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        DCS系統(tǒng)與PLC系統(tǒng)的特點淺析

        2011-11-25 02:37:16黃曉峰林清俊陳福利
        制造業(yè)自動化 2011年14期
        關(guān)鍵詞:模擬量模塊系統(tǒng)

        黃曉峰,林清俊,陳福利

        HUANG Xiao-feng1,LIN Qing-jun1,CHEN Fu-li2

        (1. 北京機械工業(yè)自動化研究所,北京 100120;2. 涿神公司 設(shè)計部電氣室,涿州 072750)

        0 引言

        DCS與PLC 都是應(yīng)用于自控領(lǐng)域的控制系統(tǒng)。隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展,工業(yè)自動化程度越來越高,對自動控制系統(tǒng)的可靠性、可操作性的要求越來越高。有許多人在選擇控制系統(tǒng)時對選擇DCS還是PLC,哪一種更適合自己的需求很難決定。以下針對這種情況,對DCS 與PLC 系統(tǒng)的發(fā)展、基本結(jié)構(gòu)、配置、應(yīng)用等進行比較和分析。

        1)集散控制系統(tǒng)DCS(Distributed Control System)是基于“4C”技術(shù)(Computer Control Communication CRT)在20 世紀(jì)70 年代中期出現(xiàn)的新型工業(yè)控制系統(tǒng)。采用分布式的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu),目的是為了減少風(fēng)險,提高系統(tǒng)可靠性。它將整個控制系統(tǒng)按照區(qū)域、功能和回路作適當(dāng)分解,再通過總線或通訊網(wǎng)絡(luò)將它們連接為有機整體。1975 年Honeywell 公司推出了第一套DCS控制系統(tǒng),首先被應(yīng)用于石油化工行業(yè)。

        2)可編程控制器PLC(Programmable Logic Controller)是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng),專為在工業(yè)環(huán)境下使用而設(shè)計的。工業(yè)生產(chǎn)過程中大量的開關(guān)量的順序控制按照邏輯條件進行順序動作,并按照邏輯關(guān)系進行連鎖保護動作的控制及大量離散量的數(shù)據(jù)采集,這些功能傳統(tǒng)上是通過氣動或電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。1968年美國GM公司提出取代繼電氣控制裝置的要求,第二年,美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置,首次采用程序化的手段應(yīng)用于電氣控制,這就是第一代可編程序控制器,稱Programmable Controller(PC)。

        1 結(jié)構(gòu)及特點

        1)DCS 是計算機技術(shù)、控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高度結(jié)合的產(chǎn)物。從結(jié)構(gòu)上劃分,DCS 包括過程級、操作級和管理級。過程級主要由過程控制站、I/ O 單元和現(xiàn)場儀表組成,是系統(tǒng)控制功能的主要實施部分。操作級包括:操作員站和工程師站,完成系統(tǒng)的操作和組態(tài)。管理級主要是指工廠管理信息系統(tǒng)(MIS系統(tǒng)),作為DCS更高層次的應(yīng)用,目前國內(nèi)應(yīng)用這一系統(tǒng)的行業(yè)較少。

        DCS 的關(guān)鍵技術(shù)在于網(wǎng)絡(luò),從上到下是樹狀拓撲和并行連續(xù)的鏈路結(jié)構(gòu),中間站聯(lián)接計算機、現(xiàn)場儀器儀表和控制裝置。

        PLC從結(jié)構(gòu)上分為固定式和組合式(模塊式)2 種。固定式PLC 包括CPU板、I/ O板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等,這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU 模塊、I/ O 模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架,這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。

        PLC的關(guān)鍵技術(shù)在于其內(nèi)部固化了一個能解釋梯形圖語言的程序及輔助通訊程序,梯形圖語言的解釋程序的效率決定了PLC 的性能,通訊程序決定了PLC 與外界交換信息的難易。對于簡單的應(yīng)用,通常以獨立控制器的方式運作,不需與外界交換信息,只需內(nèi)部固化有能解釋梯形圖語言的程序即可。

