PLC、DCS、FCS三大控制系统的特点和差异.docx

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1、PLC、DCS、FCS三大控制系统的特点和差异0导语：本文试就PLC、DCS、FCS三大控制系统的特点和差异作一分析，指出它们之间的渊源及开展方向。1.前言上世纪九十年代走向实用化的现场总线控制系统，正以迅猛的势头快速开展，是目前世界上最新型的控制系统。现场总线控制系统是目前自动化技术中的一个热门，正受到国内外自动化设备制造商与用户越来越强烈的关注。现场总线控制系统的出现，将给自动化领域带来又一次革命，其深度和广度将超过历史的任何一次，进而创始自动化的新纪元。在有些行业，FCS是由PLC开展而来的；而在另一些行业，FCS又是由DCS开展而来的，所以FCS与PLC及DCS之间有着千丝万缕的联络，

2、又存在着本质的差异。本文试就PLC、DCS、FCS三大控制系统的特点和差异作一分析，指出它们之间的渊源及开展方向。2PLC、DCS、FCS三大控制系统的根本特点目前，在连续型流程消费自动控制PA或者习惯称之谓工业经过控制中，有三大控制系统，即PLC、DCS和FCS。它们各自的根本特点如下：21PLC1从开关量控制开展到顺序控制、运送处理，是从下往上的。2连续PID控制等多功能，PID在中断站中。3可用一台PC机为主站，多台同型PLC为从站。4也可一台PLC为主站，多台同型PLC为从站，构成PLC网络。这比用PC机作主站方便之处是：有用户编程时，不必知道通讯协议，只要按讲明书格式写就行。5PLC

3、网格既可作为独立DCS/TDCS，也可作为DCS/TDCS的子系统。6大系统同DCS/TDCS，如TDC3000、CENTUMCS、WDPFI、MOD300。7PLC网络如Siemens公司的SINECL1、SINECH1、S4、S5、S6、S7等，GE公司的GENET、三菱公司的MELSECNET、MELSECNET/MINI。8主要用于工业经过中的顺序控制，新型PLC也兼有闭环控制功能。9制造商：GOULD美、AB美、GE美、OMRON日、MITSUBISHI日、Siemens德等。22DCS或者TDCS1分散控制系统DCS与集散控制系统TDCS是集4CCommunication，Comp

4、uter，Control、CRT技术于一身的监控技术。2从上到下的树状拓扑大系统，其中通讯Communication是关键。3PID在中断站中，中断站联接计算机与现场仪器仪表与控制装置。4是树状拓扑和并行连续的链路构造，也有大量电缆从中继站并行到现场仪器仪表。5模拟信号，A/DD/A、带微处理器的混合。6一台仪表一对线接到I/O，由控制站挂到局域网LAN。7DCS是控制工程师站、操纵操纵员站、现场仪表现场测控站的3级构造。8缺点是本钱高，各公司产品不能互换，不能互操纵，大DCS系统是各家不同的。9用于大规模的连续经过控制，如石化等。10制造商：Bailey美、Westinghous美、HITA

5、CH日、LEEDS&NORTHRMP美、SIEMENS德、Foxboro美、ABB瑞士、Hartmann&Braun德、Yokogawa日、Honewell美国、Taylor美等。23FCS1根本任务是：本质本征平安、危险区域、易变经过、难于对付的非常环境。2全数字化、智能、多功能取代模拟式单功能仪器、仪表、控制装置。3用两根线联接分散的现场仪表、控制装置、PID与控制中心，取代每台仪器两根线。4在总线上PID与仪器、仪表、控制装置都是同等的。5多变量、多节点、串行、数字通讯系统取代单变量、单点、并行、模拟系统。6是互联的、双向的、开放的取代单向的、封闭的。7用分散的虚拟控制站取代集中的控制站

