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核心提示：在工業(yè)過程控制中的三大控制系統(tǒng),分別是PLC、DCS、FCS。
三大工業(yè)控制系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別 了解PLC、DCS、FCS
隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展,相繼出現(xiàn)了集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng), 一些行業(yè)當中有的人認為FCS 是由PLC發(fā)展而來的;另一些行業(yè)的人認為FCS又是由DCS發(fā)展而來的。FCS與 PLC及DCS之間既有密不可分的關(guān)聯(lián), 又存在著本質(zhì)的區(qū)別。
在工業(yè)過程控制中的三大控制系統(tǒng),分別是PLC、DCS、FCS。
PLC控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng),專為工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計。它采用一類可編程的存儲器,用于其內(nèi)部存儲程序、執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令,并通過數(shù)字式或模擬式輸入或輸出,控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。
DCS集散控制系統(tǒng)，又叫計算機分布式控制系統(tǒng),它是20世紀70年代中期迅速發(fā)展起來的,它把控制技術(shù)、計算機技術(shù)、圖像顯示技術(shù) 以及通信技術(shù)結(jié)合起來,也稱作4C技術(shù)，實現(xiàn)了對生產(chǎn)過程的監(jiān)視、控制和管理。它既打破了常規(guī)控制儀表功能的局限性,又較好的解決了早期計算機系統(tǒng)對于信息、管理和控制作用過于集中帶來的危險性。
FCS 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的核心是總線協(xié)議,基礎(chǔ)是數(shù)字智能現(xiàn)場設(shè)備,本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場化。
大型 PLC 構(gòu)成的過程控制系統(tǒng)的基本特點
(1) 從上到下的結(jié)構(gòu),PLC 既可以作為獨立的 DCS, 也可以作為DCS的子系統(tǒng)。(2) PID 放在控制站中,可實現(xiàn)連續(xù) PID 控制等各種功能。
(3) 可用一臺 PC 為主站,多臺同類型 PLC為從站; 也可用一臺 PLC 為主站,多臺同類型 PLC 為從站, 構(gòu)成PLC網(wǎng)絡(luò)。
(4) 主要用于工控中的順序控制,新型PLC也兼有閉環(huán)控制功能。
DCS控制系統(tǒng)的基本特點
(1) 從上到下的樹狀系統(tǒng),其中通信是關(guān)鍵。
(2) PID在中斷站中,中斷站聯(lián)結(jié)計算機與現(xiàn)場儀器 儀表與控制裝。
(3) 是樹狀拓撲和并行連續(xù)的鏈路結(jié)構(gòu),有大量電纜從中繼站并行到現(xiàn)場儀器儀表。
(4) 信號系統(tǒng)包括開關(guān)量信號和模擬信號。
(5) DCS是控制(工程師站)、操作(操作員站)、現(xiàn)場 儀表(現(xiàn)場測控站)的三級結(jié)構(gòu)。
FCS 控制系統(tǒng)的基本特點
(1)FCS是3C技術(shù)的融合。它適用于本質(zhì)安全、危險區(qū)域、易變過程、難于對付的非常環(huán)境。
(2) 現(xiàn)場設(shè)備高度智能化,提供全數(shù)字信號;一條總線連接所有的設(shè)備。
(3) 從控制室到現(xiàn)場設(shè)備的雙向數(shù)字通信總線,是互聯(lián)的、雙向的、串行多節(jié)點、開放的數(shù)字通信系統(tǒng)取 代單向的、單點、并行、封閉的模擬系統(tǒng)。
(4) 控制功能徹底分散。
DCS控制系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)的比較
DCS是一種“分散式控制系統(tǒng)”,而 PLC 只是一 種控制“裝置”,兩者是“系統(tǒng)”與“裝 置”的區(qū)別。系統(tǒng)可以實現(xiàn)任何裝置的功能與協(xié)調(diào), PLC 裝置只實現(xiàn)本單元所具備的功能。網(wǎng)絡(luò)方面, 網(wǎng)絡(luò)是控制系統(tǒng)的中樞神經(jīng)。
