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DCS 和PLC 控制系统特点分析

DCS 和PLC 全部是应用于自控领域控制系统。伴随工
业生产快速发展,工业自动化程度越来越高,对自动控制
系统可*性、可操作性要求越来越高。有很多人在选
择控制系统时对选择DCS 还是PLC ,哪一个更适合自己
需求极难决定。文章针对这种情况,对DCS 和PLC 系统
发展、基础结构、配置、应用等进行比较和分析,期望对广大
读者有所帮助。
1 　起源
　　①集散控制系统DCS (Distributed Control System) 是基
于”4C”技术(Computer Control Communication CRT) 在20 世纪
70 年代中期出现新型工业控制系统。采取分布式计
算机系统结构,目标是为了降低风险,提升系统可*性。它
将整个控制系统根据区域、功效和回路作合适分解,再经过
总线或通讯网络将它们连接为有机整体。1975 年Honey2
well 企业推出了第一套DCS 控制系统,首先被应用于石油
化工行业。
　　②可编程控制器PLC( Programmable Logic Controller) 是
一个数字运算操作电子系统,专为在工业环境下使用而
设计。工业生产过程中,大量开关量次序控制,根据
逻辑条件进行次序动作,并根据逻辑关系进行连锁保护动
作控制,及大量离散量数据采集,这些功效传统上是通
过气动或电气控制系统来实现。1968 年美国GM(通用
汽车) 企业提出替换继电气控制装置要求,第二年,美国
数字企业研制出了基于集成电路和电子技术控制装置,
首次采取程序化手段应用于电气控制,这就是第一代可
编程序控制器,称Programmable Controller(PC) 。
2 　结构及特点
　　(1) DCS 是计算机技术、控制技术和网络技术高度结
合产物。从结构上划分,DCS 包含过程级、操作级和管理
级。过程级关键由过程控制站、I/ O 单元和现场仪表组成,
是系统控制功效关键实施部分。操作级包含:操作员站
和工程师站,完成系统操作和组态管理级关键是指工
厂管理信息系统(MIS 系统) ,作为DCS 更高层次应用,目
前中国应用这一系统行业较少。
　　DCS 关键技术在于网络,从上到下是树状拓扑和并
行连续链路结构,中间站联接计算机、现场仪器仪表和控
制装置。
　　PLC 从结构上分为固定式和组合式(模块式) 2 种。固
定式PLC 包含CPU 板、I/ O 板、显示面板、内存块、电源等,
这些元素组合成一个不可拆卸整体。模块式PLC 包含
CPU 模块、I/ O 模块、内存、电源模块、底板或机架,这些模
块能够根据一定规则组合配置。
　　PLC 关键技术在于其内部固化了一个能解释梯形图
语言程序及辅助通讯程序,梯形图语言解释程序效
率决定了PLC 性能,通讯程序决定了PLC 和外界交换信
息难易。对于简单应用,通常以独立控制器方法运
作,不需和外界交换信息,只需内部固化有能解释梯形图语
言程序即可。
　　(2) 在网络方面,DCS 网络是整个系统中枢神经,和
利时企业MACS 系统中系统网采取是双冗余
100Mbps 工业以太网,采取国际标准协议TCP/ IP。它是
安全可*双冗余高速通讯网络,系统拓展性和开放性
愈加好。而PLC 因为基础上全部为个体工作,在和别PLC 或
上位机进行通讯时,所采取网络形式基础全部是单网结构,
网络协议也常常和国际标准不符。在网络安全上,PLC 没
有很好保护方法。
　　(3) DCS 整体考虑方案。操作员站全部含有工程师站
功效,站和站之间在运行方案程序下装后是一个紧密联合
关系,任何站、任何功效、任何被控装置之间全部是相互连
锁控制, 协调控制。DCS 能够控制和监视工艺全过程,
对本身进行诊疗、维护和组态。不过,因为本身致命弱
点,其I/ O 信号采取传统模拟量信号,所以,它无法在
DCS 工程师站上对现场仪表(比如变送器、实施器等) 进行
远方诊疗、维护和组态。当采取现场总线仪表时才能经过
现场测控站对现场仪表进行诊疗和维护。