6、。8由现场电脑操纵，还可挂到上位机，接同一总线的上一级计算机。9局域网，再可与internet相通。10改变传统的信号标准、通讯标准和系统标准入企业治理网。11制造商：美Honeywell、Smar、FisherRosemount、AB/Rockwell、ElsagBailey、Foxboro、Yamatake、日Yokogawa、欧Siemens、GECAlsthom、Schneider、procesData、ABB等。123类FCS的典型1连续的工艺经过自动控制如石油化工，其中“本安防爆技术是绝对重要的，典型产品是FF、WorldFIP、ProfibusPA；2分立的工艺动作自动控制如汽车

7、制造机器人、汽车，典型产品是ProfibusDP、CANbus；3多点控制如楼宇自动化，典型产品是LONWork、ProfibusFMS。从上述根本要点的描绘中，我们是否留意到一点，用于经过控制的三大系统，没有一个是针对电站而开发的，或讲，在他们开发的初期，都并非以电站做系统的首选控制对象。而在这些系统的使用讲明中也绝不把电站做为首选适用范围，有的在适用范围中根本就不提电站。如今奇怪的是，这三大控制系统，尤其是DCS、PLC，都在电站得到了广泛应用，而且效果也非常好。3三大控制系统之间的差异我们已经知道，FCS是由DCS与PLC开展而来，FCS不仅具备DCS与PLC的特点，而且跨出了革命性的一

8、步。而目前，新型的DCS与新型的PLC，都有向对方靠拢的趋势。新型的DCS已有很强的顺序控制功能；而新型的PLC，在处理闭环控制方面也不差，并且两者都能组成大型网络，DCS与PLC的适用范围，已有很大的穿插。下一节就仅以DCS与FCS进展比拟。在前面的章节中，实际上已涉及到DCS与FCS的差异，下面将就体系构造、投资、设计、使用等方面进展表达。31差异要点DCSDCS系统的关键是通讯。也可以讲数据公路是分散控制系统DCS的脊柱。由于它的任务是为系统所有部件之间提供通讯网络，因此，数据公路自身的设计就决定了总体的灵敏性和平安性。数据公路的媒体可以是：一对绞线、同轴电缆或者光纤电缆。通过数据公路的

9、设计参数，根本上可以理解一个特定DCS系统的相对优点与弱点。1系统能处理多少I/O信息。2系统能处理多少与控制有关的控制回路的信息。3能适应多少用户和装置CRT、控制站等。4传输数据的完好性是如何彻底检查的。5数据公路的最大允许长度是多少。6数据公路能支持多少支路。7数据公路是否能支持由其它制造厂消费的硬件可编程序控制器、计算机、数据记录装置等。为保证通讯的完好，大局部DCS厂家都能提供冗余数据公路。为了保证系统的平安性，使用了复杂的通讯规约和检错技术。所谓通讯规约就是一组规那么，用以保证所传输的数据被接收，并且被理解得和发送的数据一样。目前在DCS系统中一般使用两类通讯手段，即同步的和异步的

10、，同步通讯依靠一个时钟信号来调节数据的传输和接收，异步网络采用没有时钟的报告系统。FCSFCS的关键要点有三点1FCS系统的核心是总线协议，即总线标准前面的章节已经表达，一种类型的总线，只要其总线协议一经确定，相关的关键技术与有关的设备也就被确定。就其总线协议的根本原理而言，各类总线都是一样的，都以解决双向串行数字化通讯传输为根本根据。但由于各种原因，各类总线的总线协议存在很大的差异。为了使现场总线知足可互操纵性要求，使其成为真正的开放系统，在IEC国际标准，现场总线通讯协议模型的用户层中，就明确规定用户层具有装置描绘功能。为了实现互操纵，每个现场总线装置都用装置描绘DD来描绘。DD可以以为是

