張在勇

DCS和PLC的差異及發(fā)展方向探索

張在勇

可編程邏輯控制器（PLC）與分散控制系統(tǒng)（DCS）乃是兩個截然不同，但存在緊密聯(lián)系的概念，二者均為工業(yè)控制技術與計算機技術于結合框架下所生成的產(chǎn)物。本文通過分析DCS和PLC之間的差異，探討二者未來發(fā)展方向。

PLC；DCS；差異；發(fā)展方向

伴隨當前工業(yè)自動化水平的日益提升，特別是計算機技術在工業(yè)控制領域的廣泛應用，此時采用工業(yè)控制繼電器來控制工業(yè)及機械生產(chǎn)過程的傳統(tǒng)方法，已經(jīng)較難實現(xiàn)現(xiàn)代工業(yè)控制在精度、效率、控制及操作方面的相應需求，至此，各種生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)得到迅猛發(fā)展，其中技術較為成熟且應用最為廣泛的乃是DCS和PLC。本文就二者之間差別進行分析，探索其未來發(fā)展方向與趨勢。

1 DCS及PLC的差異

PLC與DCS在設計原理方面具有較大差異。

對于PLC而言，是對原繼電器控制原理進行模仿發(fā)展而得，20世紀70年代的PLC，僅有單一的開關量邏輯控制，其首次被應用于汽車制造行業(yè)。PLC主要執(zhí)行儲存各種操作指令，如計數(shù)和運算、定時、順序控制及邏輯運算等。對于用戶編制控制程序而言，是對生產(chǎn)過程具體的工藝要求予以表達，事先在PLC用戶程序存儲器中完成儲存操作。在實際運行過程中，則依據(jù)儲存程序，依次對工藝流程要求的對應操作予以完成。在PLC的CPU內(nèi)部，設置有指示程序步存儲地址的程序計數(shù)器，程序在實際運行時，當程序執(zhí)行一步，則此計數(shù)器就會自動加1，程序從起始步開始，依據(jù)次序執(zhí)行到最終步驟，一般情況下執(zhí)行END指令，然后重新返回至起始步，再次執(zhí)行循環(huán)運算操作。當PLC執(zhí)行完一次循環(huán)操作之后，所用的時間被稱作掃描周期。PLC型號不同，對應的掃描周期也不同，一般情況下，整個循環(huán)掃描周期維持在1微秒至幾十微秒之間。程序計數(shù)器所采用的這種循環(huán)操作，是DCS所不具備的，這也是造成PLC在冗余方面沒有DCS好的主要原因。

對于DCS而言，其發(fā)展基礎為運算放大器。將全部函數(shù)和整個過程變量間所存在的關系當作成功能塊（一些系統(tǒng)也將DCS系統(tǒng)稱之為膨化塊）。對于20世紀70年代的DCS而言，其僅有模擬量控制，比如較常見到的TDC2000系統(tǒng)，它的一個控制器在一秒鐘能夠?qū)?個PID回路運算完成，首先應用的是化工行業(yè)。DCS和PLC表現(xiàn)的主要差別是在開關量的邏輯解算和模擬量的運算上，雖然后來兩者相互有些滲透，但同樣存有差別。直至20世紀80年代之后，PLC除了具備原有的邏輯運算之外，同樣有對回路進行控制的算法，但想要將一些復雜運算予以完成還比較困難，PLC所采用的是梯形圖編程，在編程運算的模擬量時，往往不太直觀，在編程方面也較為困難。但在邏輯計算方面，PLC則較為快速，尤其是在微秒量級，其對1K邏輯程序解算時間還不到1ms。它把所有的輸入都當成開關量來處理，16位（也有32位的）為一個模擬量。而DCS把所有輸入都當成模擬量，1位就是開關量。解算一個邏輯是在幾百微秒至幾毫秒量級。對于PLC解算一個PID運算在幾十毫秒，這與DCS的運算時間不相上下。大型PLC使用另外一個CPU來完成模擬量的運算。把計算結果送給PLC的控制器。不同型號的DCS，解算PID所需時間不同，但都在幾十毫秒的量級。比如較早出現(xiàn)的TDC2000系統(tǒng)，其能夠在1s實現(xiàn)9個活路具體的控制運算。伴隨當今芯片技術的不斷成熟與發(fā)展，解算算法的時間也在縮短。解算一個算法所需時間與功能塊的安排方式和組態(tài)方式有關。

