PLC是由早期繼電器邏輯控制系統與微機計算機技術(shù)相結合而發(fā)展起來(lái)的，它是以微處理器為主的一種工業(yè)控制儀表，它融計算機技術(shù)、控制技術(shù)和通信技術(shù)于一體，集順序控制、過(guò)程控制和數據處理于一身，可靠性高、功能強大、控制靈活、操作維護簡(jiǎn)單。近幾年來(lái)，可編程序控制器及組成系統在我國冶金、電廠(chǎng)、輕工石化、礦業(yè)、水處理等行業(yè)更是到了廣泛的應用，并取得了一定的經(jīng)濟效益。 

    由于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程是一個(gè)分散系統，因此過(guò)程控制的方式最好是分散進(jìn)行，而監視、操作和最佳化管理應以集中為好。隨著(zhù)工業(yè)生產(chǎn)規模不斷擴大，控制管理的要求不斷提高，過(guò)程參數日益增多，控制回路越加復雜，在70年代中期產(chǎn)生了集散控制系統，他一經(jīng)出現就受到工業(yè)控制界的青睞。DCS是集計算機技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)和圖形顯示技術(shù)于一體的系統。與常規的集中式控制系統相比有如下特點(diǎn)： 

    1、實(shí)現了分散控制。它使得系統控制危險性分散、可靠性高、投資減小、維護方便。 

    2、實(shí)現集中監視、操作和管理。使得管理與現場(chǎng)分離，管理更能綜合化和系統化， 

    3、采用網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)，這是DCS的關(guān)鍵技術(shù)，它使得控制與管理都具實(shí)時(shí)性，并解決系統的擴充與升級問(wèn)題。 

    目前，由于PLC把專(zhuān)用的數據高速公路（HIGHWAY）改成通用的網(wǎng)絡(luò )，并逐步將PLC之間的通信規約靠攏使得PLC有條件和其它各種計算機系統和設備實(shí)現集成，以組成大型的控制系統，這使得PLC系統具備了DCS的形態(tài)，這樣，基于PLC的DCS系統目前在國內外都得到了廣泛的應用。 

    可編程序控制器（PLC）及集散控制系統（DCS）是目前工業(yè)控制領(lǐng)域最廣泛使用的兩種控制技術(shù)，它們各自具有明顯的優(yōu)勢及劣勢，如PLC在高速的順序控制中占主導地位，而DCS則在復雜的過(guò)程控制中占優(yōu)勢；PLC體積小，使用靈活，價(jià)格相對較低，但在通訊功能及管理能力方面不及DCS，DCS雖然通訊及管理能力較強，但體積大，價(jià)格相對較高.在這種情況下，用戶(hù)期望得到一種集PLC與DCS優(yōu)點(diǎn)于一體的控制系統，這種混合式控制系統（以下簡(jiǎn)稱(chēng)HCS）應既能完美地實(shí)現邏輯及順序控制，又能很好地完成過(guò)程控制，同時(shí)還應具有管理功能，且體積小，價(jià)格較低，可靠性高。一些自控設備生產(chǎn)廠(chǎng)商已有產(chǎn)品問(wèn)世，Rockwell公司新近推出的Allen-Bradley（A-B）品牌ProcessLogix過(guò)程控制系統便是其中一例。 

    本文將介紹一種混合式控制系統，既吸取傳統DCS“管理集中，控制分散”的設計精髓，又保留傳統PLC所固有的靈活性及低價(jià)位等優(yōu)點(diǎn)，適用于離散控制、順序控制及連續控制場(chǎng)合，以最低成本來(lái)完成高技術(shù)的自動(dòng)化。 

    一、PLC與DCS比較 

    如果按從弱至強將PLC與DCS的性能劃分為1至10個(gè)等級，則可將它們的對比列于表1 

    表1PLC與DCS的比較 

    比較項目PLC控制DCS控制 

    高速順序控制106 

    復雜過(guò)程控制610 

    硬件可靠性98 

    聯(lián)網(wǎng)和通訊功能48 

    管理能力39 

    系統診斷和報警38 

    早期的PLC以數字量的順序控制為主。隨著(zhù)PLC功能不斷擴充，PLC增加了模擬量控制功能、PID調節功能、通訊聯(lián)網(wǎng)功能及分級控制功能等，在過(guò)去DCS占統治地位的化工、冶金等行業(yè)也可由PLC進(jìn)行控制。但PLC難以組成大型、復雜、綜合的系統，如果過(guò)多的PC企圖通過(guò)網(wǎng)絡(luò )與過(guò)多的PLC通訊，則可能導致瓶頸現象及計時(shí)上的困難。 

    DCS是由模擬儀表控制系統發(fā)展而來(lái)，初期的功能以回路調節為主，之后又加入了順序控制的功能。DCS的設計思想是操作管理集中，控制分散以提高整個(gè)系統的可靠性及管理能力。DCS的上述優(yōu)勢使它在控制系統的高端市場(chǎng)仍占主流。但DCS比PLC價(jià)位高，對一些資金有限的中小型企業(yè)有時(shí)難以承受。 

