探讨DCS与PLC在化工领域的应用

栾家斌

（中昊（大连）化工研究设计院有限公司，辽宁 大连 116023）

随着计算机控制技术的全面普及应用，作为计算机控制技术代表的分散控制系统（DCS）及可编程逻辑控制器（PLC）得到了进一步的发展，且有相互融合的发展趋势，向现场总线控制系统（FCS）过渡。

在化工领域，化工装置生产过程具有易燃易爆、腐蚀性强等特点，对过程的连续控制的要求较高，因此对生产过程进行实时、可靠、安全的自动化控制成为一种发展的趋势。目前，化工领域的大型过程控制主要采用分散控制系统（DCS），小型化的独立过程控制一般采用可编程逻辑控制器（PLC），少数采用现场总线控制系统（FCS）。现场总线控制系统是由DCS与PLC发展而来，且具备两者的特点，通过开放的、具有互操作性的现场总线网络将现场仪表和设备互联起来。

1 DCS与PLC的发展历史

自20世纪70年代问世以来，DCS（Distributed Control Systems）因其方便灵活的特点，市场占有份额不断增加，应用水平不断提高，已牢牢占据着化工领域过程控制的主导地位。在化工领域中，DCS通常采用中央控制室（CCR）的方式，将过程控制的管理层级统一放置在中央控制室（CCR），通过信息网络将其它各层级连接起来，构成完整的过程控制体系。

PLC（Programmable Logic Controller）是可编程逻辑控制器的缩写，最初的PLC仅能实现数字量的控制，大大制约了PLC的进一步发展。当下，改进的PLC控制技术可同时对数字量和模拟量进行控制，实现模拟量闭环控制功能，具有可靠、安全等特点，与DCS在控制功能方面已有较大的交叉面，特别是在公用工程辅助车间方面占据着一定的市场。

2 DCS与PLC的特点与差异

分散控制系统（DCS）与可编程逻辑控制器（PLC）的特点与差异主要体现在以下几个方面：

2.1 发展过程方面

DCS控制系统是由仪表生产厂商在仪表盘监控系统的基础上发展而来的，侧重于现场仪表等电子设备的模拟量控制，并且不断地吸收最新的计算机控制技术和通信技术，以构建一个全面的安全可靠高效的控制系统。

PLC装置是为替代传统继电器控制而研制的可编程逻辑控制器，擅长于数字量控制，可靠性高，抗干扰能力强，广泛应用于工业环境中过程控制。

2.2 功能扩展方面

DCS控制系统厂商所采用的通讯协议可能各不相同，但网络传输平台均选择以太网络，且提供了方便的外接扩展接口，为以后的功能扩展提供了极大的便利。

PLC装置通常针对设备进行使用，搭接完成后很少需要功能扩展，因此在功能扩展与兼容性方面较为困难。

2.3 可靠性方面

DCS控制系统采用冗余控制单元，可实现故障状态下的无干扰切换，以保证系统的安全可靠，不足的是对接地电阻有较高的要求。

PLC装置采用循环顺序扫描的方式，控制精度高，但无冗余控制程序且无法实现模块的热插拔，维修更换需整个系统停车后进行，有较大的局限性。

2.4 数据库方面

DCS控制系统通常有统一的系统数据库，系统中的各个环节均可以实现对数据库的实时引用，对其它环节提供了极大的方便。

PLC装置各环节基本上都各自建立数据库，没有一个统一的数据库平台，具有较大的不确定性。

2.5 系统规模方面

DCS控制系统通常适用于较大规模的装置系统，系统控制点数少则上千，多则上万，具有良好的协调能力。

PLC装置适用于规模不大的装置系统，且对模拟量的控制要求不高。

3 DCS与PLC的实际应用

以中盐昆山有限公司迁建年产60万吨纯碱项目为例，通过采用分散型控制系统（DCS）在中央控制室完成对主生产装置、辅助生产装置、公用工程的监视、控制和管理，而部分专业性较强的成套设备控制系统采用PLC控制系统。整个装置设置2个中央控制室，采用中央控制室、就地控制室和现场机柜室相结合的配置方式。具体如下：

