DCS與PLC的主要區(qū)別
在實際生產(chǎn)中,有很多工人甚至技術(shù)員都會問DCS與PLC的區(qū)別主要是什么?現(xiàn)以在火電廠的應(yīng)用為例加以說明:
在火電廠熱工自動化領(lǐng)域,DCS和PLC是兩個完全不同而又有著千絲萬縷聯(lián)系的概念。DCS和PLC都是計算機技術(shù)與工業(yè)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,火電廠主機控制系統(tǒng)用的是DCS,而PLC主要應(yīng)用在電廠輔助車間。DCS和PLC都有操作員站提供人機交互的手段、都依靠基于計算機技術(shù)的控制器完成控制運算、都通過I/O卡件完成與一次元件和執(zhí)行裝置的數(shù)據(jù)交換、都具備稱之為網(wǎng)絡(luò)的通信系統(tǒng)。DCS和PLC如此相似,為什么會有完全不同的概念,我們在工程實踐中如何進行選擇?本文從歷史沿革、技術(shù)特點、發(fā)展方向等幾個方面作一綜述,希望能夠?qū)峁I(yè)人員有所借鑒。其中的DCS的情況以NETWORK6000+為例,力求例舉詳實闡述清晰。
1、DCS和PLC的歷史沿革及核心概念
DCS為分散控制系統(tǒng)的英文(TOTAL DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM)簡稱。指的是危險分散、數(shù)據(jù)集中。70年代中期進入市場,完成模擬量控制,代替以PID運算為主的模擬控制儀表。首先提出DCS這樣一種思想的是儀表制造廠商,當(dāng)時主要應(yīng)用于化工行業(yè)。而PLC于60年代末研制成功,稱作邏輯運算的可編程序控制器(Programmable Logic Controller),簡稱PLC。主要應(yīng)用于汽車制造業(yè)。
DCS和PLC的設(shè)計原理區(qū)別較大,PLC是從摸仿原繼電器控制原理發(fā)展起來的,70年代的PLC只有開關(guān)量邏輯控制。它以存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和運算等操作的指令;并通過數(shù)字輸入和輸出操作,來控制各類機械或生產(chǎn)過程。用戶編制的控制程序表達了生產(chǎn)過程的工藝要求。將其存入PLC的用戶程序存儲器,運行時按存儲程序的內(nèi)容逐條執(zhí)行,以完成工藝流程要求的操作。
DCS是在運算放大器的基礎(chǔ)上得以發(fā)展的。把所有的函數(shù)、各過程變量之間的關(guān)系都設(shè)計成功能塊。70年代中期的DCS只有模擬量控制。
DCS和PLC控制器的主要差別是在開關(guān)量和模擬量的運算上,即使后來兩者相互有些滲透,但是仍然有區(qū)別。80年代以后,PLC除邏輯運算外,也增加了一些控制回路算法,但要完成一些復(fù)雜運算還是比較困難,PLC用梯形圖編程,模擬量的運算在編程時不太直觀,編程比較麻煩。但在解算邏輯方面,表現(xiàn)出快速的優(yōu)點。而DCS使用功能塊封裝模擬運算和邏輯運算,無論是邏輯運算還是復(fù)雜模擬運算的表達形式都非常清晰,但相對PLC來說邏輯運算的表達效率較低。
DCS和PLC在歷史沿革上的差異是明顯的,對它們后續(xù)的發(fā)展產(chǎn)生了重大影響。然而,對后續(xù)發(fā)展影響最大的,并不是起源技術(shù)上的差別,而是其起源概念的差別。DCS的核心概念是危險分散,數(shù)據(jù)集中的計算機控制系統(tǒng),因此DCS的發(fā)展過程,就是在不斷的運用計算機技術(shù)、通訊技術(shù)和控制技術(shù)的最新成果,來構(gòu)建一個完整的集散控制體系,DCS給用戶提供的是一個完整的面向工業(yè)控制的安全可靠高效靈活的解決方案。而PLC的核心概念是可編程序控制器,目的是用來取代繼電器,執(zhí)行邏輯、計時、計數(shù)等順序控制功能,建立柔性程序控制裝置。所以,PLC不斷發(fā)展的主線是在不斷地提高各項能力指標,給用戶提供一個完善的功能靈活的控制裝置。
DCS是一個體系,PLC是一個裝置,這是兩者在概念上的根本區(qū)別。這個區(qū)別的影響是深刻,它滲透到了技術(shù)經(jīng)濟的每一個方面。
2、DCS和PLC的技術(shù)特點與相互滲透
不同的概念基礎(chǔ)、不同的發(fā)展道路使得DCS和PLC有著各自不同的技術(shù)特點,而技術(shù)的發(fā)展也不是封閉的,相互學(xué)習(xí)相互滲透也始終貫穿在發(fā)展過程之中。