　　原来单用PLC 相互连接组成系统,其站和站(PLC 和
PLC) 之间联络是一个松散连接方法,做不出协调控制
功效。现在PLC 能够采取共同上位机,使用PLC 网
络(如Siemens 企业SINEC - L1、SINEC - H1、S4、S5、S6、S7
等,GE 企业GENET、三菱企业MELSEC - NET、MELSEC
- NET/MINI 等) 来协调控制。
　　(4) DCS 在整个设计上留有大量可扩展性接口,外
接系统或扩展系统全部十分方便,缺点是成本高,各企业产品
不能交换,不能互操作,大DCS 系统是各家不一样. PLC 所
搭接整个系统完成后,想随意增加或降低操作员站全部
是极难实现。
　　(5) 在安全性上DCS 系统为确保控制设备安全可
*,采取了双冗余控制单元,当关键控制单元出现故障
时,全部会有相关冗余单元实时无扰动切换为工作单元,
确保整个系统安全可*。PLC 所搭接系统基础没有冗
余概念,更谈不上冗余控制策略。尤其是当其某个PLC
单元发生故障时,不得不将整个系统停下来,才能进行更
换、维护并需重新编程。所以DCS 系统安全可*性更高。
　　(6) 系统软件,对多种工艺控制方案进行更新是DCS
一项最基础功效,当某个方案发生改变后,工程师只需
要在工程师站上将更改过方案编译后,实施下装命令就
能够了。下装过程是由系统自动完成,不影响原控制方
案运行。对于PLC 组成系统来说,工作量极其庞大,首
先需要确定所要编辑更新是哪个PLC ,然后要用和之对
应编译器进行程序编译,最终再用专用机器(读写器)
专门一对一将程序传送给这个PLC。在系统调试期间,
调试时间长和调试成本高,而且极其不利于以后维护,在
控制精度上相差甚远。所以在大中型控制项目中(500 点
以上) ,基础不采取全部由PLC 所连接而成系统。
　　(7) 模块DCS 系统全部I/ O 模块全部带有CPU ,能够实
现对采集及输出信号品质判定和标量变换,故障带电插
拔,随机更换。而PLC 模块只是简单电气转换单元,没有
智能芯片,发生故障后对应单元全部瘫痪。
　　①PLC 响应速度快;DCS 响应速度慢。
　　②DCS 要作复杂运算,内存较大;PLC 通常不做复杂
运算,内存小。
　　③DCS 数据库统一,能够应用工位号管理;PLC 数
据库不统一,必需以地址为基础管理。
　　④冗余功效,DCS 更轻易实现。
　　(8) DCS 和PLC 系统内核实现形式不一样。因为
DCS 控制程序编译以后代码是采取程序调用运行,
而PLC 程序是采取编译后对语句代码次序扫描实现
。这就是为何PLC 至今对模拟量处理不如DCS 功
能强大,而DCS 对开关量处理不如PLC 快速原因。至
于Siemens 等企业现在推出PCS7 等一体化系统全部是在她
们CPU 模块中采取双CPU 进行处理,分别完成模拟量和
开关量处理,表面上看似一个系统,实际是双系统整
合。
3 　关键制造商和产品
　　(1) 自1975 年以来,第四代DCS 产品已推上市场,主
要生产厂家及产品有美国HoneyWell 企业( TDC、
TDC3000、TPS、PKS) 、Westinghous 企业(WDPF、Ovation) ,日本
横河企业、日立企业、山武霍尼威尔企业,德国SIEMENS
企业、Hartmann &Braun 企业、EURO 企业,瑞士ABB 企业
(N90、INDUSTRIAL IT、INFI90) ;中国关键有北京安控科技发
展,北京和利时(MACS、FOCS) ,浙大中自
(JX300X、JX500) ,新华企业(XDPS - 400) 等。
　　(2) PLC 在全世界有大约200 家生产厂家,关键厂家及
产品有施耐德企业(Quantum、Premium、Momentum 等) ,A - B
企业(SLC、MicroLogix、Control Logix 等) ,西门子企业(SIMAT2
IC S7 - 400/ 300/ 200 系列) , GE 企业,日本欧姆龙、三菱、富
士、松下等;中国PLC 生产厂约30 家,但没有形成颇具规模
