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分散控制系统 ( DCS) 概述
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分散控制系统DCS ( Distributed Control System) , 又称分布式控制系统, 产生于20 世纪70 年代中期, 最初是由仪表制造厂商研发出来, 当时主要应用于化工行业。它是在集中控制系统的基础上发展而来, 综合了计算机、通信、显示和控制等4C技术, 是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统, 具有连续控制、批量控制、逻辑顺序控制、数据采集等功能。DCS将分散的仪表控制和集中式计算机控制系统二者的优势有机结合起来, 体系结构是一个分布式、分支树状结构, 从垂直结构来看, 分为分散过程控制级、集中操作监控级以及综合信息管理级三级, 各级之间既相互独立又相互联系, 每一级中又可水平分解成不同的子模块, 如分散过程控制级就可分为现场控制站、PLC、智能调节器和其他测控装置。其具有通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、人机界面友好、安装简单规范化、调试方便、运行安全可靠等优点。
可编程控制器 ( PLC) 概述
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可编程控制器PLC ( Programmable Logic Controller) , 是集微机技术、自动化技术、通信技术于一体的通用工业控制装置, 20 世纪60 年代末研制成功, 研发之初主要应用于汽车制造业。随着计算机网络技术和通信技术的不断发展, PLC在工业控制的各个领域里得到了广泛的应用, 由输入部分、逻辑处理部分及输出部分构成, 其工作原理是将传感器、仪表等控制设备分散地置于工业控制的现场, 在PLC运行时, 其内部事先存储好的PLC程序执行每条指令, 通过远程I/O、同位链路, 将现场数据采集到上位机 ( 或上位网络) 处理, 形成具有一定实时性的监控系统, 具有工作可靠、编程容易、安装灵活、性能价格比高等特点。
DCS与PLC的主要区别
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( 一) 概念不同。DCS和PLC之间最直观的区别就是, DCS是一个体系, 而PLC只是一个装置, DCS系统可以实现任何装置的功能, 而PLC装置只具备本单元的功能。这种区别影响到了方方面面的不同。
( 二) 设计原理不同。DCS是伴随着运算放大器的发展而发展起来的, 早期的DCS使用模拟量控制的方式, 所有的函数、各变量之间的关系以功能块或者膨胀块的方式存储于DCS中; 而PLC则是在模仿原继电器控制原理的基础上产生的, 早期的PLC通过开关量逻辑进行控制, 应用时需要事先将需要的生产工序要求以程序的形式存入PLC的用户程序存储器中, 接着输入相应的数字就可按照程序的要求进行生产。20 世纪80 年代后期, PLC增加了新的功能, 除了进行逻辑运算之外, 还可进行一些控制回路算法, 但仅限于简单的控制回路算法, 复杂的算法还无法实现。PLC在运算方面有着简单快捷的优势, 解算时间以微秒甚至毫秒来计算。有关研究表明, 运用PLC解算1K逻辑程序耗时不到1 毫秒。尽管PLC在解算方面有着巨大的优势, 但是由于其所用的是梯形图编程的方式在模拟量的运算上同DCS还有着不小的差距。DCS解算一些较为复杂的运算, 特别是模拟量的运算方面仅需几百微秒, 运算速度高于PLC。
( 三) 应用范围不同。DCS一般应用于中型或者大型的自控场所, 设备的控制量在600 点以上; 而PLC一般应用于设备的控制量在600 以下的小型自控场所。
