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調(diào)節(jié)閥的控制系統(tǒng)之DCS、PLC、組態(tài)軟件的區(qū)別與聯(lián)系

調(diào)節(jié)閥是自動(dòng)化控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件，邏輯執(zhí)行的過(guò)程是靠DCS、PLC或者組態(tài)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，本文介紹的是DCS、PLC、組態(tài)軟件的區(qū)別與聯(lián)系，上海川滬閥門(mén)流體控制專家！

DCS（Distributed Contorl System）,集散控制系統(tǒng)，又稱分布式控制系統(tǒng)。
PLC（Program Logic Control ）,可編程邏輯控制器。
FCS（FieldBus Contorl Syestem），現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) 。

一、DCS和PLC 之間的不同

1、發(fā)展的方面

? ? ?DCS從傳統(tǒng)的儀表盤(pán)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)。因此，DCS從先天性來(lái)說(shuō)較為側(cè)重儀表的控制，比如使用的YOKOGAWA CS3000 DCS系統(tǒng)甚至沒(méi)有PID數(shù)量的限制（PID，比例微分積分算法，是調(diào)節(jié)閥、變頻器閉環(huán)控制的標(biāo)準(zhǔn)算法，通常PID的數(shù)量決定了可以使用的調(diào)節(jié)閥數(shù)量）。
? ? ?PLC從傳統(tǒng)的繼電器回路發(fā)展而來(lái)，初的PLC甚至沒(méi)有模擬量的處理能力，因此，PLC從開(kāi)始就強(qiáng)調(diào)的是邏輯運(yùn)算能力。

2、系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和兼容性

? ? 對(duì)于PLC系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一般沒(méi)有或很少有擴(kuò)展的需求，因?yàn)镻LC系統(tǒng)一般針對(duì)于設(shè)備來(lái)使用。一般來(lái)講，PLC也很少有兼容性的要求，比如兩個(gè)或以上的系統(tǒng)要求資源共享，對(duì)PLC來(lái)講也是很困難的事，而且PLC一般都采用專用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。?
? ? ? DCS在發(fā)展的過(guò)程中也是各廠家自成體系，但大部分的DCS系統(tǒng)，比如橫河YOKOGAWA、霍尼維爾、ABB等等，雖說(shuō)系統(tǒng)內(nèi)部（過(guò)程級(jí)）的通訊協(xié)議不盡相同，但操作級(jí)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)不約而同的選擇了以太網(wǎng)絡(luò)，采用標(biāo)準(zhǔn)或變形的TCP/IP協(xié)議。這樣就提供了很方便的可擴(kuò)展能力。在這種網(wǎng)絡(luò)中，控制器、計(jì)算機(jī)均作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)存在，只要網(wǎng)絡(luò)到達(dá)的地方，就可以隨意增減節(jié)點(diǎn)數(shù)量和布置節(jié)點(diǎn)位置。另外，基于windows系統(tǒng)的OPC、DDE等開(kāi)放協(xié)議，各系統(tǒng)也可很方便的通訊，以實(shí)現(xiàn)資源共享。

3、數(shù)據(jù)庫(kù)

? ? DCS一般都提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)。換句話說(shuō)，在DCS系統(tǒng)中一旦一個(gè)數(shù)據(jù)存在于數(shù)據(jù)庫(kù)中，就可在任何情況下引用，比如在組態(tài)軟件中，在監(jiān)控軟件中，在趨勢(shì)圖中，在報(bào)表中……。
? ? 而PLC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)通常都不是統(tǒng)一的，組態(tài)軟件和監(jiān)控軟件甚至歸檔軟件都有自己的數(shù)據(jù)庫(kù)。為什么常說(shuō)西門(mén)子的S7 400要到了414以上才稱為DCS？因?yàn)槲鏖T(mén)子的PCS7系統(tǒng)才使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)，而PCS7要求控制器起碼到S7 414-3以上的型號(hào)。

