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DCS和PLC區別詳解
作者:管理員 來源:本站 發布日期:2018-08-21 點擊次數:910

     在火電廠熱工自動化領域,DCSPLC是兩個完全不同而又有著千絲萬縷聯系的概念。DCSPLC都是計算機技術與工業控制技術相結合的產物,火電廠主機控制系統用的是DCS,而PLC主要應用在電廠輔助車間。DCSPLC都有操作員站提供人機交互的手段、都依靠基于計算機技術的控制器完成控制運算、都通過I/O卡件完成與一次元件和執行裝置的數據交換、都具備稱之為網絡的通信系統。DCSPLC如此相似,為什么會有完全不同的概念,我們在工程實踐中如何進行選擇?本文從歷史沿革、技術特點、發展方向等幾個方面作一綜述,希望能夠對熱工專業人員有所借鑒。其中的DCS的情況以NETWORK6000+為例,力求例舉詳實闡述清晰。

一、DCSPLC的歷史沿革及核心概念

    DCS為分散控制系統的英文(TOTAL DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM)簡稱。指的是危險分散、數據集中。70年代中期進入市場,完成模擬量控制,代替以PID運算為主的模擬控制儀表。首先提出DCS這樣一種思想的是儀表制造廠商,當時主要應用于化工行業。而PLC60年代末研制成功,稱作邏輯運算的可編程序控制器(Programmable Logic Controller),簡稱PLC。主要應用于汽車制造業。

    DCSPLC的設計原理區別較大,PLC是從摸仿原繼電器控制原理發展起來的,70年代的PLC只有開關量邏輯控制。它以存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和運算等操作的指令;并通過數字輸入和輸出操作,來控制各類機械或生產過程。用戶編制的控制程序表達了生產過程的工藝要求。將其存入PLC的用戶程序存儲器,運行時按存儲程序的內容逐條執行,以完成工藝流程要求的操作。

    DCS是在運算放大器的基礎上得以發展的。把所有的函數、各過程變量之間的關系都設計成功能塊。70年代中期的DCS只有模擬量控制。

    DCSPLC控制器的主要差別是在開關量和模擬量的運算上,即使后來兩者相互有些滲透,但是仍然有區別。80年代以后,PLC除邏輯運算外,也增加了一些控制回路算法,但要完成一些復雜運算還是比較困難,PLC用梯形圖編程,模擬量的運算在編程時不太直觀,編程比較麻煩。但在解算邏輯方面,表現出快速的優點。而DCS使用功能塊封裝模擬運算和邏輯運算,無論是邏輯運算還是復雜模擬運算的表達形式都非常清晰,但相對PLC來說邏輯運算的表達效率較低。

    DCSPLC在歷史沿革上的差異是明顯的,對它們后續的發展產生了重大影響。然而,對后續發展影響最大的,并不是起源技術上的差別,而是其起源概念的差別。DCS的核心概念是危險分散,數據集中的計算機控制系統,因此DCS的發展過程,就是在不斷的運用計算機技術、通訊技術和控制技術的最新成果,來構建一個完整的集散控制體系,DCS給用戶提供的是一個完整的面向工業控制的安全可靠高效靈活的解決方案。而PLC的核心概念是可編程序控制器,目的是用來取代繼電器,執行邏輯、計時、計數等順序控制功能,建立柔性程序控制裝置。所以,PLC不斷發展的主線是在不斷地提高各項能力指標,給用戶提供一個完善的功能靈活的控制裝置。

    DCS是一個體系,PLC是一個裝置,這是兩者在概念上的根本區別。這個區別的影響是深刻,它滲透到了技術經濟的每一個方面。

二、DCSPLC的技術特點與相互滲透

    不同的概念基礎、不同的發展道路使得DCSPLC有著各自不同的技術特點,而技術的發展也不是封閉的,相互學習相互滲透也始終貫穿在發展過程之中。

2.1、控制處理能力

    我們知道,一個PLC的控制器,往往能夠處理幾千個I/O(最多可達8000多個I/O)。而DCS的控制器,一般只能處理幾百個I/O(不超過500I/O)。難道是DCS開發人員技術水平太差了嗎?恐怕不是。從集散體系的要求來說,不允許有控制集中的情況出現,太多點數的控制器在實際應用中是毫無用處的,DCS開發人員根本就沒有開發帶很多I/O點數控制器的需要驅動,他們的主要精力在于提供體系的可靠性和靈活性。而PLC不一樣,作為一個獨立的柔性控制裝置,帶點能力越強當然也就代表其技術水平越高了,至于整個控制體系的應用水平呢,這主要是工程商和用戶的事情,而不是PLC制造商的核心目標。 控制處理能力的另一個指標,運算速度,在人們印象當中PLC也比DCS要快很多。從某一個角度來看,情況也的確如此,PLC執行邏輯運算的效率很高,執行1K邏輯程序不到1毫秒,其控制周期(DI輸入直接送DO輸出為例)可以控制在50ms以內;而DCS在處理邏輯運算和模擬運算時采用相同的方式,其控制周期往往在100ms以上。我們用PID算法來比較時,可以發現PLC執行一個PID運算在幾個毫秒,而NETWORK6000+DCST2550控制器解算一個PID也需要1個毫秒,這說明PLCDCS和實際運算能力是相當的,某此型號的DCS控制器甚至更強。而控制周期上的差異主要與控制器的調度設計有關。大型PLC往往使用副CPU來完成模擬量的運算,主CPU高速地完成開關量運算,所以即使模擬運算速度一般,在開關量控制方面的速度表現還是非常優秀的。而DCS以同樣的速度來處理開關量和模擬量運算,控制周期的指標確實不理想。新型的DCS控制器學習了大型PLC的設計,在控制周期方面的表現獲得了大幅度的提高。以NETWORK6000+DCST2550控制器為例??刂破骺梢栽O置四個不同優先級的任務,最小運算周期可以設為10ms,配合高速I/O卡件,控制周期能夠達到15~20ms。而模擬量運算設置在其它周期較長的任務中。 