    本文探討的這種混合式控制系統整合了PLC與DCS的優(yōu)勢，對需要實(shí)現低成本自動(dòng)化（LCA）的場(chǎng)合尤為適用。 

    二、混合式控制系統結構 

    該系統主要以DCS的設計思想為基礎，綜合PLC與DCS的各自?xún)?yōu)勢。它主要由系統網(wǎng)絡(luò )、操作員工作站、中央服務(wù)器、控制器及輸入/輸出（I/O）模塊等部分組成。 

    1、系統網(wǎng)絡(luò ) 

    對DCS而言，系統網(wǎng)絡(luò )是整個(gè)系統的基礎和核心，對整個(gè)系統的實(shí)時(shí)性、可靠性和可擴充性起著(zhù)決定性的作用。對混合式控制系統也是如此。 

    如圖1所示，HCS是分級控制系統，共分兩級：操作管理級及過(guò)程控制級。操作管理級的各項設備——操作員工作站及中央服務(wù)器由N1網(wǎng)連接。N1網(wǎng)是一局域網(wǎng)（LAN），對它的要求是能以較高的速率傳輸大量數據，可選用Ethernet（以太網(wǎng)）或ARCNET。Ethernet采用載波偵聽(tīng)/多路訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議，具有10Mbps及100Mbps的通訊速度，但它不具備實(shí)時(shí)性；ARCNET采用令牌傳輸協(xié)議，具有2.5Mbps的通訊速度，具有好的實(shí)時(shí)性。N1網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )拓樸結構可采用星形、總線(xiàn)形、混合形等?？偩€(xiàn)結構的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)比較成熟，施工相對簡(jiǎn)單，節點(diǎn)的加入或退出也無(wú)需中止網(wǎng)絡(luò )運行，是工業(yè)控制網(wǎng)常用的網(wǎng)絡(luò )結構。N1網(wǎng)的傳輸介質(zhì)可使用雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光纖。 

    N2網(wǎng)將過(guò)程控制級的控制器與控制器、控制器與遠程I/O、遠程I/O與遠程I/O連接起來(lái)，并使之與中央服務(wù)器相連.對N2網(wǎng)的要求是實(shí)時(shí)性，即一旦N2網(wǎng)上某節點(diǎn)發(fā)送數據，則該網(wǎng)絡(luò )上所連接的各節點(diǎn)應能同時(shí)接收到該數據，實(shí)現數據共享。這一點(diǎn)對實(shí)時(shí)性很強的過(guò)程控制十分重要。N2網(wǎng)還具有其它特性，如給網(wǎng)絡(luò )添加新設備不會(huì )造成網(wǎng)絡(luò )通訊擁塞，徹底消除系統瓶頸現象；開(kāi)放式體系結構使它與PLC、智能馬達驅動(dòng)器等其它設備相兼容。 

    A-B的ProcessLogix過(guò)程控制系統N1網(wǎng)采用總線(xiàn)結構的Ethernet，N2網(wǎng)采用A-B自己的ControlNet網(wǎng)絡(luò )，如果采用中繼器，傳輸距離可達30km。 

    2、操作員工作站 

    操作員工作站是HCS與用戶(hù)進(jìn)行信息交換的設備，其主要功能是為運行操作人員提供人機界面，使操作人員及時(shí)全面地了解系統運行情況，并對生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行調節和控制。隨著(zhù)微型計算機性能的不斷提高，操作員工作站可由PC機承擔，由于操作員工作站與中央服務(wù)器通過(guò)局域網(wǎng)相連，所以欲添加一個(gè)操作員工作站十分容易，只要在N1網(wǎng)上增加一個(gè)PC機并讓中央服務(wù)器為新添加的操作員工作站提供客戶(hù)軟件即可。

    3、中央服務(wù)器 

    所有的系統信息、報告及總數據庫由中央服務(wù)器統一管理，以實(shí)現信息集中管理。中央服務(wù)器用WindowsNT為操作系統，配以系統應用軟件，還可與企業(yè)管理系統相連。DCS的組態(tài)功能在HCS中也由中央服務(wù)器提供。工程師可利用中央服務(wù)器的系統應用軟件來(lái)修改或添加控制配置并下載至控制器中。 

    4、控制器 

    控制器為自動(dòng)控制系統中的控制中樞。HCS的控制器與PLC一樣采用了典型的計算機結構，主要包括處理器、內存、I/O接口，外加通訊接口。HCS控制器的框架沿襲了傳統PLC的框架尺寸結構，因而體積比DCS小得多。雖然從尺寸與外形上看，HCS控制器與PLC極其相似，但它絕不是PLC的簡(jiǎn)單翻版。HCS控制器在過(guò)程控制中執行閉環(huán)及順序控制，能勝任DCS所承擔的過(guò)程控制任務(wù)。HCS控制器采用模塊化結構形式，處理器模塊、本地I/O模塊、通訊接口模塊等均插入同一框架中，通過(guò)數據總線(xiàn)相連，實(shí)現“軟接線(xiàn)”，另外，通過(guò)N2網(wǎng)還可擴展遠程I/O模塊。 