        2)在網(wǎng)絡(luò)方面DCS 網(wǎng)絡(luò)是整個系統(tǒng)的中樞神經(jīng),和利時公司的MACS 系統(tǒng)中的系統(tǒng)網(wǎng)采用的是雙冗余的100Mbps的工業(yè)以太網(wǎng),采用國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議TCP/ IP。它是安全可靠雙冗余的高速通訊網(wǎng)絡(luò),系統(tǒng)的拓展性與開放性更好。而PLC 因為基本上都為個體工作,在與別的PLC 或上位機進行通訊時,所采用的網(wǎng)絡(luò)形式基本都是單網(wǎng)結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也經(jīng)常與國際標(biāo)準(zhǔn)不符。在網(wǎng)絡(luò)安全上PLC 沒有很好的保護措施。

        3)DCS 整體考慮方案。操作員站都具備工程師站的功能,站與站之間在運行方案程序下裝后是一種緊密聯(lián)合的關(guān)系,任何站、任何功能、任何被控裝置之間都是相互連鎖控制協(xié)調(diào)控制的。DCS 可以控制和監(jiān)視工藝全過程,對自身進行診斷、維護和組態(tài)。但是,由于自身的致命弱點,其I/ O 信號采用傳統(tǒng)的模擬量信號,因此,它無法在DCS 工程師站上對現(xiàn)場儀表(比如變送器、執(zhí)行器等)進行遠方診斷、維護和組態(tài)。當(dāng)采用現(xiàn)場總線儀表時才能通過現(xiàn)場測控站對現(xiàn)場儀表進行診斷和維護。

        原來單用PLC 互相連接構(gòu)成的系統(tǒng),其站與站(PLC 與PLC)之間的聯(lián)系是一種松散的連接方式,做不出協(xié)調(diào)控制的功能。現(xiàn)在的PLC 可以采用共同的上位機,使用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 等)來協(xié)調(diào)控制。

        4)DCS在整個設(shè)計上留有大量的可擴展性接口,外接系統(tǒng)或擴展系統(tǒng)都十分方便。缺點是成本高,各公司產(chǎn)品不能互換,不能相互操作。DCS系統(tǒng)是各家不同的,所搭接的整個系統(tǒng)完成后想隨意的增加或減少操作員站都是很難實現(xiàn)的。

        5)在安全性上DCS 系統(tǒng)為保證控制設(shè)備的安全可靠采用了雙冗余的控制單元。當(dāng)重要控制單元出現(xiàn)故障時,都會有相關(guān)的冗余單元實時無擾動的切換為工作單元,保證整個系統(tǒng)的安全可靠連續(xù)工作。PLC 所搭接的系統(tǒng)基本沒有冗余的概念,更談不上冗余控制策略。特別是當(dāng)其某個PLC單元發(fā)生故障時,不得不將整個系統(tǒng)停下來,才能進行更換、維護并需重新編程。所以DCS 系統(tǒng)安全可靠性更高。

        6)系統(tǒng)軟件。對各種工藝控制方案進行更新是DCS的一項最基本的功能。當(dāng)某個方案發(fā)生變化后,工程師只需要在工程師站上將更改過的方案編譯后執(zhí)行下裝命令就可以了。下裝過程是由系統(tǒng)自動完成的,不影響原控制方案運行。對于PLC 構(gòu)成的系統(tǒng)來說,工作量極其龐大,首先需要確定所要編輯更新的是哪個PLC,然后要用與之對應(yīng)的編譯器進行程序編譯,最后再用專用的機器(讀寫器)專門一對一的將程序傳送給這個PLC。在系統(tǒng)調(diào)試期間,調(diào)試時間長和調(diào)試成本高,而且極其不利于日后的維護,在控制精度上也相差甚遠。因此在大中型控制項目中(500 點以上)基本不采用全部由PLC 所連接而成的系統(tǒng)。

        7)模塊DCS 系統(tǒng)所有I/ O 模塊都帶有CPU,可以實現(xiàn)對采集及輸出信號品質(zhì)的判斷與標(biāo)量變換,故障帶電插拔,隨機更換。而PLC 模塊只是簡單電氣轉(zhuǎn)換單元,沒有智能芯片,發(fā)生故障后相應(yīng)單元全部癱瘓。