( 四) 数据通讯不同。DCS通常使用两层网络结构, 第一层为程级网络, 在这一层中, 大部分DCS在标准串口传输协议的RS232 或RS458 的基础上建立自己的总线协议, 特别是在模拟量采集数据庞大以及现场干扰因素较多的时候, 标准串口协议无法满足控制系统数据量大、安全性高的要求, 需要建立抗干扰能力强的异步通讯方式的总线结构; 第二层是操作级网络, 在这一层中通常选用TP/CP协议这种标准的以太网使采集到的数据经CPU转换成整形数据或实形数据开始传输, 通讯速度为100Mbit/s。由于PLC通常应用于小型控制系统中, 工作任务相对简单, 交换和传输的数据有限, 通常使用一层网络结构, 建立的是基于RS232 或RS458 的标准串口传输协议。
( 五) 数据库不同。DCS有着统一的数据库, 系统内诸如组态、报表、记录等在内的信息数据都存储在数据库中, 数据库是独立于控制系统而存在的, 当系统运行时所有的数据都会被保存下来并且不断更新, 这样一旦有需要就可在数据库中直接提取使用; 而PLC中没有统一的数据库, 即使是大型的PLC系统中的数据库也是通过服务且嵌入式实施的, 所有的数据并不是统一的, 系统运行时组态软件和监控软件的数据会自动保存于自身的数据库中, 而不会保存在系统中的数据库中。
( 六) 组态维护不同。早期DCS以模块功能为主, 侧重仪表控制, 可靠性、安全性高, 系统昂贵, 通常应用于主厂房的控制; 而PLC以梯形图为主, 强调逻辑运算能力, 价格较DCS稍微便宜一些, 多用于辅助车间。DCS是一个体系, 在设计之初就考虑到了调试和维护等方面的需要, 留有大量的可扩展性接口, 当发现现有的系统无法满足需要时, 可扩展性接口就能发挥作用。系统运行时要及时对系统硬件进行检查, 测试DPU的负荷率, 不得擅自更改组态功能。DCS采用的是双冗余的控制单元, 当某些控制单元发生故障时, 相关的冗余单元会实时切换为工作单元, 确保了整个系统的安全可靠运行, 有着成熟且完善的解决方案, 维修人员既可到现场对设备进行维修, 也可以利用计算机进行在线修改; 而PLC之间多为松散的连接关系, 整个系统完成后无法增加或减少操作员站, 只有极少量的PLC模块中会配置智能芯片, 一旦发生问题, 相应的单元会瘫痪, 由于缺乏完善的解决方案, 短时间内系统无法恢复正常。早期的DCS由厂家提供专用的人机交换装置, PLC多采用通用的监控软件, 用户可直接在市场中购买。
( 七) 历史沿革不同。DCS产生于仪表制造行业, 其产生的目的是为用户提供安全可靠的工业生产控制系统, 因此发展的过程是将计算机技术、控制技术的研究成果应用到DCS中, 构建一个完整的、安全系数更高的集散控制系统, PLC源于继电控制装置, 生产的目的是取代以电路物理来进行控制的继电器, 成为依靠存储于PLC内存中程序的实现控制的具有计数、计时等功能的柔性程序控制装置, 因此其发展的方向是不断提高各项能力指标, 给用户提供一个完善的功能灵活的控制装置。
DCS、PLC的实际应用对比
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尽管PLC技术日益成熟, 运算能力、寻址能力有了大幅度的提高, 分布式IO站点也在提高, 但是与DCS相比仍有着一定的差距。以二者在火力发电行业中的应为为例, 火力发电的热控主机对于系统的专业性和安全性有着较高的要求, DCS由于IO模块大多采用光隔离16 位卡, 在电源、网络、CPU等重要环节中采用的是1: 1 冗余设计, 其监控软件由厂家根据DCS硬件“量身定制”, IO模块为可插拔式, 具有维修简单的特性, 因此热控主机部分大多由DCS控制, 而PLC因其模块型号繁多, 多为非冗余设计, 维修难度大, 安全性、可靠性相对差一些, 因此辅网部分多采用PLC控制, 极少有主机部分用PLC控制。
结语
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DCS和PLC作为计算机技术和控制技术结合的产物, 对推动自动化水平的提高有着积极的意义。二者在应用上有着较大的相通性, 从总体趋势来看, 行业决定了各自的发展方向。未来DCS的开放性将逐渐加强, 实现DCS与CLIPS系统的调度层、管理层、决策层 ( 辅助决策层) 无缝连接, 真正实现管控一体化; PLC将朝两方面发展, 一方面向简单、超小型方向发展, 以适应单机控制的“机电一体化”, 另一方面则向大型化、复杂化、多功能、分散型、多层分布式、全自动网络方向发展。
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