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PLC 和 DCS 系统的集成前景 （发表时间 :2006-2-27 作者： S.R.Venkatapathy 新闻来源： Control Engineering China ） 离散控制系统 (DCS) 在过程控制行业中占有支配的地位，而可编程逻辑控制器 (PLC) 在离散制造行业中占有统治的地位。在过程控制行业中，过程控制的功能基本上通过采用专有的离散控制系统 (DCS) 来进行调节控制，而其停止运行的功能寻址则由可编程逻辑控制器 (PLC) 完成。本文将对 DCS 与 PLC 系统的集成应用前景进行探讨。过程工业行业与DCS系统炼油厂、化工厂、发电厂、造纸厂和金属冶炼厂等一类过程控制行业，总是离不开采用DCS作为过程中的控制系统。其主要的一类控制功能特性，例如 : 控制器、历史状态、显示、现场输出数据等都是 “ 分布式 ” 的。包括处理器、 IO卡分布、通路和现场连接装置 ( 用于执行命令 ) 在内的分布 DCS 系统流程图可保证灵活地添加、修正或取消控制点的连接。在某种意义上来说，它们能起到隔离的作用，不致使系统上某单一部件的故障影响到其他部件的功能。例如，一个控制闭环的故障不致影响到其他相连闭环回路的功能特性。其工作性能和可靠性确立了 DCS 系统在过程控制行业中的应用地位。 离散行业与 PLC 系统PLC 是来源于离散行业中的应用。 PLC 不同于典型的 DCS 系统选项的地方主要在于，它与控制一个系统的逻辑程序有关。 PLC 采用物理装置代替硬连线逻辑，并借助于中央处理器来阅读所有的输入值，并执行程序，向编程状态发出输出指令。这一切都是在重复的扫描过程中完成的，每次扫描约持续几毫秒的时间。一般来说，像汽车和建筑自动化、电子和半导体、机械和运输等一类的离散行业传统上都采用 PLC 可编程逻辑控制器。 DCS 和 PLC 的共同功能特牲 典型的 DCS 系统除了能起到控制功能以外，还可将其顺序控制的功能特性，应用于逻辑编程之中。在过程控制功能中发挥作用的同一个处理器也能用于逻辑控制。在连续的过程生产工厂中，逻辑控制和工艺控制是要求互相分离的。这也正是典型的 PLC 可以获得接受的地方 ( 与 DCS 系统一起使用 ) 。对于逻辑应用而言，采用 DCS 系统的方案相对要比采用 PLC 可编程逻辑控制器更昂贵些。何况，过程的安全停产需要采用一种能独立于过程控制系统的专用系统。一个时期以来，在连续过程控制行业的生产中， DCS 系统变成了过程控制的同义词，而 PLC 的功能特性则适合于停工时使用。其中， DCS 系统和 PLC 系统分别用于过程控制和逻辑功能特性， PLC 接收来自 DCS 系统的数据 ( 连续的输人数据 ) 以及来自于现场的数字和模拟输人数据。 PLC 驱动现场各装置的情况 ( 工厂过程中的一部分 ) 纯粹是响应其接收的来自现场的硬接线输入数据，其反应动作完全独立于 DCS 系统的控制动作。由于 PLC 接收来自 DCS 系统的连续输人数据，因此 PLC 起到了一个数据汇集系统的作用。 功能通用的硬件、综合性的技术、加强的通信功能 DCS 和 PLC 系统的处理器始终在不断更新换代，与其所鼓吹的强大处理功能保持同步。与这两者控制器连接的 I/O 卡也有很强大的处理器。工厂在控制器和 I/O 板上同时安设模拟和数字信号处理功能是完全符合逻辑的，这是一个它们可以共同发挥作用的地方，两者既 “ 统一 ” 但又 “ 相互独立 ” 。在某些情况下，这一目标已经实现。