        (1)PLC 響應(yīng)速度快;DCS 響應(yīng)速度慢。

        (2)DCS 要作復(fù)雜的運算,內(nèi)存較大;PLC一般不做復(fù)雜運算,內(nèi)存小。

        (3)DCS 的數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一,可以應(yīng)用工位號管理;PLC 的數(shù)據(jù)庫不統(tǒng)一,必須以地址為基礎(chǔ)管理。

        (4)冗余功能DCS 更容易實現(xiàn)。

        8)DCS 與PLC 的系統(tǒng)內(nèi)核的實現(xiàn)形式不同。因為DCS 的控制程序編譯以后的代碼是采用程序調(diào)用運行的,而PLC 的程序是采用編譯后對語句代碼的順序掃描實現(xiàn)的。這就是為什么PLC 至今對模擬量的處理不如DCS 功能強大。而DCS 對開關(guān)量的處理不如PLC 快速的原因。至于Siemens等公司現(xiàn)在推出的PCS7 等一體化系統(tǒng)都是在他們的CPU 模塊中采用雙CPU 進行處理,分別完成模擬量和開關(guān)量的處理。表面上看似一個系統(tǒng),實際是雙系統(tǒng)的整合。

        2 主要制造商和產(chǎn)品

        1)自1975 年以來,第四代DCS 產(chǎn)品已推上市場。主要生產(chǎn)廠家及產(chǎn)品有美國的Honeywell公司(TDC2000、TDC3000、TPS、PKS)、Westinghous 公司(WDPF、Ovation)、日本的橫河公司、日立公司、山武霍尼威爾公司、德國SIEMENS公司、Hartmann &Braun 公司、EURO公司、瑞士的ABB公司(N90、INDUSTRIAL IT、INFI90);國內(nèi)主要有北京安控科技發(fā)展有限公司、北京和利時有限公司(MACS、FOCS)、浙大中自(JX300X、JX500)、新華公司(XDPS - 400)等。

        2)PLC 在全世界有大約200 家生產(chǎn)廠家。主要廠家及產(chǎn)品有施耐德公司(Quantum、Premium、Momentum 等)、AB公 司(SLC、MicroLogix、ControlLogix 等) 、西門子公司(SIMAT2IC S7 -400/ 300/ 200 系列)、GE公司、日本歐姆龍、三菱、富士、松下等。國內(nèi)PLC 生產(chǎn)廠約30 家,但沒有形成頗具規(guī)模的生產(chǎn)能力和名牌產(chǎn)品,還有一部分是以仿制、來件組裝或貼牌方式生產(chǎn)。

        3 應(yīng)用狀況

        1)自1975 年Honeywell 公司推出第一套DCS以后,全世界有60 余家公司生產(chǎn)了1500 余種產(chǎn)品,目前約有10000套DCS 在運行。我國DCS發(fā)展較晚,大約在20 世紀(jì)80 年代末才開始逐漸普及。目前還處在從大型工程逐步向中、小型工程,從主要應(yīng)用領(lǐng)域(如石化、化工、電力、冶金等行業(yè)) 逐步向全工業(yè)范圍(如市政、食品、建材、環(huán)保、交通等)擴展階段,市場遠沒有飽和。特別在最近一段時期,將會有大量的國內(nèi)企業(yè)采用先進的DCS 來改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),它們的技術(shù)改造為DCS 提供了十分巨大的市場空間。

        目前,我國國民經(jīng)濟的主要領(lǐng)域使用DCS 系統(tǒng)已經(jīng)十分普遍,不但大型、中型工程項目采用,不少小型項目也開始采用。DCS 現(xiàn)在是流程工業(yè)自控系統(tǒng)最主要的產(chǎn)品。石化是DCS 使用比較早和普遍的領(lǐng)域,石化領(lǐng)域采購DCS 的金額占設(shè)備采購總金額的13.6 %。該領(lǐng)域幾乎全部大型工程都是采用國外系統(tǒng),其中Honeywell 公司、日本橫河電機株式會社處于領(lǐng)先地位。

