且有幾種PLC經(jīng)現(xiàn)場使用證明它們的熱電阻的輸入模塊和DCS的輸入模塊的價格基本一樣，從調(diào)試的角度看，PLC的信號輸入卡沒有DCS的好用，有時在調(diào)試時還容易損壞。