摘    要：

本文闡述了分散控制系統 (DCS) 與可編程控制器 (PLC) 的特點(diǎn)及發(fā)展, 從概念、設計原理、應用范圍、數據庫、組態(tài)維護以及實(shí)際應用等方面分析了兩者的不同。

關(guān)鍵詞：

分散控制系統; 可編程控制器; 設計原理;

作者簡(jiǎn)介：吳兆國 (1981~) , 男, 江西宜春人;上海新華控制技術(shù)集團科技有限公司工程師;研究方向:自動(dòng)控制及工程應用

一、分散控制系統 ( DCS) 概述

分散控制系統DCS ( Distributed Control System) , 又稱(chēng)分布式控制系統, 產(chǎn)生于20 世紀70 年代中期, 最初是由儀表制造廠(chǎng)商研發(fā)出來(lái), 當時(shí)主要應用于化工行業(yè)。它是在集中控制系統的基礎上發(fā)展而來(lái), 綜合了計算機、通信、顯示和控制等4C技術(shù), 是一個(gè)由過(guò)程控制級和過(guò)程監控級組成的以通信網(wǎng)絡(luò )為紐帶的多級計算機系統, 具有連續控制、批量控制、邏輯順序控制、數據采集等功能。DCS將分散的儀表控制和集中式計算機控制系統二者的優(yōu)勢有機結合起來(lái), 體系結構是一個(gè)分布式、分支樹(shù)狀結構, 從垂直結構來(lái)看, 分為分散過(guò)程控制級、集中操作監控級以及綜合信息管理級三級, 各級之間既相互獨立又相互聯(lián)系, 每一級中又可水平分解成不同的子模塊, 如分散過(guò)程控制級就可分為現場(chǎng)控制站、PLC、智能調節器和其他測控裝置。其具有通用性強、系統組態(tài)靈活、控制功能完善、數據處理方便、顯示操作集中、人機界面友好、安裝簡(jiǎn)單規范化、調試方便、運行安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。

二、可編程控制器 ( PLC) 概述

可編程控制器PLC ( Programmable Logic Controller) , 是集微機技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、通信技術(shù)于一體的通用工業(yè)控制裝置, 20 世紀60 年代末研制成功, 研發(fā)之初主要應用于汽車(chē)制造業(yè)。隨著(zhù)計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展, PLC在工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域里得到了廣泛的應用, 由輸入部分、邏輯處理部分及輸出部分構成, 其工作原理是將傳感器、儀表等控制設備分散地置于工業(yè)控制的現場(chǎng), 在PLC運行時(shí), 其內部事先存儲好的PLC程序執行每條指令, 通過(guò)遠程I/O、同位鏈路, 將現場(chǎng)數據采集到上位機 ( 或上位網(wǎng)絡(luò )) 處理, 形成具有一定實(shí)時(shí)性的監控系統, 具有工作可靠、編程容易、安裝靈活、性能價(jià)格比高等特點(diǎn)。

三、分散控制系統 ( DCS) 與可編程控制器 ( PLC) 的主要區別

( 一) 概念不同。DCS和PLC之間最直觀(guān)的區別就是, DCS是一個(gè)體系, 而PLC只是一個(gè)裝置, DCS系統可以實(shí)現任何裝置的功能, 而PLC裝置只具備本單元的功能。這種區別影響到了方方面面的不同。