2.2、數據通訊交換

    數據通訊交換主要是指控制系統網絡及其數據交換形式。在這個方面DCS有著先天的優勢。集散系統的“分散”主要體現在獨立的控制器上,“集中”主要體現在具有完整數據的人機交互裝置上,而將分散和集中連接成集散系統的正是網絡。因此,從DCS發展的早期,網絡就成為了DCS生產廠家的核心技術方向,冗余技術、窄帶傳輸技術都是DCS廠家最早研發或應用成功的。PLC主要是按照獨立裝置來設計的,其 “網絡”實際上是串行通訊。 工業以太網技術的發展和廣泛應用,從形式上拉平了DCSPLC網絡方面的差距。從表面上看很多DCSPLC都應用了工業以太網,但是其實質上的差距卻依然存在。以很多PLC采用的MODBUS-TCP以例。MODBUS是串行通訊協議,不是網絡,大家都沒有疑問;MODBUS-TCP是網絡嗎?很多人就有疑問了。仔細分析,MODBUS-TCP是將MODBUS通訊協議加載到以太網的TCP協議之上的一種通訊方式,它雖然具有了網絡的外形,但依然是一主多從的管理方式,數據表的傳輸結構。而DCS呢,以網絡6000+DCSELIN網為例,雖然也是基于工業以太網的,但其應用層協議是歐陸公司積累了近30年的無主令牌LIN網協議,在1MOLIN,2.5M20MARCNET上都有長期成功的應用。ELIN網上,各站平等,不存在主要管理站。而且數據通訊是以模塊為單位的結構化數據,數據管理能力非數據表方式可比。 PID模塊為例,其中的基本數據有PV、SP、OP,采用數據表的傳輸方式,你必須先定義PV、SP、OP的數據地址為01、02、03,其它的站也以數據表的方式接收數據,但是01是什么數據?02是什么數據?必須通過數據定義表才能還原。數據表的管理方式煩瑣易錯,一個大型系統的上萬點數據采用這個方式,平鋪在數據表中進行管理,是非??膳碌?。而NETWORK6000+DCS以模塊為單位的結構化管理,將一個PID作為一個模塊進行處理,要訪問其PV值,首先訪問其模塊,以PID.PV的形式來管理。這就將所有平鋪的數據,分類歸屬集中到一個個小盒子中,按模塊.分量的方式進行管理,管理的效率大大提高。 PLC數據通訊交換的問題,主要源于PLC長期以來做為一個獨立裝置在發展,沒有系統概念;而且主要應用在小型控制系統中,問題暴露得并不明顯,所以發展較慢。目前也有一些大型PLC在這個方面有所提高,但是要達到DCS的水平還需要一個相當長的過程。

2.3、組態維護功能

    組態維護功能包括邏輯組態、下載修改、運行調試、遠程診斷等。早期,PLC以梯形圖為主,DCS以模塊功能圖為主。經過多年的發展,國際電工委員會通過IEC1131-3標準規定了五種編程語言,目前主流的DCSPLC都表示符合這個標準,支持其中的幾種或全部編程語言。從開發效率和程序可讀性來考慮,模塊功能圖和順序功能圖越來越成為主要的編程方式,梯形邏輯和結構化文本成為了自定義模塊的開發工具。大型PLC在組態方式上越來越像DCS,差距在逐漸縮小,而小型PLC仍然以梯形圖為主。 DCS經過多年的發展,積累了大量的高級算法模塊。例如NETWORK6000+具有的設備級模塊,在一個模塊中集中完成了面向設備的基本控制和故障報警功能,在網絡通訊中也已此模塊為單位進行傳遞,大大提高了軟件開發的效率。一個設備極模塊相當于0.5K的梯形圖邏輯量,PLC要完成同樣的功能,就要煩瑣得多了。 在下載修改、運行調試、遠程診斷方面,PLC缺乏解決方案。而DCS從一設計之初就是從系統需要的角度出發的,有著多年積累的完善的解決方案。以NETWORK6000+DCS為例,系統既可以在線修改控制策略,也可以在線下載控制策略,修改和下載過程中,對系統的正常運行沒有影響。NETWORK6000+DCS有完善的虛擬DCS功能,不但可以用于組態邏輯的驗證,而且能夠構建成完整的虛擬DCS與模型相連,完成系統的仿真調試。NETWORK6000+DCS具有完善的安全措施,提供基于廣域網的遠程調試方案。