4、時(shí)間調(diào)度

? ? PLC的程序一般不能按事先設(shè)定的循環(huán)周期運(yùn)行。PLC程序是從頭到尾執(zhí)行一次后又從頭開(kāi)始執(zhí)行。?
? ?而DCS可以設(shè)定任務(wù)周期。比如，快速任務(wù)等。同樣是傳感器的采樣，壓力傳感器的變化時(shí)間很短，我們可以用200ms的任務(wù)周期采樣，而溫度傳感器的滯后時(shí)間很大，我們可以用2s的任務(wù)周期采樣。這樣，DCS可以合理的調(diào)度控制器的資源。

5、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

? ? ?一般來(lái)講，DCS慣常使用兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，一層為過(guò)程級(jí)網(wǎng)絡(luò)，大部分DCS使用自己的總線協(xié)議，比如橫河的Modbus、西門(mén)子和ABB的Profibus、ABB的 CAN bus等，這些協(xié)議均建立在標(biāo)準(zhǔn)串口傳輸協(xié)議RS232或RS485協(xié)議的基礎(chǔ)上?，F(xiàn)場(chǎng)IO模塊，特別是模擬量的采樣數(shù)據(jù)（機(jī)器代碼，213/掃描周期）十分龐大，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)干擾因素較多，因此應(yīng)該采用數(shù)據(jù)吞吐量大、抗干擾能力強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。基于RS485串口異步通訊方式的總線結(jié)構(gòu)，符合現(xiàn)場(chǎng)通訊的要求。?
? ? IO的采樣數(shù)據(jù)經(jīng)CPU轉(zhuǎn)換后變?yōu)檎螖?shù)據(jù)或?qū)嵭螖?shù)據(jù)，在操作級(jí)網(wǎng)絡(luò)（第二層網(wǎng)絡(luò)）上傳輸。因此操作級(jí)網(wǎng)絡(luò)可以采用數(shù)據(jù)吞吐量適中、傳輸速度快、連接方便的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)因操作級(jí)網(wǎng)絡(luò)一般布置在控制室內(nèi)，對(duì)抗干擾的要求相對(duì)較低。因此采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)是佳選擇。TCP/IP協(xié)議是一種標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議，一般我們采用100Mbit/s的通訊速度。
? ? ? PLC系統(tǒng)的工作任務(wù)相對(duì)簡(jiǎn)單，因此需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量一般不會(huì)太大，所以常見(jiàn)的PLC系統(tǒng)為一層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。過(guò)程級(jí)網(wǎng)絡(luò)和操作級(jí)網(wǎng)絡(luò)要么合并在一起，要不過(guò)程級(jí)網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化成模件之間的內(nèi)部連接。PLC不會(huì)或很少使用以太網(wǎng)。

6、應(yīng)用對(duì)象的規(guī)模

? ? ?PLC一般應(yīng)用在小型自控場(chǎng)所，比如設(shè)備的控制或少量的模擬量的控制及聯(lián)鎖，而大型的應(yīng)用一般都是DCS。當(dāng)然，這個(gè)概念不太準(zhǔn)確，但很直觀，習(xí)慣上我們把大于600點(diǎn)的系統(tǒng)稱為DCS，小于這個(gè)規(guī)模叫做PLC。?


? ?二、DCS和PLC?相同（似）之處?

1、功能

? ? PLC已經(jīng)具備了模擬量的控制功能，有的PLC系統(tǒng)模擬量處理能力甚至還相當(dāng)強(qiáng)大，比如橫河FA-MA3、西門(mén)子的S7 400、ABB 的Control Logix 和施耐德的Quantum系統(tǒng)。而DCS也具備相當(dāng)強(qiáng)勁的邏輯處理能力，比如我們?cè)贑S3000上實(shí)現(xiàn)了一切我們可能使用的工藝聯(lián)鎖和設(shè)備的聯(lián)動(dòng)啟停。

