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DCS与PLC的主要区别

供稿:中国工控网 2016/1/25 16:09:37

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  • 关键词: PLC DCS 区别
  • 摘要:本文以火电厂的应用为例,详细介绍了DCS与PLC的主要区别,可供学习参考。

  在实际生产中有很多工人甚至技术员都会问DCSPLC的区别主要是什么?现以在火电厂的应用为例加以说明:

  在火电厂热工自动化领域,DCS和PLC是两个完全不同而又有着千丝万缕联系的概念。DCS和PLC都是计算机技术与工业控制技术相结合的产物,火电厂主机控制系统用的是DCS,而PLC主要应用在电厂辅助车间。DCS和PLC都有操作员站提供人机交互的手段、都依靠基于计算机技术的控制器完成控制运算、都通过I/O卡件完成与一次元件和执行装置的数据交换、都具备称之为网络的通信系统。DCS和PLC如此相似,为什么会有完全不同的概念,我们在工程实践中如何进行选择?本文从历史沿革、技术特点、发展方向等几个方面作一综述,希望能够对热工专业人员有所借鉴。其中的DCS的情况以NETWORK6000+为例,力求例举详实阐述清晰。 

1、DCS和PLC的历史沿革及核心概念 

  DCS为分散控制系统的英文(TOTAL DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM)简称。指的是危险分散、数据集中。70年代中期进入市场,完成模拟量控制,代替以PID运算为主的模拟控制仪表。首先提出DCS这样一种思想的是仪表制造厂商,当时主要应用于化工行业。而PLC于60年代末研制成功,称作逻辑运算的可编程序控制器(Programmable Logic Controller),简称PLC。主要应用于汽车制造业。
  DCS和PLC的设计原理区别较大,PLC是从摸仿原继电器控制原理发展起来的,70年代的PLC只有开关量逻辑控制。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令;并通过数字输入和输出操作,来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求。将其存入PLC的用户程序存储器,运行时按存储程序的内容逐条执行,以完成工艺流程要求的操作。 
DCS是在运算放大器的基础上得以发展的。把所有的函数、各过程变量之间的关系都设计成功能块。70年代中期的DCS只有模拟量控制。
  DCS和PLC控制器的主要差别是在开关量和模拟量的运算上,即使后来两者相互有些渗透,但是仍然有区别。80年代以后,PLC除逻辑运算外,也增加了一些控制回路算法,但要完成一些复杂运算还是比较困难,PLC用梯形图编程,模拟量的运算在编程时不太直观,编程比较麻烦。但在解算逻辑方面,表现出快速的优点。而DCS使用功能块封装模拟运算和逻辑运算,无论是逻辑运算还是复杂模拟运算的表达形式都非常清晰,但相对PLC来说逻辑运算的表达效率较低。
  DCS和PLC在历史沿革上的差异是明显的,对它们后续的发展产生了重大影响。然而,对后续发展影响最大的,并不是起源技术上的差别,而是其起源概念的差别。DCS的核心概念是危险分散,数据集中的计算机控制系统,因此DCS的发展过程,就是在不断的运用计算机技术、通讯技术和控制技术的最新成果,来构建一个完整的集散控制体系,DCS给用户提供的是一个完整的面向工业控制的安全可靠高效灵活的解决方案。而PLC的核心概念是可编程序控制器,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,建立柔性程序控制装置。所以,PLC不断发展的主线是在不断地提高各项能力指标,给用户提供一个完善的功能灵活的控制装置。 
  DCS是一个体系,PLC是一个装置,这是两者在概念上的根本区别。这个区别的影响是深刻,它渗透到了技术经济的每一个方面。 

