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本主題由 海正科技  發(fā)表于2008-3-20 10:10:36

摘 要：本文對(duì)PLC、DCS、FCS三大控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和差異進(jìn)行了分析，指出了三種控制系統(tǒng)之間的淵源及發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：可編程序控制器（PLC） 分散控制系統(tǒng)（DCS） 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)      （FCS）

   1.前言
   上世紀(jì)九十年代走向?qū)嵱没�的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，正以迅猛的勢頭快速發(fā)展，是目前世界上最新型的控制系統(tǒng)。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是目前自動(dòng)化技術(shù)中的一個(gè)熱點(diǎn)，正受到國內(nèi)外自動(dòng)化設(shè)備制造商與用戶越來越強(qiáng)烈的關(guān)注�，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，將給自動(dòng)化領(lǐng)域帶來又一次革命，其深度和廣度將超過歷史的任何一次，從而開創(chuàng)自動(dòng)化的新紀(jì)元。

   在有些行業(yè)，F(xiàn)CS是由PLC發(fā)展而來的；而在另一些行業(yè)，F(xiàn)CS又是由DCS發(fā)展而來的，所以FCS與PLC及DCS之間有著千絲萬縷的聯(lián)系，又存在著本質(zhì)的差異。本文試就PLC、DCS、FCS三大控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和差異作一分析，指出它們之間的淵源及發(fā)展方向。

   2．PLC、DCS、FCS三大控制系統(tǒng)的基本特點(diǎn)
   目前，在連續(xù)型流程生產(chǎn)自動(dòng)控制（PA）或習(xí)慣稱之謂工業(yè)過程控制中，有三大控制系統(tǒng)，即PLC、DCS和FCS。它們各自的基本特點(diǎn)如下：

   2．1 PLC
   （1）從開關(guān)量控制發(fā)展到順序控制、運(yùn)送處理，是從下往上的。

   （2）連續(xù)PID控制等多功能，PID在中斷站中。

   （3）可用一臺(tái)PC機(jī)為主站，多臺(tái)同型PLC為從站。

   （4）也可一臺(tái)PLC為主站，多臺(tái)同型PLC為從站，構(gòu)成PLC網(wǎng)絡(luò)。這比用PC機(jī)作主站方便之處是：有用戶編程時(shí)，不必知道通信協(xié)議，只要按說明書格式寫就行。

   （5）PLC網(wǎng)格既可作為獨(dú)立DCS/TDCS，也可作為DCS/TDCS的子系統(tǒng)。

   （6）大系統(tǒng)同DCS/TDCS，如TDC3000、CENTUMCS、WDPFI、MOD300。

   （7）PLC網(wǎng)絡(luò)如Siemens公司的SINEC—L1、SINEC—H1、S4、S5、S6、S7等，GE公司的GENET、三菱公司的MELSEC—NET、MELSEC—NET/MINI。

   （8）主要用于工業(yè)過程中的順序控制，新型PLC也兼有閉環(huán)控制功能。

   （9）制造商：GOULD（美）、AB（美）、GE（美）、OMRON（日）、MITSUBISHI（日）、Siemens（德）等。

2．2 DCS或TDCS
   （1）分散控制系統(tǒng)DCS與集散控制系統(tǒng)TDCS是集4C（Communication，Computer， Control、CRT）技術(shù)于一身的監(jiān)控技術(shù)。

   （2）從上到下的樹狀拓?fù)浯笙到y(tǒng)，其中通信（Communication）是關(guān)鍵。

   （3）PID在中斷站中，中斷站聯(lián)接計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場儀器儀表與控制裝置。