2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

? ? PLC與DCS的基本結(jié)構(gòu)是一樣的。PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)全面移植到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制上了，傳統(tǒng)的編程器早就被淘汰。小型應(yīng)用的PLC一般使用觸摸屏，大規(guī)模應(yīng)用的PLC全面使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。和DCS一樣，控制器與IO站使用現(xiàn)場(chǎng)總線（一般都是基于RS485或RS232異步串口通訊協(xié)議的總線方式），控制器與計(jì)算機(jī)之間如果沒(méi)有擴(kuò)展的要求，也就是說(shuō)只使用一臺(tái)計(jì)算機(jī)的情況下，也會(huì)使用這個(gè)總線通訊。但如果有不止一臺(tái)的計(jì)算機(jī)使用，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就會(huì)和DCS一樣，上位機(jī)平臺(tái)使用以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。這是PLC大型化后和DCS概念模糊的原因之一。

3、PLC和DCS的發(fā)展方向:

? ? 小型化的PLC將向更專業(yè)化的使用角度發(fā)展，比如功能更加有針對(duì)性、對(duì)應(yīng)用的環(huán)境更有針對(duì)性等等。大型的PLC與DCS的界線逐步淡化，直至完全融和。
? ? DCS將向FCS的方向繼續(xù)發(fā)展。FCS的核心除了控制系統(tǒng)更加分散化以外，特別重要的是儀表。FCS在國(guó)外的應(yīng)用已經(jīng)發(fā)展到儀表級(jí)?？刂葡到y(tǒng)需要處理的只是信號(hào)采集和提供人機(jī)界面以及邏輯控制，整個(gè)模擬量的控制分散到現(xiàn)場(chǎng)儀表，儀表與控制系統(tǒng)之間無(wú)需傳統(tǒng)電纜連接，使用現(xiàn)場(chǎng)總線連接整個(gè)儀表系統(tǒng)。(目前國(guó)內(nèi)有橫河在中海殼牌石化項(xiàng)目中用到了FCS,儀表級(jí)采用的是智能化儀表例如:EJX等，具備世界先進(jìn)的控制水準(zhǔn))。


三、DCS控制系統(tǒng)與PLC控制區(qū)別

1.、DCS是一種“分散式控制系統(tǒng)”，而PLC只是一種(可編程控制器)控制“裝置”，兩者是“系統(tǒng)”與“裝置”的區(qū)別。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)任何裝置的功 ? ? ? 能與協(xié)調(diào),PLC裝置只實(shí)現(xiàn)本單元所具備的功能.

2.、在網(wǎng)絡(luò)方面,DCS網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，和利時(shí)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)，采用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)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(kāi)放性更好。
? ? ? ?而PLC因?yàn)榛旧隙紴閭€(gè)體工作，其在與別的PLC或上位機(jī)進(jìn)行通訊時(shí)，所采用的網(wǎng)絡(luò)形式基本都是單網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

3.、DCS整體考慮方案，操作員站都具備工程師站功能，站與站之間在運(yùn)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、任何被控裝置間都是相互連鎖控制， 協(xié)調(diào)控制。
? ? ? 而單用PLC互相連接構(gòu)成的系統(tǒng)，其站與站（PLC與PLC）之間的聯(lián)系則是一種松散連接方式。

4.、DCS在整個(gè)設(shè)計(jì)上就留有大量的可擴(kuò)展性接口，外接系統(tǒng)或擴(kuò)展系統(tǒng)都十分方便，PLC所搭接的整個(gè)系統(tǒng)完成后，想隨意的增加或減少操作員站都是很難實(shí)現(xiàn)的。