2、DCS和PLC的技术特点与相互渗透 

  不同的概念基础、不同的发展道路使得DCS和PLC有着各自不同的技术特点,而技术的发展也不是封闭的,相互学习相互渗透也始终贯穿在发展过程之中。 

2.1、控制处理能力 
  我们知道,一个PLC的控制器,往往能够处理几千个I/O点(最多可达8000多个I/O)。而DCS的控制器,一般只能处理几百个I/O点(不超过500个I/O)。难道是DCS开发人员技术水平太差了吗?恐怕不是。从集散体系的要求来说,不允许有控制集中的情况出现,太多点数的控制器在实际应用中是毫无用处的,DCS开发人员根本就没有开发带很多I/O点数控制器的需要驱动,他们的主要精力在于提供体系的可靠性和灵活性。而PLC不一样,作为一个独立的柔性控制装置,带点能力越强当然也就代表其技术水平越高了,至于整个控制体系的应用水平呢,这主要是工程商和用户的事情,而不是PLC制造商的核心目标。 
  控制处理能力的另一个指标,运算速度,在人们印象当中PLC也比DCS要快很多。从某一个角度来看,情况也的确如此,PLC执行逻辑运算的效率很高,执行1K逻辑程序不到1毫秒,其控制周期(以DI输入直接送DO输出为例)可以控制在50ms以内;而DCS在处理逻辑运算和模拟运算时采用相同的方式,其控制周期往往在100ms以上。我们用PID算法来比较时,可以发现PLC执行一个PID运算在几个毫秒,NETWORK6000+DCS的T2550控制器解算一个PID也需要1个毫秒,这说明PLC和DCS和实际运算能力是相当的,某此型号的DCS控制器甚至更强。而控制周期上的差异主要与控制器的调度设计有关。大型PLC往往使用副CPU来完成模拟量的运算,主CPU高速地完成开关量运算,所以即使模拟运算速度一般,在开关量控制方面的速度表现还是非常优秀的。而DCS以同样的速度来处理开关量和模拟量运算,控制周期的指标确实不理想。新型的DCS控制器学习了大型PLC的设计,在控制周期方面的表现获得了大幅度的提高。以NETWORK6000+DCS的T2550控制器为例。控制器可以设置四个不同优先级的任务,最小运算周期可以设为10ms,配合高速I/O卡件,控制周期能够达到15~20ms。而模拟量运算设置在其它周期较长的任务中。 

2.2数据通讯交换 
  数据通讯交换主要是指控制系统网络及其数据交换形式。在这个方面DCS有着先天的优势。集散系统的“分散”主要体现在独立的控制器上,“集中”主要体现在具有完整数据的人机交互装置上,而将分散和集中连接成集散系统的正是网络。因此,从DCS发展的早期,网络就成为了DCS生产厂家的核心技术方向,冗余技术、窄带传输技术都是DCS厂家最早研发或应用成功的。PLC主要是按照独立装置来设计的,其 “网络”实际上是串行通讯。 
  工业以太网技术的发展和广泛应用,从形式上拉平了DCS和PLC网络方面的差距。从表面上看很多DCS和PLC都应用了工业以太网,但是其实质上的差距却依然存在。以很多PLC采用的MODBUS-TCP以例。MODBUS是串行通讯协议,不是网络,大家都没有疑问;MODBUS-TCP是网络吗?很多人就有疑问了。仔细分析,MODBUS-TCP是将MODBUS通讯协议加载到以太网的TCP协议之上的一种通讯方式,它虽然具有了网络的外形,但依然是一主多从的管理方式,数据表的传输结构。而DCS呢,以网络6000+DCS的ELIN网为例,虽然也是基于工业以太网的,但其应用层协议是欧陆公司积累了近30年的无主令牌LIN网协议,在1M的OLIN,2.5M和20M的ARCNET上都有长期成功的应用。ELIN网上,各站平等,不存在主要管理站。而且数据通讯是以模块为单位的结构化数据,数据管理能力非数据表方式可比。 
  以PID模块为例,其中的基本数据有PV、SP、OP,采用数据表的传输方式,你必须先定义PV、SP、OP的数据地址为01、02、03,其它的站也以数据表的方式接收数据,但是01是什么数据?02是什么数据?必须通过数据定义表才能还原。数据表的管理方式烦琐易错,一个大型系统的上万点数据采用这个方式,平铺在数据表中进行管理,是非常可怕的。而NETWORK6000+DCS以模块为单位的结构化管理,将一个PID作为一个模块进行处理,要访问其PV值,首先访问其模块,以PID.PV的形式来管理。这就将所有平铺的数据,分类归属集中到一个个小盒子中,按模块.分量的方式进行管理,管理的效率大大提高。 
  PLC数据通讯交换的问题,主要源于PLC长期以来做为一个独立装置在发展,没有系统概念;而且主要应用在小型控制系统中,问题暴露得并不明显,所以发展较慢。目前也有一些大型PLC在这个方面有所提高,但是要达到DCS的水平还需要一个相当长的过程。 

2.3、组态维护功能 
  组态维护功能包括逻辑组态、下载修改、运行调试、远程诊断等。 早期,PLC以梯形图为主,DCS以模块功能图为主。经过多年的发展,国际电工委员会通过IEC1131-3标准规定了五种编程语言,目前主流的DCS和PLC都表示符合这个标准,支持其中的几种或全部编程语言。从开发效率和程序可读性来考虑,模块功能图和顺序功能图越来越成为主要的编程方式,梯形逻辑和结构化文本成为了自定义模块的开发工具。大型PLC在组态方式上越来越像DCS,差距在逐渐缩小,而小型PLC仍然以梯形图为主。 
  DCS经过多年的发展,积累了大量的高级算法模块。例如NETWORK6000+具有的设备级模块,在一个模块中集中完成了面向设备的基本控制和故障报警功能,在网络通讯中也已此模块为单位进行传递,大大提高了软件开发的效率。一个设备极模块相当于0.5K的梯形图逻辑量,PLC要完成同样的功能,就要烦琐得多了。 
在下载修改、运行调试、远程诊断方面,PLC缺乏解决方案。而DCS从一设计之初就是从系统需要的角度出发的,有着多年积累的完善的解决方案。以NETWORK6000+DCS为例,系统既可以在线修改控制策略,也可以在线下载控制策略,修改和下载过程中,对系统的正常运行没有影响。NETWORK6000+DCS有完善的虚拟DCS功能,不但可以用于组态逻辑的验证,而且能够构建成完整的虚拟DCS与模型相连,完成系统的仿真调试。NETWORK6000+DCS具有完善的安全措施,提供基于广域网的远程调试方案。 