DCS 系統(tǒng)如 HOLLiAS MACS 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò),由上至下分為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)兩個層次,系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)現(xiàn)場控制站與 系統(tǒng)操作員站的互連,控制網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)現(xiàn)場控制站與智能 I/O 單元的通訊,信息傳輸實時可靠。
而 PLC 因為基本上都為個體工作,其在與別的 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)。在網(wǎng)絡(luò)安全上,PLC 沒有很好的保護措施。
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,PLC 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。DCS 安全性為保證 DCS 控制設(shè)備的安全可靠, DCS 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的切換為工作單 元,保證整個系統(tǒng)的安全可靠。
PLC 所搭接的系統(tǒng)基本沒有冗余的概念,就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)要比PLC安全可靠性上高一個等級。DCS 與 PLC 硬件可靠性差不多。PLC 的優(yōu)勢在于軟件方面，PLC 采用的是順序掃描機制,PLC 在高速的順序控制中占主導(dǎo)地位。PLC的循環(huán)周期在10ms 秒左右, 而DCS 控制站在500ms 左右。
DCS 實現(xiàn)順序聯(lián)鎖功能 相對于PLC來講是弱勢,且邏輯執(zhí)行速度不如 PLC。相對而言,PLC 構(gòu)成的系統(tǒng)成本更低。DCS 的現(xiàn)場控制站層通常采用集中式控制,盡管支持遠程分布式 I/O,但由于成本原因,很少采用。而PLC 基于現(xiàn)場總線的遠程分 布式 I/O 體積小更靈活易用,能有效地節(jié)省接線成本。
FCS控制系統(tǒng)與DCS控制系統(tǒng)的比較
可以說FCS 兼?zhèn)淞薉CS 與 PLC的特點,而且跨出 了革命性的一步。
1) FCS是全開放的系統(tǒng),其技術(shù)標準也是全開放的, FCS 的現(xiàn)場設(shè)備具有互操作性,裝置互相兼容,因此用戶 可以選擇不同廠商、不同品牌的產(chǎn)品,達到最佳的系統(tǒng)集成;DCS 系統(tǒng)是封閉的,各廠家的產(chǎn)品互不兼容。
2) FCS 的信號傳輸實現(xiàn)了全數(shù)字化,其通信可以從最底層的傳感器和執(zhí)行器直到最高層,為企業(yè)的MES 和 ERP 提供強有力的支持,更重要的是它還可以對現(xiàn)場裝 置進行遠程診斷、維護和組態(tài);DCS 的通信功能受到很 大限制,雖然它也可以連接到 Internet,但它連不到底 層, 它提供的信息量也是有限的, 它不能對現(xiàn)場設(shè)備進 行遠程操作。
3）FCS 的結(jié)構(gòu)為全分散式,它廢棄了 DCS 中的 I /O 單元和控制站,把控制功能下放到現(xiàn)場設(shè)備,實現(xiàn)了徹底的分散,系統(tǒng)擴展也變得十分容易;DCS 的分散只是到控制器一級, 它強調(diào)控制器的功能, 數(shù)據(jù)公路更是其關(guān)鍵。
4) FCS 的全數(shù)字化,控制系統(tǒng)精度高,可以達到土0.1％;而DCS 的信號系統(tǒng)是二進制或模擬式的,必須有A /D 、D/ A環(huán)節(jié), 所以其控制精度為土 0.5 ％。
5) FCS 可以將PID閉環(huán)功能放到現(xiàn)場的變送器或執(zhí)行器中,加上數(shù)字通信,所以縮短了采樣和控制周期, 目前可以從 DCS 的每秒2-5次,提高到每秒10-20 次,從而改善了調(diào)節(jié)性能。
6) 由于 FCS 省去了大量的硬件設(shè)備、電纜和電纜安裝輔助設(shè)備, 節(jié)約了大量的安裝和調(diào)試費用, 所以它的造價要遠低于DCS。
FCS是一個開放的、完全分布式的、智能控制的系統(tǒng)。但傳統(tǒng)DCS、PLC系統(tǒng)已經(jīng)被使用了幾十年來,發(fā)展成為一個實用型的、可靠性高的系統(tǒng)。隨著它們各自的發(fā)展,都有向?qū)Ψ娇繑n的趨勢。像新型的 DCS 已有很強的順序控制功能;而新型的PLC,在處理閉環(huán)控制方面也不弱，并且兩者都能組成大型控制網(wǎng)絡(luò)。
隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展,相繼出現(xiàn)了集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng), 一些行業(yè)當中有的人認為FCS 是由PLC發(fā)展而來的;另一些行業(yè)的人認為FCS又是由DCS發(fā)展而來的。FCS與 PLC及DCS之間既有密不可分的關(guān)聯(lián), 又存在著本質(zhì)的區(qū)別。
在工業(yè)過程控制中的三大控制系統(tǒng),分別是PLC、DCS、FCS。
PLC控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng),專為工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計。它采用一類可編程的存儲器,用于其內(nèi)部存儲程序、執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令,并通過數(shù)字式或模擬式輸入或輸出,控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。
DCS集散控制系統(tǒng)，又叫計算機分布式控制系統(tǒng),它是20世紀70年代中期迅速發(fā)展起來的,它把控制技術(shù)、計算機技術(shù)、圖像顯示技術(shù) 以及通信技術(shù)結(jié)合起來,也稱作4C技術(shù)，實現(xiàn)了對生產(chǎn)過程的監(jiān)視、控制和管理。它既打破了常規(guī)控制儀表功能的局限性,又較好的解決了早期計算機系統(tǒng)對于信息、管理和控制作用過于集中帶來的危險性。
FCS 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的核心是總線協(xié)議,基礎(chǔ)是數(shù)字智能現(xiàn)場設(shè)備,本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場化。
大型 PLC 構(gòu)成的過程控制系統(tǒng)的基本特點
(1) 從上到下的結(jié)構(gòu),PLC 既可以作為獨立的 DCS, 也可以作為DCS的子系統(tǒng)。(2) PID 放在控制站中,可實現(xiàn)連續(xù) PID 控制等各種功能。
(3) 可用一臺 PC 為主站,多臺同類型 PLC為從站; 也可用一臺 PLC 為主站,多臺同類型 PLC 為從站, 構(gòu)成PLC網(wǎng)絡(luò)。
(4) 主要用于工控中的順序控制,新型PLC也兼有閉環(huán)控制功能。
DCS控制系統(tǒng)的基本特點
(1) 從上到下的樹狀系統(tǒng),其中通信是關(guān)鍵。
(2) PID在中斷站中,中斷站聯(lián)結(jié)計算機與現(xiàn)場儀器 儀表與控制裝。
(3) 是樹狀拓撲和并行連續(xù)的鏈路結(jié)構(gòu),有大量電纜從中繼站并行到現(xiàn)場儀器儀表。
(4) 信號系統(tǒng)包括開關(guān)量信號和模擬信號。
(5) DCS是控制(工程師站)、操作(操作員站)、現(xiàn)場 儀表(現(xiàn)場測控站)的三級結(jié)構(gòu)。
FCS 控制系統(tǒng)的基本特點
(1)FCS是3C技術(shù)的融合。它適用于本質(zhì)安全、危險區(qū)域、易變過程、難于對付的非常環(huán)境。
(2) 現(xiàn)場設(shè)備高度智能化,提供全數(shù)字信號;一條總線連接所有的設(shè)備。
(3) 從控制室到現(xiàn)場設(shè)備的雙向數(shù)字通信總線,是互聯(lián)的、雙向的、串行多節(jié)點、開放的數(shù)字通信系統(tǒng)取 代單向的、單點、并行、封閉的模擬系統(tǒng)。
(4) 控制功能徹底分散。
DCS控制系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)的比較
DCS是一種“分散式控制系統(tǒng)”,而 PLC 只是一 種控制“裝置”,兩者是“系統(tǒng)”與“裝 置”的區(qū)別。系統(tǒng)可以實現(xiàn)任何裝置的功能與協(xié)調(diào), PLC 裝置只實現(xiàn)本單元所具備的功能。網(wǎng)絡(luò)方面, 網(wǎng)絡(luò)是控制系統(tǒng)的中樞神經(jīng)。