在最近一届的德国汉诺威博览会上， Yokogawa、ABB 、西门子等一类生产厂越来越多地展示了这些产品。 DCS 和 PLC 系统的控制器都具有相类似的功能特性，但从应用来看则又是不同的。 在过程生产工厂中， PLC 的安全性是安全自动化仪表系统 (SIS) 运行中的一个主要因素。诸如 IEC61508,IEC71511 和 ISASP85 一类的标准事实上已经代替了TUV认证机构所采用的 DIN19250 标准。这涉及到对整个自动化仪表系统的认证，而不光是逻辑控制器部分。整体安全水平 (SIL) 的认证关系到额外的成本，因此，这使得企业用户会尽量设法去降低开发费用，尽量选用最佳的 “ 通用 ” 硬件。对于用户来说，这样做的结果就是节省每一处系统访问的费用。 ARC 咨询集团已经注意到了现场总线基金会 (Field busFoundation,FF) 和 Proftbus 国际用户组织（Profibus Nutzerorganisation ，PNO)将安全应用放在优先的位置上。 FF 已将其安全自动化仪表系统 (FF-SIS) 提交 TUV 认证机构审批，并希望该系统能够在 2005 年底以前到位。 PNO 组织在安全规范方面也做了类似的努力，最近也送交 TUV 认证机构审批，以便使工厂的产品能够在相同的时间内发货。这些规范的要点就是要求享用共同的平台、公用的网络以及与 DCS系统共享软件工具。但 PLC 系统仍然保留其停工关闭时的功能识别特性，同时，还要保证可以避免的停产时间。 制造企业倾向于采用一种公用的平台解决方案，以代替不同系统单元连接和各自拥有的总线 .DCS 和 PLC 系统的工程功能始终处于分离的位置，并根据不同的访问控制模式进行必要的改变，这主要是因为一直受到传统的系统总线概念的影响。可以通过以太网设备那样的通用通信平台，从而采用单一的工程工作站来配置 DCS 和 PLC 系统，这样也可使公用报警和事故监控系统安装在单一的位置上，以避免租用昂贵的第三方设备来完成源自 DCS 和 PLC 两大系统的数据流汇总。通用工程工作站概念有利于公认的标准编程语言 (IEC61134) 成为主流语言。 PLC 与 DCS 这两种系统在配置的方式上 ( 例如在功能块方面 ) 有许多共同的特点，这为培训人员降低费用方面铺平了道路。事实上， DCS 和 PLC 系统的操作员通用工作站正在不断地得到重视。至今为止， DCS 和 PLC 系统之间的传统串行接口 ModbusRTU 协议接口继续延长向 PLC 开放，以便从 DCS 系统提取数据后做进一步处理。在大部分情况下， PLC 将能够从 DCS 系统进行 “ 阅读 ” ，但不用于作为对 DCS 系统的 “ 写入 ” 。这是因为除了数据的传输速度之外，当数据从 PLC 写入 DCS 系统时，通信数据的丢失也可能会影响过程的控制功能。 PLC 和 DCS 系统之间的接口通常通过一个位于 DCS 系统终端的附加 “ 网关 ” 硬件来完成。最新的发展趋势是将 DCS 和 PLC 系统建立在像以太网那样的公用平台上，并使用 TCP/IP 协议进行数据交换。这样，不但可省去 DCS 系统终端的附加硬件，而且还可以保证以更高的速度来传输系统之间的数据，并将这些数据更可靠地建立在系统之中。我们可以想象具有共同功能特性、应用于不同场合的 DCS 系统和 PLC 设置到同一 “ 底板 ” 上，更大地发挥两大系统相互之间的潜力。 固定资产管理ARC 资源公司还特别注意到 “许多供货商已经开发了有效的工厂资产管理 (PlantAssetManagement ， PAM) 解决方案，为用户提供了一个进入过程的有力窗口。