1）中央控制室包括：原煤储运、气化、净化、氨冷冻、氨（压缩）合成装置、供水等工程装置。

2）联碱装置控制室：重碱、煅烧、氯化铵、压缩、冷冻、原盐储运、纯碱和氯化铵包装及储运装置，及配套的辅助工程装置。

全厂生产装置的DCS控制系统由操作站、辅助操作台、打印机、控制站、I／O机柜、安全栅及端子柜、总线设备、配电柜及网络设备等组成。中央控制室（CCR）和现场机柜间设置工程师站，用于组态维护，故障诊断等工作。其中，中央控制室设公共的硬件平台及以太网接口用于连接全厂信息管理系统。各控制站配置冗余的串行通信接口连接SIS、PAS、设备成套PLC等系统。本装置中，控制系统的操作站设置在中央控制室（设工程师站5个，操作站17个），各控制站设置在相应的现场机柜室中。

本项目控制系统位于中央控制室，其它辅助装置DCS位于各生产单元现场；合成装置内所有MODBUS接口的设备，要求DCS系统配置相应的接口与应用组态。仪表、电气等信号数据通过电缆传送到现场机柜室或就地控制室，然后再从现场机柜室或就地控制室以光缆形式传送到全厂中央控制室（CCR），特别要注意的是，从现场机柜室或就地控制室到中央控制室（CCR）的信号要采用双冗余形式，在中央控制室（CCR）进行全部的控制、监测、报警及报表等操作。DCS系统的人机操作界面还将同时监视其他控制系统的信息，如安全仪表系统（SIS）、气体报警系统（GDS）、压缩机组控制系统（CCS）等。

DCS控制系统采用常规技术，现场仪表、电气等信号通过标准信号与DCS控制系统进行通信，除负责对各生产装置的基本过程进行操作、控制和监视外，同时应完成顺序控制、工艺联锁等其他要求。对于信号引入到DCS控制系统的仪表应采用较高可靠性的仪表，DCS控制系统的控制器、通讯、电源、控制回路和重要的联锁回路的通道应采用冗余配置，系统的安全准则应严格遵循分散度准则，负荷率准则，独立性准则，完整性准则。

同时，装置内设有多套单机控制系统（西门子PLC），这些系统必须与DCS系统实现通讯，并且在DCS系统操作站的显示屏上实现监测。PLC控制装置应用于相对比较独立或特殊的大型设备控制、监视和仪表安全保护功能上。在中盐昆山有限公司迁建年产60万吨纯碱项目中，考虑到PLC控制装置的安全可靠性，锅炉岛控制系统、脱盐水控制系统、污水回用及浓盐水蒸发控制系统、原水净化控制系统、全厂污水处理控制系统、脱硫脱硝控制系统均独立采用PLC控制装置，同时可与DCS控制系统进行数据通信，操作人员能够在DCS操作站上对设备的运行进行监视与操作。

联碱装置采用独立的DCS控制系统，对联碱装置的生产工艺进行过程监视和控制，同时通过OPC接口与中央控制室全厂信息管理系统（MIS）连接，通信线路采用两路光缆进行通讯，以便重要信号的显示、监控，但装置仪表、电气信号等的控制均在纯碱装置独立的DCS控制系统内完成。

由于纯碱及小苏打装置的生产工艺无易燃易爆危险，故联碱装置内无安全完整性等级要求，因此不考虑ESD（紧急停车系统）。压缩机组的控制系统由供货商随机组成套提供，且采用可编程逻辑控制器（PLC）进行监视控制并与主生产装置DCS控制系统进行通讯。对于可燃、毒害气体报警装置，可独立设置可燃、毒害气体检测盘，并将信号传送到DCS控制系统显示报警。

4 现场总线控制系统

现场总线控制系统（Fieldbus Control System－FCS）是以现场总线为基础贯穿于生产现场，在测量、执行机构（过程控制现场仪表）和控制设备（控制室操作站）之间实现双向、串行、多节点数字通信的控制系统。现场总线控制系统将DCS系统的现场控制器和PLC装置的I／O功能延伸到现场仪器仪表上，具有布局广泛、信息化、双向通信等多种特点，是过程控制领域的新的突破。

5 结 语

随着新技术的不断进步，DCS系统与PLC装置不再局限于各自的擅长领域，开始积极汲取对方的特点，取长补短，逐渐形成了综合性的控制系统。在选择控制系统时，已不能过于强调DCS系统与PLC装置的优劣，而应当建立在充分满足工艺要求的基础上。同时，现场总线控制系统FCS在充分吸收了DCS系统与PLC装置各自特点的基础上，提出了一种新的控制思想，开创了过程控制领域的一个新时代，相信将成为工业控制领域发展的新潮流。