2.4、硬件封裝結構

    PLC一般為大底版式機架,封閉式I/O模件,封閉式結構有利與提高I/O模件的可靠性,抗射頻、抗靜電、抗損傷。PLC模件的I/O點數有8點、16點、32點。 DCS大部分為19英寸標準機箱加插件式I/O模件,I/O模件為裸露式結構。每個模件的I/O點數有8點和16點,很少使用32點模件。 DCS的這種結構源于其使用領域主要在大型控制對象,19英寸標準機箱便于密集布置,較少的I/O點數則是由于對分散度的要求。PLC的大底版式機架,封閉式模件結構在管理和配置上更加靈活,單個設備的可靠性更高。因此,不少DCS也吸收了PLC在結構上的優點,采用了和PLC相似的封裝結構,如I/A采用金屬外殼, NETWORK-6000+采用導電塑料外殼。

2.5、人機交互裝置

    在早期,DCS作為一個系統,其人機交互裝置是DCS廠家提供的專用裝置。而PLC廠家一般不提供人機交互裝置,往往由工程商自主采用通用的監控軟件來完成(ifix、intouch、組態王)。DCS集成的人機交互裝置往往有著功能較專業、穩定性較好的特點,但是其價格也很高。隨著PC技術的快速發展,一些通用監控軟件發展很快,功能和性能逐漸超過了DCS廠家提供的專用裝置。因此不少DCS廠家逐步放棄了專用的人機交互裝置,轉而和PLC一樣也使用了通用的監控軟件。DCS廠家使用通用監控軟件并不是簡單地拼裝,而是在通用監控軟件的基礎上,通過合作開發,將自已多年積累的網絡通訊技術、系統自診斷技術以專用軟件包的形式保留和繼承下來了。例如,NETWORK-6000+早期曾經使用過基于專用操作系統的T1000人機交互系統,而目前主要使用基于FIX/IFIXINTOUCHT3500人機交互系統。其中的LINPOLL網絡通訊包是由歐陸公司開發集成的。

三、DCSPLC的市場情況和發展方向

    在熱工自動化領域,主廠房控制系統基本上毫無例外地使用DCS。而在輔助車間才使用PLC。其主要原因是早期的DCS系統非常昂貴,人們認為輔助車間的運行可以間斷,可靠性要求不是很高,且模擬量控制要求較少,從降低成本的角度出發,往往選擇PLC來構建控制系統。而鍋爐、汽機和發電機的控制系統,要求長期穩定可靠地運行,信號中含有相當比例的模擬量,從系統的性能出發,人們不得不選擇了昂貴的DCS。 另外,分析一下主廠房DCS和輔助車間控制系統的市場競爭情況,我們會發現一個有趣的現象。主廠房DCS的競爭往往在不同品牌的供應商或代理商之間展開,競爭激烈,DCS的價格不斷下調。而輔助車間控制系統的競爭往往在同一品牌PLC的各個工程商之間進行,門檻較低,競爭更加激烈,但是PLC的價格下調幅度卻并不如DCS明顯。主要原因是DCS的生產商直接參與競爭,在巨大的市場壓力下,不斷下調設備制造費用和工程實施費用。而PLC的生產商不直接參與競爭,各個工程商只能下調自身有限的工程費用,空間有限。從現在情況看來,DCS與高檔PLC的價格差距已不明顯,輔助車間仍然較多地采用 PLC,是市場的慣性使然。 隨著國內電廠裝機容量的不斷擴大及電力系統改革的推進,對輔助車間控制的要求也不斷提高,在這個大環境,DCS系統進入輔助車間控制已成為趨勢。NETWORK6000+DCS因其綜合的技術經濟優勢,已經并將繼續在輔助車間控制方面發揮越來越大的作用。在輔助車間應用廣泛的PLC也并不會就此退出熱工自動化的歷史舞臺,前所未有的競爭壓力,將會促使PLC廠商在技術上向DCS標準靠攏,在價格上作出更大的努力。 市場競爭的結果,將使用戶獲獲得更大的利益。

四、結論

    DCSPLC作為計算機技術和控制技術結合的產物,為火電廠熱工自動化水平的提高都作出了各自的貢獻。由于兩者在應用上有較大的相通性,在不同的時期,其各自的技術或價格優勢,都會直接影響到其市場地位。而市場的反應也會或快或慢地反映到各自的技術發展和價格調整上。從總的趨勢來看,DCSPLC在技術上的融合和促進將會是競爭的主流,而在性價比方面,你來我往地不斷攀升,也將是發展的主旋律。 

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