   （4）是樹狀拓?fù)浜筒⑿羞B續(xù)的鏈路結(jié)構(gòu)，也有大量電纜從中繼站并行到現(xiàn)場儀器儀表。

   （5）模擬信號(hào)，A/D—D/A、帶微處理器的混合。

   （6）一臺(tái)儀表一對(duì)線接到I/O，由控制站掛到局域網(wǎng)LAN。

   （7）DCS是控制（工程師站）、操作（操作員站）、現(xiàn)場儀表（現(xiàn)場測控站）的3級(jí)結(jié)構(gòu)。

   （8）缺點(diǎn)是成本高，各公司產(chǎn)品不能互換，不能互操作，大DCS系統(tǒng)是各家不同的。

   （9）用于大規(guī)模的連續(xù)過程控制，如石化等。

   （10）制造商：Bailey（美）、Westinghouse（美）、HITACH（日）、LEEDS & NORTHRMP（美）、SIEMENS（德）、Foxboro（美）、ABB   （瑞士）、Hartmann & Braun（德）、Yokogawa（日）、Honeywell（美國）、Taylor（美）等。

   2．3 FCS

   （1）基本任務(wù)是：本質(zhì)（本征）安全、危險(xiǎn)區(qū)域、易變過程、難于對(duì)付的非常環(huán)境。

   （2）全數(shù)字化、智能、多功能取代模擬式單功能儀器、儀表、控制裝置。

   （3）用兩根線聯(lián)接分散的現(xiàn)場儀表、控制裝置、PID與控制中心，取代每臺(tái)儀器兩根線。

   （4）在總線上PID與儀器、儀表、控制裝置都是平等的。

   （5）多變量、多節(jié)點(diǎn)、串行、數(shù)字通信系統(tǒng)取代單變量、單點(diǎn)、并行、模擬系統(tǒng)。

   （6）是互聯(lián)的、雙向的、開放的取代單向的、封閉的。

   （7）用分散的虛擬控制站取代集中的控制站。

   （8）由現(xiàn)場電腦操縱，還可掛到上位機(jī)，接同一總線的上一級(jí)計(jì)算機(jī)。

   （9）局域網(wǎng)，再可與internet相通。

   （10）改變傳統(tǒng)的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)、通信標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)入企業(yè)管理網(wǎng)。

   （11）制造商：美Honeywell 、Smar 、Fisher— Rosemount、 AB/Rockwell、Elsag— Bailey 、Foxboro 、Yamatake 、日Yokogawa、歐 Siemens、 GEC—Alsthom 、Schneider、 process—Data、 ABB等。

   （12）3類FCS的典型

     1）連續(xù)的工藝過程自動(dòng)控制如石油化工，其中“本安防爆”技術(shù)是絕對(duì)重要的，典型產(chǎn)品是FF、World FIP、Profibus—PA；

     2）分立的工藝動(dòng)作自動(dòng)控制如汽車制造機(jī)器人、汽車，典型產(chǎn)品是Profibus—DP、CAN bus；

     3）多點(diǎn)控制如樓宇自動(dòng)化，典型產(chǎn)品是LON Work、Profibus—FMS。

   從上述基本要點(diǎn)的描述中，我們是否注意到一點(diǎn)，用于過程控制的三大系統(tǒng)，沒有一個(gè)是針對(duì)電站而開發(fā)的，或者說，在他們開發(fā)的初期，都并非以電站做系統(tǒng)的****控制對(duì)象。而在這些系統(tǒng)的使用說明中也絕不把電站做為****適用范圍，有的在適用范圍中根本就不提電站�，F(xiàn)在奇怪的是，這三大控制系統(tǒng)，尤其是DCS、PLC，都在電站得到了廣泛應(yīng)用，而且效果也非常好。

3．三大控制系統(tǒng)之間的差異
   我們已經(jīng)知道，F(xiàn)CS是由DCS與PLC發(fā)展而來，F(xiàn)CS不僅具備DCS與PLC的特點(diǎn)，而且跨出了革命性的一步。而目前，新型的DCS與新型的PLC，都有向?qū)Ψ娇繑n的趨勢。新型的DCS已有很強(qiáng)的順序控制功能；而新型的PLC，在處理閉環(huán)控制方面也不差，并且兩者都能組成大型網(wǎng)絡(luò)，DCS與PLC的適用范圍，已有很大的交叉。下一節(jié)就僅以DCS與FCS進(jìn)行比較。在前面的章節(jié)中，實(shí)際上已涉及到DCS與FCS的差異，下面將就體系結(jié)構(gòu)、投資、設(shè)計(jì)、使用等方面進(jìn)行敘述。

