论DCS,PLC,FCS三大控制系统的特点及差异

2010-08-15潘蕊

山西建筑 2010年32期

潘蕊

1 DCS,PLC,FCS三大控制系统的基本特点

目前,在连续型流程生产自动控制(PA)或习惯称之为工业过程控制中,有三大控制系统,即 PLC,DCS和 FCS。它们各自的基本特点如下。

1.1 DCS

1)分散控制系统DCS与集散控制系统 TDCS是集 4C(Communication,Computer,Control,CRT)技术于一身的监控技术。2)从上到下的树状拓扑大系统,其中通信(Communication)是关键。3)PID在中断站中,中断站联接计算机与现场仪器仪表与控制装置。4)是树状拓扑和并行连续的链路结构,也有大量电缆从中继站并行到现场仪器仪表。5)模拟信号,A/D-D/A、带微处理器的混合。6)一台仪表一对线接到 I/O,由控制站挂到局域网LAN。7)DCS是控制(工程师站)、操作(操作员站)、现场仪表(现场测控站)的3级结构。8)缺点是成本高,各公司产品不能互换,不能互操作,大DCS系统各家是不同的。9)用于大规模的连续过程控制,如石化等。 10)制造商:Bailey(美)、Foxboro(美)、ABB(瑞士 )、Hartmann＆ Braun(德)、Yokogawa(日)、Honewell(美国)、Taylor(美)等。

1.2 PLC

1)从开关量控制发展到顺序控制、运送处理,是从下往上的。2)连续 PID控制等多功能,PID在中断站中。3)可用一台PC机为主站,多台同型PLC为从站。4)也可一台 PLC为主站,多台同型PLC为从站,构成 PLC网络。这比用 PC机作主站方便之处是:有用户编程时,不必知道通信协议,只要按说明书格式写就行。5)PLC网格既可作为独立 DCS/TDCS,也可作为 DCS/TDCS的子系统。6)大系统同 DCS/TDCS,如 TDC3000,CENTUMCS,WDPFI,MOD 300。7)PLC网络如 Siemens公司的 SINEC-L1,SINEC-H 1,S4,S5,S6,S7等,GE公司的 GENET,三菱公司的 MELSEC-NET,MELSEC-NET/MINI。8)主要用于工业过程中的顺序控制,新型PLC也兼有闭环控制功能。9)制造商:GOULD(美),AB(美),GE(美),OMRON(日),MITSUBISH I(日),Siemens(德)等。

1.3 FCS

1)基本任务是:本质(本征)安全、危险区域、易变过程、难于对付的非常环境。2)全数字化、智能、多功能取代模拟式单功能仪器、仪表、控制装置。3)用两根线联接分散的现场仪表、控制装置、PID与控制中心,取代每台仪器两根线。4)在总线上 PID与仪器、仪表、控制装置都是平等的。5)多变量、多节点、串行、数字通信系统取代单变量、单点、并行、模拟系统。6)是互联的、双向的、开放的取代单向的、封闭的。7)用分散的虚拟控制站取代集中的控制站。8)由现场电脑操纵,还可挂到上位机,接同一总线的上一级计算机。9)局域网,可与internet相通。10)改变传统的信号标准、通信标准和系统标准入企业管理网。11)制造商:美 Honeywell,Smar,Fisher-Rosemount,AB/Rockwell,Elsag-Bailey,Foxboro,Yamatake,日 Yokogawa,欧 Siemens,GEC-Alsthom,Schneider,proces-Data,ABB等。

2 三大控制系统之间的差异

2.1 差异要点

DCS系统的关键是通信。也可以说数据公路是分散控制系统 DCS的脊柱。由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络,因此,数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。数据公路的媒体可以是:一对绞线、同轴电缆或光纤电缆。为保证通信的完整,大部分DCS厂家都能提供冗余数据。为了保证系统的安全性,使用了复杂的通信规约和检错技术。

FCS的关键要点有三点 :