        化工領(lǐng)域也是DCS 的主要應(yīng)用領(lǐng)域,大約占設(shè)備采購總金額的20.3%。在化工領(lǐng)域國產(chǎn)DCS已經(jīng)取得較大的業(yè)績,但該領(lǐng)域銷售額最高的目前還是日本橫河,其次是Honeywell、浙大中自、Emerson 以及北京和利時等公司。

        火電站是DCS 的大用戶,每年占DCS 市場總額的34.9 %(含核電和熱電系統(tǒng))?,F(xiàn)在除60萬千瓦機組和部分30萬千瓦新建機組外,30萬千瓦改造機組和30 萬千瓦以下的新建機組已經(jīng)大量采用國產(chǎn)DCS。

        冶金領(lǐng)域隨著技術(shù)的發(fā)展以及該行業(yè)自身的特殊要求,DCS 的使用量正在逐步減小而被PLC系統(tǒng)所替代。目前, DCS的金額大約占設(shè)備采購總金額的12%,ABB和Siemens 在冶金領(lǐng)域名列前茅。

        食品行業(yè)以釀酒行業(yè)使用最多,Siemens 由于與丹麥一家啤酒廠合作開發(fā)了一套專用系統(tǒng),在中國市場占有率最高,其次為Honeywell。

        2)PLC技術(shù)自二十世紀(jì)80 年代走向成熟以來,產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)能力、模擬量處理能力、運算速度、內(nèi)存、復(fù)雜運算能力均大大增強,不再局限于邏輯控制的應(yīng)用,而越來越應(yīng)用于過程控制方面。目前世界上有200 多個廠家生產(chǎn)300 多種PLC 產(chǎn)品,應(yīng)用在汽車(23%)、糧食加工(16.4%) 、化學(xué)/制藥(14.6%) 、金屬/礦山(11.5%) 、紙漿/造紙(11. 3%) 等行業(yè)。

        4 發(fā)展前景

        隨著DCS與PLC功能的不斷發(fā)展和完善,新型的DCS與新型的PLC都有向?qū)Ψ娇繑n的趨勢。新型的DCS已有很強的順序控制功能;而新型的PLC在處理閉環(huán)控制方面性能較好,而且無論在控制器方面還是網(wǎng)絡(luò)方面都能做到冗余。二者能組成大型網(wǎng)絡(luò),適用范圍已有很大的交叉,技術(shù)上相互融合,并在此基礎(chǔ)上集成了全數(shù)字化的FCS(現(xiàn)場總線控制系統(tǒng))。FCS 系統(tǒng)在我國工控領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用,但還沒成為主流控制,并且在我國還存在一些問題有待進一步完善。所以用戶對FCS 的接受和認可還需要一個過程。

        5 結(jié)論

        隨著計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的快速發(fā)展,DCS與PLC除各自保留自身原有的特點外,又相互補充形成了新的系統(tǒng)。新型的DCS和PLC功能上已沒有多大的差別。如果說它們有什么區(qū)別的話,就是設(shè)計原理不同。PLC是基于開關(guān)量控制而開發(fā)、發(fā)展起來的,而DCS 起源于模擬量控制系統(tǒng)。PLC 的優(yōu)勢是順序控制,DCS 的優(yōu)勢是模擬量控制。若控制回路較多、模擬量的采集量較大,尤其是在熱電阻、熱電偶的采集量較多的情況下應(yīng)選用DCS。若都是邏輯控制應(yīng)選用PLC。介于二者之間的,按投資預(yù)算決定。若投資預(yù)算比較充分,就可以決定采用DCS。因為DCS 不僅在完成模擬量控制方面比較擅長,而且有幾種PLC 經(jīng)現(xiàn)場使用證明它們的熱電阻的輸入模塊和DCS 的輸入模塊的價格基本一樣,從調(diào)試的角度看,PLC 的信號輸入卡沒有DCS 的好用,有時在調(diào)試時還容易損壞。

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