   3．1 差異要點(diǎn)
   ·DCS

   DCS系統(tǒng)的關(guān)鍵是通信。也可以說數(shù)據(jù)公路是分散控制系統(tǒng)DCS的脊柱。由于它的任務(wù)是為系統(tǒng)所有部件之間提供通信網(wǎng)絡(luò)，因此，數(shù)據(jù)公路自身的設(shè)計(jì)就決定了總體的靈活性和安全性。數(shù)據(jù)公路的媒體可以是：一對(duì)絞線、同軸電纜或光纖電纜。

   通過數(shù)據(jù)公路的設(shè)計(jì)參數(shù)，基本上可以了解一個(gè)特定DCS系統(tǒng)的相對(duì)優(yōu)點(diǎn)與弱點(diǎn)。

   （1）系統(tǒng)能處理多少I/O信息。

   （2）系統(tǒng)能處理多少與控制有關(guān)的控制回路的信息。

   （3）能適應(yīng)多少用戶和裝置（CRT、控制站等）。

   （4）傳輸數(shù)據(jù)的完整性是怎樣徹底檢查的。

   （5）數(shù)據(jù)公路的****允許長度是多少。

   （6）數(shù)據(jù)公路能支持多少支路。

   （7）數(shù)據(jù)公路是否能支持由其它制造廠生產(chǎn)的硬件（可編程序控制器、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)記錄裝置等）。

   為保證通信的完整，大部分DCS廠家都能提供冗余數(shù)據(jù)公路。

   為了保證系統(tǒng)的安全性，使用了復(fù)雜的通信規(guī)約和檢錯(cuò)技術(shù)。所謂通信規(guī)約就是一組規(guī)則，用以保證所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被接收，并且被理解得和發(fā)送的數(shù)據(jù)一樣。

   目前在DCS系統(tǒng)中一般使用兩類通信手段，即同步的和異步的，同步通信依靠一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)來調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)的傳輸和接收，異步網(wǎng)絡(luò)采用沒有時(shí)鐘的報(bào)告系統(tǒng)。

  ·FCS

   FCS的關(guān)鍵要點(diǎn)有三點(diǎn)

   （1）FCS系統(tǒng)的核心是總線協(xié)議，即總線標(biāo)準(zhǔn)

前面的章節(jié)已經(jīng)敘述，一種類型的總線，只要其總線協(xié)議一經(jīng)確定，相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)與有關(guān)的設(shè)備也就被確定。就其總線協(xié)議的基本原理而言，各類總線都是一樣的，都以解決雙向串行數(shù)字化通訊傳輸為基本依據(jù)。但由于各種原因，各類總線的總線協(xié)議存在很大的差異。

   為了使現(xiàn)場總線滿足可互操作性要求，使其成為真正的開放系統(tǒng)，在IEC國際標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場總線通訊協(xié)議模型的用戶層中，就明確規(guī)定用戶層具有裝置描述功能。為了實(shí)現(xiàn)互操作，每個(gè)現(xiàn)場總線裝置都用裝置描述DD來描述。DD能夠認(rèn)為是裝置的一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，它包括所有必要的參數(shù)描述和主站所需的操作步驟。由于DD包括描述裝置通信所需的所有信息，并且與主站無關(guān)，所以可以使現(xiàn)場裝置實(shí)現(xiàn)真正的互操作性。