1)FCS系统的核心是总线协议,即总线标准。为了使现场总线满足可互操作性要求,使其成为真正的开放系统,在IEC国际标准,现场总线通讯协议模型的用户层中,就明确规定用户层具有装置描述功能。为了实现互操作,每个现场总线装置都用装置DD来描述。DD能够认为是装置的一个驱动器,它包括所有必要的参数描述和主站所需的操作步骤。由于DD包括描述装置通信所需的所有信息,并且与主站无关,所以可以使现场装置实现真正的互操作性。开放的现场总线控制系统的互操作性,就一个特定类型的现场总线而言,只要遵循该类型现场总线的总线协议,对其产品是开放的,并具有互操作性。2)FCS系统的基础是数字智能现场装置。数字智能现场装置是 FCS系统的硬件支撑,是基础,道理很简单,FCS系统执行的是自动控制装置与现场装置之间的双向数字通信现场总线信号制。如果现场装置不遵循统一的总线协议,即相关的通讯规约,不具备数字通信功能,那么所谓双向数字通信只是一句空话,也不能称之为现场总线控制系统。再一点,现场总线的一大特点就是要增加现场一级控制功能。3)FCS系统的本质是信息处理现场化。对于一个控制系统,无论是采用DCS还是采用现场总线,系统需要处理的信息量至少是一样多的。实际上,采用现场总线后,可以从现场得到更多的信息。现场总线系统的信息量没有减少,甚至增加了,而传输信息的线缆却大大减少了。这就要求一方面要大大提高线缆传输信息的能力,另一方面要让大量信息在现场就地完成处理,减少现场与控制机房之间的信息往返。可以说现场总线的本质就是信息处理的现场化。减少信息往返是网络设计和系统组态的一条重要原则。减少信息往返常常可带来改善系统响应时间的好处。

2.2 典型系统比较

通过使用现场总线,用户可以大量减少现场接线,用单个现场仪表可实现多变量通信,不同制造厂生产的装置间可以完全互操作,增加现场一级的控制功能,系统集成大大简化,并且维护十分简便。

2.3 设计、投资及使用

比较的前提是 DCS系统与典型的、理想的 FCS系统进行比较。为什么要做如此的假设。作为DCS系统发展到今天,开发初期提出的技术要求却已满足并得到了完善,目前的状况是进一步提高,因此也就不存在典型、理想的说法。而作为 FCS系统,20世纪 90年代刚进入实用化,作为开发初期的技术要求:兼容开放,双向数字通信、数字智能现场装置、高速总线等,目前还不理想有待完善。这种状态与现场总线国际标准的制定不能说没有关系。过去的十多年,各总线组织都忙于制定标准,开发产品,占领更多的市场,目的就是要挤身于国际标准,合法的占领更大的市场。现在有关国际标准的争战已告一段落,各大公司组织都已意识到,要真正占领市场,就得完善系统及相关产品。

2.4 PLC的发展

PLC于 20世纪 60年代末期在美国首先出现,目的是用来取代继电器,执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能,建立柔性程序控制系统。1976年正式命名,并给予定义:PLC是一种数字控制专用电子计算机,它使用了可编程序存储器储存指令,执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能,并通过模拟和数字输入、输出等组件,控制各种机械或工作程序。经过 30多年的发展,PLC已十分成熟与完善,并开发了模拟量闭环控制功能。PLC在FCS系统中的地位似乎已被确定并无多少争论。PLC作为一个站挂在高速总线上,充分发挥 PLC在处理开关量方面的优势。另外,火力发电厂辅助车间,例如补给水处理车间、循环水车间、除灰除渣车间、输煤车间等,在这些车间的工艺过程多以顺序控制为主。PLC对于顺序控制有其独特的优势。编者以为,辅助车间的控制系统应以遵循现场总线通讯协议的PLC或能与 FCS进行通讯交换信息的PLC为优选对象。

3 系统的发展运用

自1973年提出第一台以微处理器为基础的控制器以来,它逐步完善,并最终形成功能齐全、安全可靠的数字式分散控制系统DCS。它的性能大大优于以往任何一种控制系统,可以满足工厂 DAS,MCS,SCS和APS各系统的各种要求,目前还可以通过工业以太网建立管理层网络,以满足工厂呼声越来越高的加强管理的要求。

但是,自从有了FCS,并于 20世纪 90年代走向实用化以来,不断有如下论点在公开刊物上发表,即:“从现在起,新的现场总线控制系统 FCS将逐步取代传统的 DCS”“当调节功能下放到现场去以后,传统的 DCS就没有存在的必要而会自动消失”“今后十年,传统的 4m A～20m A模拟信号制将逐步被双向数字通信现场总线信号制所取代,模拟与数字的分散型控制系统 DCS将更新换代为全数字现场总线控制系统FCS”……这些论点归纳为一句话:FCS将取代DCS,DCS从此将消亡。

上述论点皆出自于权威专家之口,确实不无道理。双向数字通信现场总线信号制以及由它而产生的巨大的推动力,加速现场装置与控制仪表的变革,开发出越来越多的功能完善的数字智能现场装置。再则,FCS是由 DCS以及 PLC发展而来,它保留了DCS的特点,或者说FCS吸收了DCS多年开发研究以及现场实践的经验,当然也包括教训。由此而得出结论,“FCS将取代 DCS”,似乎也是顺理成章之事。

同时我们也应看到,DCS系统发展也近 30年,在工厂的应用如此广泛。