11、装置的一个驱动器，它包括所有必要的参数描绘和主站所需的操纵步骤。由于DD包括描绘装置通讯所需的所有信息，并且与主站无关，所以可以使现场装置实现真正的互操纵性。实际情况是否如上述一致，答复是否认的。目前通过的现场总线国际标准含8种类型，而原IEO国际标准只是8种类型之一，与其它7种类型总线的地位是同等的。其它7种总线，不管其市场占有率有多少，每个总线协议都有一套软件、硬件的支撑。它们可以形成系统，形成产品，而原IEC现场总线国际标准，是一个既无软件支撑也无硬件支撑的空架子。所以，要实现这些总线的互相兼容和互操纵，就目前状态而言，几乎是不可能的。通过上述，我们是否可以得出这样一种映象：开放的现场总

12、线控制系统的互操纵性，就一个特定类型的现场总线而言，只要遵循该类型现场总线的总线协议，对其产品是开放的，并具有互操纵性。换句话讲，不管什么厂家的产品，也不一家是该现场总线公司的产品，只要遵循该总线的总线协议，产品之间是开放的，并具有互操纵性，就可以组成总线网络。(2)FCS系统的根底是数字智能现场装置数字智能现场装置是FCS系统的硬件支撑，是根底，道理很简单，FCS系统执行的是自动控制装置与现场装置之间的双向数字通讯现场总线信号制。假如现场装置不遵循统一的总线协议，即相关的通讯规约，不具备数字通讯功能，那么所谓双向数字通讯只是一句空话，也不能称之为现场总线控制系统。再一点，现场总线的一大特点就

13、是要增加现场一级控制功能。假如现场装置不是多功能智能化的产品，那么现场总线控制系统的特点也就不存在了，所谓简化系统、方便设计、利于维护等优越性也是虚的。(3)FCS系统的本质是信息处理现场化对于一个控制系统，无论是采用DCS还是采用现场总线，系统需要处理的信息量至少是一样多的。实际上，采用现场总线后，可以从现场得到更多的信息。现场总线系统的信息量没有减少，甚至增加了，而传输信息的线缆却大大减少了。这就要求一方面要大大进步线缆传输信息的才能，另一方面要让大量信息在现场就地完成处理，减少现场与控制机房之间的信息往返。可以讲现场总线的本质就是信息处理的现场化。减少信息往返是网络设计和系统组态的一条重

14、要原那么。减少信息往返经常可带来改善系统响应时间的好处。因此，网络设计时应优先将互相间信息交换量大的节点，放在同一条支路里。减少信息往返与减少系统的线缆有时会互相矛盾。这时仍应以节省投资为原那么来做选择。假如所选择系统的响应时间允许的话，应选节省线缆的方案。如所选系统的响应时间比拟紧张，略微减少一点信息的传输就够用了，那就应选减少信息传输的方案。如今一些带现场总线的现场仪表本身装了很多功能块，固然不同产品同种功能块在性能上会稍有差异，但一个网络支路上有很多功能雷同功能块的情况是客观存在的。选用哪一个现场仪表上的功能块，是系统组态要解决的问题。考虑这个问题的原那么是：尽量减少总线上的信息往返。一

15、般可以选择与该功能有关的信息输出最多的那台仪表上的功能块。32典型系统比拟通过使用现场总线，用户可以大量减少现场接线，用单个现场仪表可实现多变量通讯，不同制造厂消费的装置间可以完全互操纵，增加现场一级的控制功能，系统集成大大简化，并且维护特别简便。3.3设计、投资及使用比拟的前题是DCS系统与典型的、理想的FCS系统进展比拟。为什么要做如此的假设。做为DCS系统开展到今天，开发初期提出的技术要求却已知足并得到了完善，目前的状况是进一步进步，因此也就不存在典型、理想的讲法。而作为FCS系统，90年代刚进入实用化，作为开发初期的技术要求：兼容开放，双向数字通讯、数字智能现场装置、高速总线等，目前还