2.1、控制處理能力
我們知道,一個PLC的控制器,往往能夠處理幾千個I/O點(最多可達8000多個I/O)。而DCS的控制器,一般只能處理幾百個I/O點(不超過500個I/O)。難道是DCS開發(fā)人員技術(shù)水平太差了嗎?恐怕不是。從集散體系的要求來說,不允許有控制集中的情況出現(xiàn),太多點數(shù)的控制器在實際應(yīng)用中是毫無用處的,DCS開發(fā)人員根本就沒有開發(fā)帶很多I/O點數(shù)控制器的需要驅(qū)動,他們的主要精力在于提供體系的可靠性和靈活性。而PLC不一樣,作為一個獨立的柔性控制裝置,帶點能力越強當(dāng)然也就代表其技術(shù)水平越高了,至于整個控制體系的應(yīng)用水平呢,這主要是工程商和用戶的事情,而不是PLC制造商的核心目標。
控制處理能力的另一個指標,運算速度,在人們印象當(dāng)中PLC也比DCS要快很多。從某一個角度來看,情況也的確如此,PLC執(zhí)行邏輯運算的效率很高,執(zhí)行1K邏輯程序不到1毫秒,其控制周期(以DI輸入直接送DO輸出為例)可以控制在50ms以內(nèi);而DCS在處理邏輯運算和模擬運算時采用相同的方式,其控制周期往往在100ms以上。我們用PID算法來比較時,可以發(fā)現(xiàn)PLC執(zhí)行一個PID運算在幾個毫秒,NETWORK6000+DCS的T2550控制器解算一個PID也需要1個毫秒,這說明PLC和DCS和實際運算能力是相當(dāng)?shù)?某此型號的DCS控制器甚至更強。而控制周期上的差異主要與控制器的調(diào)度設(shè)計有關(guān)。大型PLC往往使用副CPU來完成模擬量的運算,主CPU高速地完成開關(guān)量運算,所以即使模擬運算速度一般,在開關(guān)量控制方面的速度表現(xiàn)還是非常優(yōu)秀的。而DCS以同樣的速度來處理開關(guān)量和模擬量運算,控制周期的指標確實不理想。新型的DCS控制器學(xué)習(xí)了大型PLC的設(shè)計,在控制周期方面的表現(xiàn)獲得了大幅度的提高。以NETWORK6000+DCS的T2550控制器為例。控制器可以設(shè)置四個不同優(yōu)先級的任務(wù),最小運算周期可以設(shè)為10ms,配合高速I/O卡件,控制周期能夠達到15~20ms。而模擬量運算設(shè)置在其它周期較長的任務(wù)中。
2.2數(shù)據(jù)通訊交換
數(shù)據(jù)通訊交換主要是指控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及其數(shù)據(jù)交換形式。在這個方面DCS有著先天的優(yōu)勢。集散系統(tǒng)的“分散”主要體現(xiàn)在獨立的控制器上,“集中”主要體現(xiàn)在具有完整數(shù)據(jù)的人機交互裝置上,而將分散和集中連接成集散系統(tǒng)的正是網(wǎng)絡(luò)。因此,從DCS發(fā)展的早期,網(wǎng)絡(luò)就成為了DCS生產(chǎn)廠家的核心技術(shù)方向,冗余技術(shù)、窄帶傳輸技術(shù)都是DCS廠家最早研發(fā)或應(yīng)用成功的。PLC主要是按照獨立裝置來設(shè)計的,其 “網(wǎng)絡(luò)”實際上是串行通訊。
工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用,從形式上拉平了DCS和PLC網(wǎng)絡(luò)方面的差距。從表面上看很多DCS和PLC都應(yīng)用了工業(yè)以太網(wǎng),但是其實質(zhì)上的差距卻依然存在。以很多PLC采用的MODBUS-TCP以例。MODBUS是串行通訊協(xié)議,不是網(wǎng)絡(luò),大家都沒有疑問;MODBUS-TCP是網(wǎng)絡(luò)嗎?很多人就有疑問了。仔細分析,MODBUS-TCP是將MODBUS通訊協(xié)議加載到以太網(wǎng)的TCP協(xié)議之上的一種通訊方式,它雖然具有了網(wǎng)絡(luò)的外形,但依然是一主多從的管理方式,數(shù)據(jù)表的傳輸結(jié)構(gòu)。而DCS呢,以網(wǎng)絡(luò)6000+DCS的ELIN網(wǎng)為例,雖然也是基于工業(yè)以太網(wǎng)的,但其應(yīng)用層協(xié)議是歐陸公司積累了近30年的無主令牌LIN網(wǎng)協(xié)議,在1M的OLIN,2.5M和20M的ARCNET上都有長期成功的應(yīng)用。ELIN網(wǎng)上,各站平等,不存在主要管理站。而且數(shù)據(jù)通訊是以模塊為單位的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)管理能力非數(shù)據(jù)表方式可比。