生产能力和名牌产品,还有一部分是以仿制、来件组装
或贴牌”方法生产。
4 　应用情况
　　(1) 自1975 年Honeywell 企业推出第一套DCS 以后,全
世界有60 余家企业生产了1500 余种产品,现在约有10 000
套DCS 在运行。中国DCS 发展较晚,大约在20 世纪80 年
代末才开始逐步普及。现在还处于从大型工程逐步向中、
小型工程,从关键应用领域(如石化、化工、电力、冶金等行
业) 逐步向全工业范围(如市政、食品、建材、环境保护、交通等)
扩展阶段,市场远没有饱和。尤其在最近一段时期,将会有
大量中国企业采取优异DCS 来改造传统产业,它们
技术改造为DCS 提供了十分巨大市场空间。
　　现在,中国国民经济关键领域使用DCS 系统已经十
分普遍,不仅大型、中型工程项目采取,不少小型项目也开
始采取。DCS 现在是步骤工业自控系统最关键产品。
　　石化是DCS 使用比较早和普遍领域,石化领域采购
DCS 金额占设备采购总金额13. 6 %。该领域几乎全部
大型工程全部是采取国外系统,其中Honeywell 企业、日本横
河电机株式会社处于领先地位。
　　化工领域也是DCS 关键应用领域,大约占设备采购
总金额20. 3 %。在化工领域国产DCS 已经取得较大
业绩,但该领域销售额最高现在还是日本横河,其次是
Honey - well、浙大中自、Emerson 和北京和利时等企业。
　　火电站是DCS 大用户,每十二个月占DCS 市场总额34. 9 %
(含核电和热电系统) 。现在除60 万千瓦机组和部分30 万
千瓦新建机组外,30 万千瓦改造机组和30 万千瓦以下
新建机组已经大量采取国产DCS。
　　冶金领域伴随技术发展和该行业本身对
__特殊要求,DCS 使用量正在逐步减小,被PLC 系统所替
代。现在, DCS 金额大约占设备采购总金额12 % ,
ABB 和Siemens 在冶金领域名列前茅。
　　食品行业以酿酒行业使用最多,Siemens 因为和丹麦一
家啤酒厂合作开发了一套专用系统,在中国市场拥有率最
高,其次为Honeywell。
　　(2) PLC 技术自二十世纪80 年代走向成熟以来,产品
网络能力、模拟量处理能力、运算速度、内存、复杂运算能
力均大大增强,不再局限于逻辑控制应用,而越来越应用
于过程控制方面。现在世界上有200 多个厂家生产300 多
种PLC 产品,应用在汽车(23 %) 、粮食加工(16. 4 %) 、化学/
制药(14. 6 %) 、金属/ 矿山(11. 5 %) 、纸浆/ 造纸(11. 3 %) 等
行业。
5 　发展前景
　　伴随DCS 和PLC 功效不停发展和完善,新型DCS
和新型PLC ,全部有向对方*拢趋势。新型DCS 已经有
很强次序控制功效而新型PLC ,在处理闭环控制方面
性能很好,而且不管在控制器方面还是网络方面全部能做到
冗余。二者能组成大型网络,适用范围已经有很大交叉,技
术上相互融合,并在此基础上集成了全数字化FCS(现场
总线控制系统) 。FCS 系统在中国工控领域已得到广泛应
用,但还没成为主流控制,而且在中国还存在部分问题,有
待深入完善。所以用户对FCS 接收和认可还需要一个
过程。
6 　结论
　　伴随计算机技术和微电子技术快速发展,DCS 和
PLC除各自保留本身原有特点外,又相互补充,形成新
系统。新型DCS 和PLC 功效上已没有多大差异。如
果说它们有什么区分话,就是设计原理不一样。PLC 是基
于开关量控制而开发、发展起来,而DCS 起源于模拟量
控制系统。PLC 优势是次序控制,DCS 优势是模拟量
控制。若控制回路较多、模拟量采集量较大,尤其是在热
电阻、热电偶采集量较多情况下,应选择DCS。若全部是
逻辑控制,应选择PLC。介于二者之间,按投资预算决
定。若投资预算比较充足,就能够决定采取DCS。因为
DCS 不仅在完成模拟量控制方面比较善长,而且有多个
PLC 经现场使用证实,它们热电阻输入模块和DCS
输入模块价格基础一样,从调试角度看,PLC 信号输
入卡没有DCS 好用,有时在调试时还轻易损坏。