16、不理想有待完善。这种状态与现场总线国际标准的制定不能讲没有关系。过去的十多年，各总线组织都忙于制定标准，开发产品，占领更多的市场，目的就是要挤身于国际标准，正当的占领更大的市场。如今有关国际标准的争战已告一段落，各大公司组织都已意识到，要真正占领市场，就得完善系统及相关产品。我们可以做这样的预测，不久的将来，完善的现场总线系统及相关产品必须成为世界现场总线技术的主流。详细比拟：1DCS系统是个大系统，其控制器功能强而且在系统中的作用特别重要，数据公路更是系统的关键，所以，必须整体投资一步到位，事后的扩容难度较大。而FCS功能下放较彻底，信息处理现场化，数字智能现场装置的广泛采用，使得控制器功能

17、与重要性相对减弱。因此，FCS系统投资出发点低，可以边用、边扩、边投运。2DCS系统是封闭式系统，各公司产品根本不兼容。而FCS系统是开放式系统，用户可以选择不同厂商、不同品牌的各种设备连入现场总线，到达最正确的系统集成。3DCS系统的信息全都是二进制或者模拟信号形成的，必须有D/A与A/D转换。而FCS系统是全数字化，就免去了D/A与A/D变换，高集成化高性能，使精度可以从0.5%进步到0.1%。4FCS系统可以将PID闭环控制功能装入变送器或者执行器中，缩短了控制周期，目前可以从DCS的每秒25次，进步到FCS的每秒1020次，进而改善调节性能。5DCS它可以控制和监视工艺全经过，对自身进

18、展诊断、维护和组态。但是，由于自身的致命弱点，其I/O信号采用传统的模拟量信号，因此，它无法在DCS工程师站上对现场仪表含变送器、执行器等进展远方诊断、维护和组态。FCS采用全数字化技术，数字智能现场装置发送多变量信息，而不仅仅是单变量信息，并且还具备检测信息过失的功能。FCS采用的是双向数字通讯现场总线信号制。因此，它可以对现场装置含变送器、执行机构等进展远方诊断、维护和组态。FCS的这点优越性是DCS无法比较的。6FCS由于信息处理现场化，与DCS相比可以省去相当数目的隔离器、端子柜、I/O终端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜，同时也节省了I/O装置及装置室的空间与占地面积。有专家以为可

19、以省去60%。7与6同样理由，FCS可以减少大量电缆与敷设电缆用的桥架等，同时也节省了设计、安装和维护费用。有专家以为可以节省66%。对于6、7两点应补充讲明的是，采用FCS系统，节省投资的效果是不用疑心的，但是否如有的专家所讲达6066%。这些数字在多篇文章中出现，编者以为这是互相转摘的结果，目前还未找到这些数字的原始出处，因此，读者在引用这些数字时要慎重。8FCS相对于DCS组态简单，由于构造、性能标准化，便于安装、运行、维护。9用于经过控制的FCS设计开发要点。这一点并不作为与DCS的比拟，只是讲明用于经过控制或讲用于模拟连续经过类的FCS在设计开发中应重点考虑的问题。1要求总线本安防爆

20、功能，而且是头等重要的。2根本监控如流量、料位、温度、压力等的变化是缓慢的，而且还有滞后效应，因此，节点监控并不需要快电子学的响应时间，但要求有复杂的模拟量处理才能。这一物理特征决定了系统根本上多采用主一从之间的集中轮询制，这在技术上是公道的，在经济上是有利的。3流量、料位、温度、压力等参数的测量，其物理原理是古典的，但传感器、变送器及控制器应向数字智能化开展。4作为针对连续经过类及其仪器仪表而开发的FCS，应侧重于低速总线H1的设计完善。4PLC与DCS的前景我们已经知道有的FCS是由PLC开展而来，而有的FCS是由DCS开展而来，那么，今天FCS已走向实用化，PLC与DCS前景又将怎样。P