( 二) 設計原理不同。DCS是伴隨著(zhù)運算放大器的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的, 早期的DCS使用模擬量控制的方式, 所有的函數、各變量之間的關(guān)系以功能塊或者膨脹塊的方式存儲于DCS中; 而PLC則是在模仿原繼電器控制原理的基礎上產(chǎn)生的, 早期的PLC通過(guò)開(kāi)關(guān)量邏輯進(jìn)行控制, 應用時(shí)需要事先將需要的生產(chǎn)工序要求以程序的形式存入PLC的用戶(hù)程序存儲器中, 接著(zhù)輸入相應的數字就可按照程序的要求進(jìn)行生產(chǎn)。20 世紀80 年代后期, PLC增加了新的功能, 除了進(jìn)行邏輯運算之外, 還可進(jìn)行一些控制回路算法, 但僅限于簡(jiǎn)單的控制回路算法, 復雜的算法還無(wú)法實(shí)現。PLC在運算方面有著(zhù)簡(jiǎn)單快捷的優(yōu)勢, 解算時(shí)間以微秒甚至毫秒來(lái)計算。有關(guān)研究表明, 運用PLC解算1K邏輯程序耗時(shí)不到1 毫秒。盡管PLC在解算方面有著(zhù)巨大的優(yōu)勢, 但是由于其所用的是梯形圖編程的方式在模擬量的運算上同DCS還有著(zhù)不小的差距。DCS解算一些較為復雜的運算, 特別是模擬量的運算方面僅需幾百微秒, 運算速度高于PLC。

( 三) 應用范圍不同。DCS一般應用于中型或者大型的自控場(chǎng)所, 設備的控制量在600 點(diǎn)以上; 而PLC一般應用于設備的控制量在600 以下的小型自控場(chǎng)所。

( 四) 數據通訊不同。DCS通常使用兩層網(wǎng)絡(luò )結構, 第一層為程級網(wǎng)絡(luò ), 在這一層中, 大部分DCS在標準串口傳輸協(xié)議的RS232 或RS458 的基礎上建立自己的總線(xiàn)協(xié)議, 特別是在模擬量采集數據龐大以及現場(chǎng)干擾因素較多的時(shí)候, 標準串口協(xié)議無(wú)法滿(mǎn)足控制系統數據量大、安全性高的要求, 需要建立抗干擾能力強的異步通訊方式的總線(xiàn)結構; 第二層是操作級網(wǎng)絡(luò ), 在這一層中通常選用TP/CP協(xié)議這種標準的以太網(wǎng)使采集到的數據經(jīng)CPU轉換成整形數據或實(shí)形數據開(kāi)始傳輸, 通訊速度為100Mbit/s。由于PLC通常應用于小型控制系統中, 工作任務(wù)相對簡(jiǎn)單, 交換和傳輸的數據有限, 通常使用一層網(wǎng)絡(luò )結構, 建立的是基于RS232 或RS458 的標準串口傳輸協(xié)議。

( 五) 數據庫不同。DCS有著(zhù)統一的數據庫, 系統內諸如組態(tài)、報表、記錄等在內的信息數據都存儲在數據庫中, 數據庫是獨立于控制系統而存在的, 當系統運行時(shí)所有的數據都會(huì )被保存下來(lái)并且不斷更新, 這樣一旦有需要就可在數據庫中直接提取使用; 而PLC中沒(méi)有統一的數據庫, 即使是大型的PLC系統中的數據庫也是通過(guò)服務(wù)且嵌入式實(shí)施的, 所有的數據并不是統一的, 系統運行時(shí)組態(tài)軟件和監控軟件的數據會(huì )自動(dòng)保存于自身的數據庫中, 而不會(huì )保存在系統中的數據庫中。

( 六) 組態(tài)維護不同。早期DCS以模塊功能為主, 側重儀表控制, 可靠性、安全性高, 系統昂貴, 通常應用于主廠(chǎng)房的控制; 而PLC以梯形圖為主, 強調邏輯運算能力, 價(jià)格較DCS稍微便宜一些, 多用于輔助車(chē)間。DCS是一個(gè)體系, 在設計之初就考慮到了調試和維護等方面的需要, 留有大量的可擴展性接口, 當發(fā)現現有的系統無(wú)法滿(mǎn)足需要時(shí), 可擴展性接口就能發(fā)揮作用。系統運行時(shí)要及時(shí)對系統硬件進(jìn)行檢查, 測試DPU的負荷率, 不得擅自更改組態(tài)功能。DCS采用的是雙冗余的控制單元, 當某些控制單元發(fā)生故障時(shí), 相關(guān)的冗余單元會(huì )實(shí)時(shí)切換為工作單元, 確保了整個(gè)系統的安全可靠運行, 有著(zhù)成熟且完善的解決方案, 維修人員既可到現場(chǎng)對設備進(jìn)行維修, 也可以利用計算機進(jìn)行在線(xiàn)修改; 而PLC之間多為松散的連接關(guān)系, 整個(gè)系統完成后無(wú)法增加或減少操作員站, 只有極少量的PLC模塊中會(huì )配置智能芯片, 一旦發(fā)生問(wèn)題, 相應的單元會(huì )癱瘓, 由于缺乏完善的解決方案, 短時(shí)間內系統無(wú)法恢復正常。早期的DCS由廠(chǎng)家提供專(zhuān)用的人機交換裝置, PLC多采用通用的監控軟件, 用戶(hù)可直接在市場(chǎng)中購買(mǎi)。