   實(shí)際情況是否如上述一致，回答是否定的。目前通過的現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)含8種類型，而原IEO國際標(biāo)準(zhǔn)只是8種類型之一，與其它7種類型總線的地位是平等的。其它7種總線，不論其市場占有率有多少，每個(gè)總線協(xié)議都有一套軟件、硬件的支撐。它們能夠形成系統(tǒng)，形成產(chǎn)品，而原IEC現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)，是一個(gè)既無軟件支撐也無硬件支撐的空架子。所以，要實(shí)現(xiàn)這些總線的相互兼容和互操作，就目前狀態(tài)而言，幾乎是不可能的。

   通過上述，我們是否可以得出這樣一種映象：開放的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的互操作性，就一個(gè)特定類型的現(xiàn)場總線而言，只要遵循該類型現(xiàn)場總線的總線協(xié)議，對(duì)其產(chǎn)品是開放的，并具有互操作性。換句話說，不論什么廠家的產(chǎn)品，也不一家是該現(xiàn)場總線公司的產(chǎn)品，只要遵循該總線的總線協(xié)議，產(chǎn)品之間是開放的，并具有互操作性，就可以組成總線網(wǎng)絡(luò)。

   (2)FCS系統(tǒng)的基礎(chǔ)是數(shù)字智能現(xiàn)場裝置

   數(shù)字智能現(xiàn)場裝置是FCS系統(tǒng)的硬件支撐，是基礎(chǔ)，道理很簡單，F(xiàn)CS系統(tǒng)執(zhí)行的是自動(dòng)控制裝置與現(xiàn)場裝置之間的雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號(hào)制。如果現(xiàn)場裝置不遵循統(tǒng)一的總線協(xié)議，即相關(guān)的通訊規(guī)約，不具備數(shù)字通信功能，那么所謂雙向數(shù)字通信只是一句空話，也不能稱之為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。再一點(diǎn)，現(xiàn)場總線的一大特點(diǎn)就是要增加現(xiàn)場一級(jí)控制功能。如果現(xiàn)場裝置不是多功能智能化的產(chǎn)品，那么現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點(diǎn)也就不存在了，所謂簡化系統(tǒng)、方便設(shè)計(jì)、利于維護(hù)等優(yōu)越性也是虛的。

   (3) FCS系統(tǒng)的本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場化

   對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)，無論是采用DCS還是采用現(xiàn)場總線，系統(tǒng)需要處理的信息量至少是一樣多的。實(shí)際上，采用現(xiàn)場總線后，可以從現(xiàn)場得到更多的信息�，F(xiàn)場總線系統(tǒng)的信息量沒有減少，甚至增加了，而傳輸信息的線纜卻大大減少了。這就要求一方面要大大提高線纜傳輸信息的能力，另一方面要讓大量信息在現(xiàn)場就地完成處理，減少現(xiàn)場與控制機(jī)房之間的信息往返�？梢哉f現(xiàn)場總線的本質(zhì)就是信息處理的現(xiàn)場化。

   減少信息往返是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)組態(tài)的一條重要原則。減少信息往返常常可帶來改善系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的好處。因此，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先將相互間信息交換量大的節(jié)點(diǎn)，放在同一條支路里。

   減少信息往返與減少系統(tǒng)的線纜有時(shí)會(huì)相互矛盾。這時(shí)仍應(yīng)以節(jié)省投資為原則來做選擇。如果所選擇系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間允許的話，應(yīng)選節(jié)省線纜的方案。如所選系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間比較緊張，稍微減少一點(diǎn)信息的傳輸就夠用了，那就應(yīng)選減少信息傳輸?shù)姆桨浮?

   現(xiàn)在一些帶現(xiàn)場總線的現(xiàn)場儀表本身裝了許多功能塊，雖然不同產(chǎn)品同種功能塊在性能上會(huì)稍有差別，但一個(gè)網(wǎng)絡(luò)支路上有許多功能雷同功能塊的情況是客觀存在的。選用哪一個(gè)現(xiàn)場儀表上的功能塊，是系統(tǒng)組態(tài)要解決的問題。