以PID模塊為例,其中的基本數(shù)據(jù)有PV、SP、OP,采用數(shù)據(jù)表的傳輸方式,你必須先定義PV、SP、OP的數(shù)據(jù)地址為01、02、03,其它的站也以數(shù)據(jù)表的方式接收數(shù)據(jù),但是01是什么數(shù)據(jù)?02是什么數(shù)據(jù)?必須通過數(shù)據(jù)定義表才能還原。數(shù)據(jù)表的管理方式煩瑣易錯,一個大型系統(tǒng)的上萬點數(shù)據(jù)采用這個方式,平鋪在數(shù)據(jù)表中進行管理,是非??膳碌摹6鳱ETWORK6000+DCS以模塊為單位的結(jié)構(gòu)化管理,將一個PID作為一個模塊進行處理,要訪問其PV值,首先訪問其模塊,以PID.PV的形式來管理。這就將所有平鋪的數(shù)據(jù),分類歸屬集中到一個個小盒子中,按模塊.分量的方式進行管理,管理的效率大大提高。
PLC數(shù)據(jù)通訊交換的問題,主要源于PLC長期以來做為一個獨立裝置在發(fā)展,沒有系統(tǒng)概念;而且主要應(yīng)用在小型控制系統(tǒng)中,問題暴露得并不明顯,所以發(fā)展較慢。目前也有一些大型PLC在這個方面有所提高,但是要達到DCS的水平還需要一個相當(dāng)長的過程。
2.3、組態(tài)維護功能
組態(tài)維護功能包括邏輯組態(tài)、下載修改、運行調(diào)試、遠程診斷等。 早期,PLC以梯形圖為主,DCS以模塊功能圖為主。經(jīng)過多年的發(fā)展,國際電工委員會通過IEC1131-3標準規(guī)定了五種編程語言,目前主流的DCS和PLC都表示符合這個標準,支持其中的幾種或全部編程語言。從開發(fā)效率和程序可讀性來考慮,模塊功能圖和順序功能圖越來越成為主要的編程方式,梯形邏輯和結(jié)構(gòu)化文本成為了自定義模塊的開發(fā)工具。大型PLC在組態(tài)方式上越來越像DCS,差距在逐漸縮小,而小型PLC仍然以梯形圖為主。
DCS經(jīng)過多年的發(fā)展,積累了大量的高級算法模塊。例如NETWORK6000+具有的設(shè)備級模塊,在一個模塊中集中完成了面向設(shè)備的基本控制和故障報警功能,在網(wǎng)絡(luò)通訊中也已此模塊為單位進行傳遞,大大提高了軟件開發(fā)的效率。一個設(shè)備極模塊相當(dāng)于0.5K的梯形圖邏輯量,PLC要完成同樣的功能,就要煩瑣得多了。
在下載修改、運行調(diào)試、遠程診斷方面,PLC缺乏解決方案。而DCS從一設(shè)計之初就是從系統(tǒng)需要的角度出發(fā)的,有著多年積累的完善的解決方案。以NETWORK6000+DCS為例,系統(tǒng)既可以在線修改控制策略,也可以在線下載控制策略,修改和下載過程中,對系統(tǒng)的正常運行沒有影響。NETWORK6000+DCS有完善的虛擬DCS功能,不但可以用于組態(tài)邏輯的驗證,而且能夠構(gòu)建成完整的虛擬DCS與模型相連,完成系統(tǒng)的仿真調(diào)試。NETWORK6000+DCS具有完善的安全措施,提供基于廣域網(wǎng)的遠程調(diào)試方案。
2.4、硬件封裝結(jié)構(gòu)
PLC一般為大底版式機架,封閉式I/O模件,封閉式結(jié)構(gòu)有利與提高I/O模件的可靠性,抗射頻、抗靜電、抗損傷。PLC模件的I/O點數(shù)有8點、16點、32點。
DCS大部分為19英寸標準機箱加插件式I/O模件,I/O模件為裸露式結(jié)構(gòu)。每個模件的I/O點數(shù)有8點和16點,很少使用32點模件。 DCS的這種結(jié)構(gòu)源于其使用領(lǐng)域主要在大型控制對象,19英寸標準機箱便于密集布置,較少的I/O點數(shù)則是由于對分散度的要求。PLC的大底版式機架,封閉式模件結(jié)構(gòu)在管理和配置上更加靈活,單個設(shè)備的可靠性更高。因此,不少DCS也吸收了PLC在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點,采用了和PLC相似的封裝結(jié)構(gòu),如I/A采用金屬外殼, NETWORK-6000+采用導(dǎo)電塑料外殼。