DCS 系統(tǒng)如 HOLLiAS MACS 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò),由上至下分為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)兩個層次,系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)現(xiàn)場控制站與 系統(tǒng)操作員站的互連,控制網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)現(xiàn)場控制站與智能 I/O 單元的通訊,信息傳輸實時可靠。
而 PLC 因為基本上都為個體工作,其在與別的 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)。在網(wǎng)絡(luò)安全上,PLC 沒有很好的保護措施。
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,PLC 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。DCS 安全性為保證 DCS 控制設(shè)備的安全可靠, DCS 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的切換為工作單 元,保證整個系統(tǒng)的安全可靠。
PLC 所搭接的系統(tǒng)基本沒有冗余的概念,就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)要比PLC安全可靠性上高一個等級。DCS 與 PLC 硬件可靠性差不多。PLC 的優(yōu)勢在于軟件方面，PLC 采用的是順序掃描機制,PLC 在高速的順序控制中占主導(dǎo)地位。PLC的循環(huán)周期在10ms 秒左右, 而DCS 控制站在500ms 左右。
DCS 實現(xiàn)順序聯(lián)鎖功能 相對于PLC來講是弱勢,且邏輯執(zhí)行速度不如 PLC。相對而言,PLC 構(gòu)成的系統(tǒng)成本更低。DCS 的現(xiàn)場控制站層通常采用集中式控制,盡管支持遠程分布式 I/O,但由于成本原因,很少采用。而PLC 基于現(xiàn)場總線的遠程分 布式 I/O 體積小更靈活易用,能有效地節(jié)省接線成本。
FCS控制系統(tǒng)與DCS控制系統(tǒng)的比較
可以說FCS 兼?zhèn)淞薉CS 與 PLC的特點,而且跨出 了革命性的一步。
1) FCS是全開放的系統(tǒng),其技術(shù)標準也是全開放的, FCS 的現(xiàn)場設(shè)備具有互操作性,裝置互相兼容,因此用戶 可以選擇不同廠商、不同品牌的產(chǎn)品,達到最佳的系統(tǒng)集成;DCS 系統(tǒng)是封閉的,各廠家的產(chǎn)品互不兼容。
2) FCS 的信號傳輸實現(xiàn)了全數(shù)字化,其通信可以從最底層的傳感器和執(zhí)行器直到最高層,為企業(yè)的MES 和 ERP 提供強有力的支持,更重要的是它還可以對現(xiàn)場裝 置進行遠程診斷、維護和組態(tài);DCS 的通信功能受到很 大限制,雖然它也可以連接到 Internet,但它連不到底 層, 它提供的信息量也是有限的, 它不能對現(xiàn)場設(shè)備進 行遠程操作。
3）FCS 的結(jié)構(gòu)為全分散式,它廢棄了 DCS 中的 I /O 單元和控制站,把控制功能下放到現(xiàn)場設(shè)備,實現(xiàn)了徹底的分散,系統(tǒng)擴展也變得十分容易;DCS 的分散只是到控制器一級, 它強調(diào)控制器的功能, 數(shù)據(jù)公路更是其關(guān)鍵。
4) FCS 的全數(shù)字化,控制系統(tǒng)精度高,可以達到土0.1％;而DCS 的信號系統(tǒng)是二進制或模擬式的,必須有A /D 、D/ A環(huán)節(jié), 所以其控制精度為土 0.5 ％。
5) FCS 可以將PID閉環(huán)功能放到現(xiàn)場的變送器或執(zhí)行器中,加上數(shù)字通信,所以縮短了采樣和控制周期, 目前可以從 DCS 的每秒2-5次,提高到每秒10-20 次,從而改善了調(diào)節(jié)性能。
6) 由于 FCS 省去了大量的硬件設(shè)備、電纜和電纜安裝輔助設(shè)備, 節(jié)約了大量的安裝和調(diào)試費用, 所以它的造價要遠低于DCS。
FCS是一個開放的、完全分布式的、智能控制的系統(tǒng)。但傳統(tǒng)DCS、PLC系統(tǒng)已經(jīng)被使用了幾十年來,發(fā)展成為一個實用型的、可靠性高的系統(tǒng)。隨著它們各自的發(fā)展,都有向?qū)Ψ娇繑n的趨勢。像新型的 DCS 已有很強的順序控制功能;而新型的PLC,在處理閉環(huán)控制方面也不弱，并且兩者都能組成大型控制網(wǎng)絡(luò)。