2.4、硬件封装结构 
  PLC一般为大底版式机架,封闭式I/O模件,封闭式结构有利与提高I/O模件的可靠性,抗射频、抗静电、抗损伤。PLC模件的I/O点数有8点、16点、32点。 
  DCS大部分为19英寸标准机箱加插件式I/O模件,I/O模件为裸露式结构。每个模件的I/O点数有8点和16点,很少使用32点模件。 DCS的这种结构源于其使用领域主要在大型控制对象,19英寸标准机箱便于密集布置,较少的I/O点数则是由于对分散度的要求。PLC的大底版式机架,封闭式模件结构在管理和配置上更加灵活,单个设备的可靠性更高。因此,不少DCS也吸收了PLC在结构上的优点,采用了和PLC相似的封装结构,如I/A采用金属外壳, NETWORK-6000+采用导电塑料外壳。 

2.5、人机交互装置 
  在早期,DCS作为一个系统,其人机交互装置是DCS厂家提供的专用装置。而PLC厂家一般不提供人机交互装置,往往由工程商自主采用通用的监控软件来完成(如ifix、intouch、组态王)。DCS集成的人机交互装置往往有着功能较专业、稳定性较好的特点,但是其价格也很高。随着PC技术的快速发展,一些通用监控软件发展很快,功能和性能逐渐超过了DCS厂家提供的专用装置。因此不少DCS厂家逐步放弃了专用的人机交互装置,转而和PLC一样也使用了通用的监控软件。DCS厂家使用通用监控软件并不是简单地拼装,而是在通用监控软件的基础上,通过合作开发,将自已多年积累的网络通讯技术、系统自诊断技术以专用软件包的形式保留和继承下来了。例如,NETWORK-6000+早期曾经使用过基于专用操作系统的T1000人机交互系统,而目前主要使用基于FIX/IFIX或INTOUCH的T3500人机交互系统。其中的LINPOLL网络通讯包是由欧陆公司开发集成的。 

3、DCS和PLC的市场情况和发展方向 

  在热工自动化领域,主厂房控制系统基本上毫无例外地使用DCS。而在辅助车间才使用PLC。其主要原因是早期的DCS系统非常昂贵,人们认为辅助车间的运行可以间断,可靠性要求不是很高,且模拟量控制要求较少,从降低成本的角度出发,往往选择PLC来构建控制系统。而锅炉、汽机和发电机的控制系统,要求长期稳定可靠地运行,信号中含有相当比例的模拟量,从系统的性能出发,人们不得不选择了昂贵的DCS。 另外,分析一下主厂房DCS和辅助车间控制系统的市场竞争情况,我们会发现一个有趣的现象。主厂房DCS的竞争往往在不同品牌的供应商或代理商之间展开,竞争激烈,DCS的价格不断下调。而辅助车间控制系统的竞争往往在同一品牌PLC的各个工程商之间进行,门槛较低,竞争更加激烈,但是PLC的价格下调幅度却并不如DCS明显。主要原因是DCS的生产商直接参与竞争,在巨大的市场压力下,不断下调设备制造费用和工程实施费用。而PLC的生产商不直接参与竞争,各个工程商只能下调自身有限的工程费用,空间有限。从现在情况看来,DCS与高档PLC的价格差距已不明显,辅助车间仍然较多地采用PLC,是市场的惯性使然。 
  随着国内电厂装机容量的不断扩大及电力系统改革的推进,对辅助车间控制的要求也不断提高,在这个大环境,DCS系统进入辅助车间控制已成为趋势。NETWORK6000+DCS因其综合的技术经济优势,已经并将继续在辅助车间控制方面发挥越来越大的作用。在辅助车间应用广泛的PLC也并不会就此退出热工自动化的历史舞台,前所未有的竞争压力,将会促使PLC厂商在技术上向DCS标准靠拢,在价格上作出更大的努力。 市场竞争的结果,将使用户获获得更大的利益。 

4、结论 

  DCSPLC作为计算机技术和控制技术结合的产物,为火电厂热工自动化水平的提高都作出了各自的贡献。由于两者在应用上有较大的相通性,在不同的时期,其各自的技术或价格优势,都会直接影响到其市场地位。而市场的反应也会或快或慢地反映到各自的技术发展和价格调整上。从总的趋势来看,DCS和PLC在技术上的融合和促进将会是竞争的主流,而在性价比方面,你来我往地不断攀升,也将是发展的主旋律。  

审核编辑(王静)
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