2.5、人機交互裝置
在早期,DCS作為一個系統(tǒng),其人機交互裝置是DCS廠家提供的專用裝置。而PLC廠家一般不提供人機交互裝置,往往由工程商自主采用通用的監(jiān)控軟件來完成(如ifix、intouch、組態(tài)王)。DCS集成的人機交互裝置往往有著功能較專業(yè)、穩(wěn)定性較好的特點,但是其價格也很高。隨著PC技術(shù)的快速發(fā)展,一些通用監(jiān)控軟件發(fā)展很快,功能和性能逐漸超過了DCS廠家提供的專用裝置。因此不少DCS廠家逐步放棄了專用的人機交互裝置,轉(zhuǎn)而和PLC一樣也使用了通用的監(jiān)控軟件。DCS廠家使用通用監(jiān)控軟件并不是簡單地拼裝,而是在通用監(jiān)控軟件的基礎(chǔ)上,通過合作開發(fā),將自已多年積累的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、系統(tǒng)自診斷技術(shù)以專用軟件包的形式保留和繼承下來了。例如,NETWORK-6000+早期曾經(jīng)使用過基于專用操作系統(tǒng)的T1000人機交互系統(tǒng),而目前主要使用基于FIX/IFIX或INTOUCH的T3500人機交互系統(tǒng)。其中的LINPOLL網(wǎng)絡(luò)通訊包是由歐陸公司開發(fā)集成的。
3、DCS和PLC的市場情況和發(fā)展方向
在熱工自動化領(lǐng)域,主廠房控制系統(tǒng)基本上毫無例外地使用DCS。而在輔助車間才使用PLC。其主要原因是早期的DCS系統(tǒng)非常昂貴,人們認為輔助車間的運行可以間斷,可靠性要求不是很高,且模擬量控制要求較少,從降低成本的角度出發(fā),往往選擇PLC來構(gòu)建控制系統(tǒng)。而鍋爐、汽機和發(fā)電機的控制系統(tǒng),要求長期穩(wěn)定可靠地運行,信號中含有相當(dāng)比例的模擬量,從系統(tǒng)的性能出發(fā),人們不得不選擇了昂貴的DCS。 另外,分析一下主廠房DCS和輔助車間控制系統(tǒng)的市場競爭情況,我們會發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象。主廠房DCS的競爭往往在不同品牌的供應(yīng)商或代理商之間展開,競爭激烈,DCS的價格不斷下調(diào)。而輔助車間控制系統(tǒng)的競爭往往在同一品牌PLC的各個工程商之間進行,門檻較低,競爭更加激烈,但是PLC的價格下調(diào)幅度卻并不如DCS明顯。主要原因是DCS的生產(chǎn)商直接參與競爭,在巨大的市場壓力下,不斷下調(diào)設(shè)備制造費用和工程實施費用。而PLC的生產(chǎn)商不直接參與競爭,各個工程商只能下調(diào)自身有限的工程費用,空間有限。從現(xiàn)在情況看來,DCS與高檔PLC的價格差距已不明顯,輔助車間仍然較多地采用PLC,是市場的慣性使然。
隨著國內(nèi)電廠裝機容量的不斷擴大及電力系統(tǒng)改革的推進,對輔助車間控制的要求也不斷提高,在這個大環(huán)境,DCS系統(tǒng)進入輔助車間控制已成為趨勢。NETWORK6000+DCS因其綜合的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢,已經(jīng)并將繼續(xù)在輔助車間控制方面發(fā)揮越來越大的作用。在輔助車間應(yīng)用廣泛的PLC也并不會就此退出熱工自動化的歷史舞臺,前所未有的競爭壓力,將會促使PLC廠商在技術(shù)上向DCS標準靠攏,在價格上作出更大的努力。 市場競爭的結(jié)果,將使用戶獲獲得更大的利益。
4、結(jié)論
DCS和PLC作為計算機技術(shù)和控制技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物,為火電廠熱工自動化水平的提高都作出了各自的貢獻。由于兩者在應(yīng)用上有較大的相通性,在不同的時期,其各自的技術(shù)或價格優(yōu)勢,都會直接影響到其市場地位。而市場的反應(yīng)也會或快或慢地反映到各自的技術(shù)發(fā)展和價格調(diào)整上。從總的趨勢來看,DCS和PLC在技術(shù)上的融合和促進將會是競爭的主流,而在性價比方面,你來我往地不斷攀升,也將是發(fā)展的主旋律。
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