    每個(gè)HCS可支持多個(gè)控制器，而每個(gè)控制器又可支持多達上百個(gè)控制回路。這樣由HCS便可組成較大型的控制系統，且控制是分散的。如ProcessLogix控制系統最多可支持16個(gè)控制器，每個(gè)控制器可支持125～150個(gè)控制回路。 

    5、輸入/輸出（I/O）模塊 

    HCS提供了能與工業(yè)現場(chǎng)I/O信號直接相連的各種規格的I/O模塊，如模擬量/數字量、直流/交流、電壓/電流及不同電壓等級的I/O模塊等。這些I/O模塊可與工業(yè)現場(chǎng)的按鈕、變送器、傳感器、電磁閥門(mén)及馬達控制器等設備元件直接相連，使用靈活方便。 

    三、混合式控制系統特點(diǎn) 

    1、分級分散控制，集中管理 

    HCS保留了DCS信息集中，控制分散的優(yōu)勢。系統按功能在垂直方向分為兩級：操作管理級及過(guò)程控制級。各級之間既有分工，又有聯(lián)系，在系統的協(xié)調下運行。同時(shí)，按生產(chǎn)過(guò)程作水平分解，以滿(mǎn)足控制遍布整個(gè)廠(chǎng)區的需要。采用該分散控制結構，將多個(gè)控制器及I/O框架分散后進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，一方面可將生產(chǎn)過(guò)程的全部信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳送至中央服務(wù)器以實(shí)現信息集中，另一方面避免因個(gè)別設備出現故障殃及整個(gè)系統而造成的危險，提高可靠性。 

    2、靈活性高及可擴展性強 

    HCS采用模塊化及積木化的結構形式，用戶(hù)可選擇不同數量、不同規格的單元設備以組成不同要求、不同規模的硬件系統。例如，控制器及其遠程I/O均采用PLC式的模塊結構，用戶(hù)可根據不同應用場(chǎng)合選用不同規格的模塊；整個(gè)系統采用分級分散的網(wǎng)絡(luò )結構形式，使增加或去除某些單元不會(huì )影響整個(gè)系統的性能，這種靈活的組裝方式使系統擴展變得容易，有利于工廠(chǎng)按當前規模配置系統，提高設備的利用效率。 

    3、可靠性高 

    （1）冗余技術(shù) 

    HCS允許用戶(hù)在任何需要的關(guān)鍵部分擴充冗余部件，以免由于某個(gè)部件失效而影響系統運行。如在控制器中加入冗余的處理器，加入冗余的中央服務(wù)器及冗余的傳輸介質(zhì)（如同軸電纜）等。 

    （2）自診斷功能 

    HCS系統軟件可在線(xiàn)監視整個(gè)系統的軟硬件狀態(tài)，一旦發(fā)現異常情況，可立即采取有效措施，以防止故障擴大。 

    （3）斷電保護功能 

    HCS控制器的處理器模塊內裝有鋰電池，以防止掉電而造成數據丟失。 

    四、混合式控制系統的展望 

    1、體積更小、價(jià)格更低、功能更強 

    隨著(zhù)超大規模集成電路技術(shù)的發(fā)展，HCS的控制器將采用更高性能的微處理器作為處理器，使控制功能大大增強；隨著(zhù)安裝布線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，HCS可采用表面安裝及扁平封閉技術(shù)，使HCS的體積更小，價(jià)格更低。 

    2、I/O模塊更豐富多樣 

    由于I/O模塊與工業(yè)現場(chǎng)設備直接相連，所以I/O模塊功能的強弱直接影響系統控制能力。為此，各生產(chǎn)廠(chǎng)商競相研制各種豐富多樣的I/O模塊，如定位控制模塊、CRT模塊、數控模塊、計算模塊、語(yǔ)音處理模塊、模糊模塊等。它們大多是自帶處理器的智能型I/O模塊，可滿(mǎn)足不同場(chǎng)合的復雜控制。如果HCS采用這些智能I/O模塊，將大大增強其控制功能。 

    3、引入人工智能技術(shù) 

    （1）在系統應用軟件中采納智能控制算法，如模糊邏輯、專(zhuān)家系統、遺傳算法、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )等高級控制算法，形成具有人工智能的控制模塊及網(wǎng)絡(luò )系統，提高系統的控制水平。 

    （2）利用人工智能技術(shù)進(jìn)行自診斷及故障的早期預測。由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )具有自組織自學(xué)習自適應的能力及并行處理能力等，經(jīng)過(guò)訓練可對HCS進(jìn)行監控和故障檢測，并對故障作出早期預測，優(yōu)化過(guò)程控制，提高系統的工作可靠性。