( 七) 歷史沿革不同。DCS產(chǎn)生于儀表制造行業(yè), 其產(chǎn)生的目的是為用戶(hù)提供安全可靠的工業(yè)生產(chǎn)控制系統, 因此發(fā)展的過(guò)程是將計算機技術(shù)、控制技術(shù)的研究成果應用到DCS中, 構建一個(gè)完整的、安全系數更高的集散控制系統, PLC源于繼電控制裝置, 生產(chǎn)的目的是取代以電路物理來(lái)進(jìn)行控制的繼電器, 成為依靠存儲于PLC內存中程序的實(shí)現控制的具有計數、計時(shí)等功能的柔性程序控制裝置, 因此其發(fā)展的方向是不斷提高各項能力指標, 給用戶(hù)提供一個(gè)完善的功能靈活的控制裝置。

四、DCS、PLC的實(shí)際應用對比

盡管PLC技術(shù)日益成熟, 運算能力、尋址能力有了大幅度的提高, 分布式IO站點(diǎn)也在提高, 但是與DCS相比仍有著(zhù)一定的差距。以二者在火力發(fā)電行業(yè)中的應為為例, 火力發(fā)電的熱控主機對于系統的專(zhuān)業(yè)性和安全性有著(zhù)較高的要求, DCS由于IO模塊大多采用光隔離16 位卡, 在電源、網(wǎng)絡(luò )、CPU等重要環(huán)節中采用的是1: 1 冗余設計, 其監控軟件由廠(chǎng)家根據DCS硬件“量身定制”, IO模塊為可插拔式, 具有維修簡(jiǎn)單的特性, 因此熱控主機部分大多由DCS控制, 而PLC因其模塊型號繁多, 多為非冗余設計, 維修難度大, 安全性、可靠性相對差一些, 因此輔網(wǎng)部分多采用PLC控制, 極少有主機部分用PLC控制。

五、結語(yǔ)

DCS和PLC作為計算機技術(shù)和控制技術(shù)結合的產(chǎn)物, 對推動(dòng)自動(dòng)化水平的提高有著(zhù)積極的意義。二者在應用上有著(zhù)較大的相通性, 從總體趨勢來(lái)看, 行業(yè)決定了各自的發(fā)展方向。未來(lái)DCS的開(kāi)放性將逐漸加強, 實(shí)現DCS與CLIPS系統的調度層、管理層、決策層 ( 輔助決策層) 無(wú)縫連接, 真正實(shí)現管控一體化; PLC將朝兩方面發(fā)展, 一方面向簡(jiǎn)單、超小型方向發(fā)展, 以適應單機控制的“機電一體化”, 另一方面則向大型化、復雜化、多功能、分散型、多層分布式、全自動(dòng)網(wǎng)絡(luò )方向發(fā)展。

參考文獻

[1]張敏, 凌東雄, 陳項.PLC集散控制系統上位網(wǎng)絡(luò )通信基于NT的研究[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報, 2002, 27 (3)

[2]張彬.可編程序控制器與計算機的串行通信[J].機電一體化, 2002, 5

[3]吳宏岐, 喬永明.PLC控制系統提高可靠性的接地措施[J].山西電子技術(shù), 2001, 2

[4]劉勇.PLC與計算機的通信[J].綿陽(yáng)經(jīng)濟技術(shù)高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報, 2002, 19 (1)

來(lái)源：化工行業(yè)資訊