5.、DCS安全性：為保證DCS控制的設(shè)備的安全可靠，DCS采用了雙冗余的控制單元，當(dāng)重要控制單元出現(xiàn)故障時(shí)，都會(huì)有相關(guān)的冗余單 ? ? ?元實(shí)時(shí)無(wú)擾的切換為工作單元，保證整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠。
? ? ? PLC所搭接的系統(tǒng)基本沒(méi)有冗余的概念，就更談不上冗余控制策略。特別是當(dāng)其某個(gè)PLC單元發(fā)生故障時(shí)，不得不將整個(gè)系統(tǒng)停下來(lái)，才能進(jìn)行更換維護(hù)并需重新編程。所以DCS系統(tǒng)要比其安全可靠性上高一個(gè)等級(jí)。

6.、系統(tǒng)軟件，對(duì)各種工藝控制方案更新是DCS的一項(xiàng)基本的功能，當(dāng)某個(gè)方案發(fā)生變化后，工程師只需要在工程師站上將更改過(guò)的方 ? ? ? 案編譯后，執(zhí)行下裝命令就可以了，下裝過(guò)程是由系統(tǒng)自動(dòng)完成的，不影響原控制方案運(yùn)行。系統(tǒng)各種控制軟件與算法可以將工藝要求 控制對(duì)象控制精度提高。
? ? ? ?而對(duì)于PLC構(gòu)成的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，工作量極其龐大，首先需要確定所要編輯更新的是哪個(gè)PLC，然后要用與之對(duì)應(yīng)的編譯器進(jìn)行程序編譯，后再用專用的機(jī)器（讀寫(xiě)器）專門(mén)一對(duì)一的將程序傳送給這個(gè)PLC，在系統(tǒng)調(diào)試期間，大量增加調(diào)試時(shí)間和調(diào)試成本，而且極其不利于日后的維護(hù)。在控制精度上相差甚遠(yuǎn)。這就決定了為什么在大中型控制項(xiàng)目中（500點(diǎn)以上），基本不采用全部由PLC所連接而成的系統(tǒng)的原因。

7、 模塊：DCS系統(tǒng)所有I/O模塊都帶有CPU，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采集及輸出信號(hào)品質(zhì)判斷與標(biāo)量變換，故障帶電插拔，隨機(jī)更換。
? ? ? 而PLC模塊只是簡(jiǎn)單電氣轉(zhuǎn)換單元，沒(méi)有智能芯片，故障后相應(yīng)單元全部癱瘓。?

? ???四、DCS和PLC控制方式的不同

1、面向?qū)ο蟛煌篜LC面向一般工控制領(lǐng)域，通用性強(qiáng)。DCS偏重過(guò)程控制，用于化工行業(yè)。

2、DCS強(qiáng)調(diào)連續(xù)過(guò)程控制的精度，可實(shí)現(xiàn)PID、前饋、串級(jí)、多級(jí)、模糊、自適應(yīng)等復(fù)雜控制，一般PLC僅具有PID功能，控制精度不如DCS高。

3、DCS系統(tǒng)具有功能強(qiáng)大的SCAND軟件包，具有配方功能，并針對(duì)不同行開(kāi)發(fā)了專家軟件（化工工藝參數(shù)配置和控制算法），比PLC應(yīng)用方便。

? ? 需要說(shuō)的是，現(xiàn)代PLC已經(jīng)能夠完成DCS的絕大部分功能，并能做冗余或熱備，模塊也可以帶電插拔。選用PLC還是DCS關(guān)鍵看面向的對(duì)象是什么。經(jīng)濟(jì)、可靠、便捷才是重要的。


? ? 五、 組態(tài)軟件（組態(tài)監(jiān)控軟件系統(tǒng)軟件）

? ? ? ?譯自英文SCADA，即 Supervisory Control and Data Acquisition（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）。是指一些數(shù)據(jù)采集與過(guò)程控制的專用軟件。它們處在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。?其預(yù)設(shè)置的各種軟件模塊，可以非常容易地實(shí)現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項(xiàng)功能，并能同時(shí)支持各種硬件廠家的計(jì)算機(jī)和I/O產(chǎn)品，與高可靠的工控計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)合，可向控制層和管理層提供軟硬件的全部接口，進(jìn)行系統(tǒng)集成。

 

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