在接地電阻方面，對PLC也許要求不高，但對DCS一定要在幾歐姆以下（通常在4Ω以下）。此外，模擬量隔離同樣十分重要，如若存在爆炸風險，則需設置對應的本質(zhì)安全柵。當系統(tǒng)的I/O點數(shù)相同時，采用PLC較之DCS，在成本方面則較低，通常節(jié)省成本為45%。PLC無獨立的操作站，其所采用的硬件及軟件均為相通的，因此，在具體的維修成本上相比與DCS，明顯低于后者。對于PLC控制器而言，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護成本比DCS要低很多。一個PLC的控制器，可以接收幾千個I/O點（最多可達8000多個I/O）。DCS的控制器，只能幾百個I/O點（不超過500個I/O）。如果被控對象主要是設備連鎖、回路很少，采用PLC較為合適。

此外，二者之間在其它方面的差別：①PLC通常被運用在一些小型化的自控場所，例如少量的模擬量的控制及設備的控制，而DCS則被應用在大型的應用上，基于習慣來講，我們將＞600點的系統(tǒng)稱之為DCS，而若小于此數(shù)值，則被稱之為PLC。②安全性的差異。為促使DCS控制設備在安全性方面有所保證，DCS所運用的是雙冗余的控制單元，如若其中的一些比較重要的控制單元出現(xiàn)故障，則有相關的冗余單元，實時無擾的向工作單元進行切換，促使整個系統(tǒng)在安全可靠方面提供保障。PLC所搭接的系統(tǒng)通常均不存在冗余概念，在冗余控制策略方面也就很難提及。尤其是某個PLC單元出現(xiàn)一些故障的時候，不得不停止整個系統(tǒng)的運作，方能進行維護更換，還需對其實施重新編程。因此，DCS系統(tǒng)在安全可靠性方面要高出PLC系統(tǒng)一個等級。③控制形式的差別。DCS是一種控制系統(tǒng)形式，而PLC則是一種控制產(chǎn)品。DCS是一種分布式控制系統(tǒng)，分散控制并實施集中管理。而PLC則實為一種控制器，可在DCS中予以運用，可當做一種具有獨立性的回路控制器，此外，DCS可不需要PLC，各回路在各個獨立的控制儀表上均可應用完成。

2 PLC和DCS的應用與發(fā)展方向

基于整個工業(yè)控制領域而言，通常將DCS應用在模擬量控制要求多且可靠性要求高的控制系統(tǒng)上，為了能夠最大限度的實現(xiàn)成本降低，則認為對于模擬量控制點少、可靠性要求不高及可間斷運行的工段可選用PLC實施控制，比如玻璃廠，其熔窯中央控制室實際上就是選用的DCS系統(tǒng)，而對于冷端及原料等車間而言，則較多采用PLC控制系統(tǒng)。伴隨當今工業(yè)控制技術的日趨成熟及完善，小型化PLC發(fā)展趨勢將轉向更加專業(yè)化的使用軌跡，例如在功能及所運用環(huán)境方面，則更加具有針對性，而在現(xiàn)實當中，那些高端大型的DCS及PLC在具體的界限方面已經(jīng)開始逐漸模糊，甚至出現(xiàn)完全融合的趨勢。DCS在發(fā)展方向上將更加趨向FCS。而對于FCS核心而言，不僅具有更加分散化的控制系統(tǒng)，其中作為關鍵的乃是儀表。國外FCS發(fā)展勢頭更為迅猛，已經(jīng)發(fā)展至儀表級。其中的控制系統(tǒng)僅需對信號采集實施處理，對邏輯控制及人機界面予以提供，將整個模擬量控制向現(xiàn)場儀表予以分散，而控制系統(tǒng)與儀表之間不需要采用傳統(tǒng)形式的電纜進行連接，而利用現(xiàn)場總線對整個儀表系統(tǒng)進行連接。

3 結語

無論PLC還是DCS均為控制技術及計算機技術不斷發(fā)展與融合的產(chǎn)物，均會具體的控制系統(tǒng)，二者之間不僅具有諸多相同之處，也存在許多差異，而在實際應用方面則具有比較大的相同性，二者之間不可簡單的說孰優(yōu)孰劣，而需依據(jù)各自所具有的優(yōu)點，結合用戶所處的實際環(huán)境，提供更加適宜可靠的控制系統(tǒng)。

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TM76

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1004-7344（2016）28-0279-01

2016-9-21

張在勇（1988-），男，助理工程師，本科，研究方向為電力。