21、LC于60年代末期在美国首先出现，目的是用来取代继电器，执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能，建立柔性程序控制系统。1976年正式命名，并给予定义：PLC是一种数字控制专用电子计算机，它使用了可编程序存储器储存指令，执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过模拟和数字输入、输出等组件，控制各种机械或者工作程序。经过30多年的开展，PLC已特别成熟与完善，并开发了模拟量闭环控制功能。PLC在FCS系统中的地位似乎已被确定并无多少争论。IEC推荐的现场总线控制系统体系构造,PLC作为一个站挂在高速总线上。编者以为，辅助车间的控制系统应以遵循现场总线通讯协议的PLC或者能与FCS进展通讯交换信

22、息的PLC为优选对象。自1973年提出第一台以微处理器为根底的控制器以来，它逐步完善，并最终形成功能齐全、平安可靠的数字式分散控制系统DCS。它的性能大大优于以住任何一种控制系统。可以知足火电厂DAS、MCS、SCS和APS各系统的各种要求，目前还可以通过工业以太网建立治理层网络，以知足火电厂呼声越来越高的加强治理的要求。可以这样讲，DCS系统的监控可以复盖大型火电机组的工艺全经过。但是，自从有了FCS，并于90年代走向实用化以来，不断有如下论点在公开刊物上发表，即：“从如今起，新的现场总线控制系统FCS将逐步取代传统的DCS；“当调节功能下放到现场去以后，传统的DCS就没有存在的必要而会自动

23、消失；“今后十年，传统的420mA模拟信号制将逐步被双向数字通讯现场总线信号制所取代，模拟与数字的分散型控制系统DCS将更新换代为全数字现场总线控制系统FCS。这些论点归纳为一句话：FCS将取代DCS，DCS从此将消亡。上述论点皆出自于权威专家之口，确实不无道理。数字通讯是一种趋势，它代表了技术进步，是任何人阻挡不了的。双向数字通讯现场总线信号制以及由它而产生的宏大的推动力，加速现场装置与控制仪表的变革，开发出越来越多的功能完善的数字智能现场装置。这些都是DCS系统所不具备的，而由此产生的优越性以及给火电厂的设计、配置、组态、运行、维护、治理等方面带来的效益也是DCS系统所不及的。再那么，FC

24、S是由DCS以及PLC开展而来，它保存了DCS的特点，或讲FCS吸收了DCS多年开发研究以及现场理论的经历，当然也包括教训。由此而得出结论，“FCS将取代DCS，似乎也是顺理成章之事。同时我们也应看到，DCS系统开展也近30年，在火电厂的应用如此广泛。它的设计思想、组态配置、功能匹配等已达特别完善的程度当然，DCS也存在进一步开展的需求，例如高级软件开发，以知足信息集成的要求，已浸透到火电厂控制系统的各个领域，并且在FCS系统中也有些表达。从这个角度来看，DCS系统似乎不能讲从此消亡。再那么，从前面的章节表达中已经谈到，对那些FCS系统不能充分发挥其特点及优越性的领域，DCS系统仍有用武之地。

25、我们似乎没有必要在文字上做太多的争论，一定要强调谁取代谁。正如目前的DCS与新型的PLC，由于多年的开发研究，在各自保存自身原有的特点外，又互相补充，形成新的系统，如今的DCS已不是当初的DCS，同样如此，新型的PLC也不是开发初期的PLC。我们可以讲是DCS取代了PLC或讲是PLC取代了DCS，显然都是不适宜的。5结论从上述分析阐述中，我们可以得出以下简单的结论：现场总线控制系统FCS的出现，数字式分散控制DCS并不会消亡，而只是将过去处于控制系统中心地位的DCS移到现场总线的一个站点上去。也可以这样讲，DCS处于控制系统中心地位的场面从此将被打破。今后火电厂的控制系统将会是：FCS处于控制系统中心地位，兼有DCS系统哲学的一种新型控制系统。