使他们能够预先制订维修和操作策略，辨别发生事故前的一切问题，为提高工厂的生产性能和操作优化特性 (OpX) 提供一个关键的方法。”许多来源于 PAM 的数据将很有效地从 FFHSE 或 ProfibusDP 一类的公用总线平台获得，而不是分别通过 DCS 和 PLC 系统的通道获得。例如 OPC 的连通性，保证 OPC 服务器驻留在 PLC/DCS 操作员工作站上，为一个典型的 PAM( 客户 OPC) 提供连续的或历史性的数据。 DCS 和 PLC 系统在功能特性方面的结合连同其统一的构建风格，为最大程度地发挥 PAM 优越性提供了一个机会。 来自 PC-Based 的挑战 操作员工作站能够支持基于 windows 风格的工业 PC 。这种情况在 DCS 和 PLC 系统中都是实际存在的。控制方式继续以各自拥有的硬件和软件为基础，而所采用的网络体系是一种更为公开的标准。其本身不会转化成以 PC 机为基础的控制方式。用户仍然对传统的控制系统充满信心，同时还吸收了操作终端和网络部分的变化。然而，目前正在出现追捧和推销 PC-Based 控制器的情况。尤其对于单个控制器应用，这种情况更为显著。 PC-Based 控制器是否会挤占传统 PLC 和 DCS 系统的应用空间还是一个值得讨论的问题 . 只是不知道 PC-Based 控制器的市场推销是否将进一步促进 DCS 和 PLC 技术走向融合 ? PLC与DCS集成的前景PLC与DCS集成的前景分布式控制系统（DCS）在过程控制工业中处于无可置疑的统治地位，而可编程逻辑控制设备（PLC）在离散制造业中也是如此。在过程工业中，由于过程控制的功能主要通过专门的DCS进行调节，停工的功能主要通过PLC的应用来完成，因此在本文中我们将讨论在将来将分布式控制系统（DCS）和可编程逻辑控制设备（PLC）集成应用的可行性。 过程工业与DCS 很多流程工业，例如石油精炼、化学合成、发电厂、造纸厂以及金属冶炼一直采用DCS用于过程控制。例如控制、历史记录、显示以及输出等许多主要功能都需要进行分散处理。DCS的分布包括中央处理器、输入输出卡分布、通路以及现场连接（排列好），这保证了对控制点连接进行添加、调整和删除的灵活性。这样，一个控制系统的故障不会影响到其他与其相连接的控制系统的功能。过程工业领域的性能和稳定性要求决定了DCS在流程工业中不可动摇的统治地位。 离散制造业与PLC PLC是从离散制造业的应用设备中演化而成，与典型的DCS控制系统的逻辑完全不同，它在中央处理器的帮助下能够读取所有的输入数据、执行程序并将输出结果转换成可编程的状态，从而完全替代了使用物理设备的硬件逻辑系统。这个过程由重复的扫描完成，每次的扫描时间不超过几毫秒。包括汽车自动化、楼宇自动化、电子和半导体设备以及运输等离散制造业一直都采用PLC。 DCS和PLC的共同功能 除了典型的DCS拥有的控制功能外，连续控制功能也已经用来满足逻辑编程的需要，二者使用相同的处理器。在连续工艺的工厂中，逻辑和工艺控制需要分开处理，在这里，典型的PLC就找到了用武之地（与DCS共同使用）。DCS的使用比PLC的逻辑应用成本相对较高，同时，安全停工的工艺需要专门的系统来作为独立的过程控制系统。在很长的一段时间里， DCS都是过程控制的主要设备，而PLC则是连续过程工业中停工操作的主要设备。当DCS和PLC分别应用于过程控制和逻辑功能时， PLC接收从DCS（连续输入）以及扫描现场（数字或模拟输入）传输过来的数据。PLC完全根据从扫描现场接收到的数据来决定设备的状态（工厂工艺的一部分），而DCS的控制操作是完全独立的。通过从DCS得到的连续输入数据， PLC可以用于数据采集系统。 公用硬件，汇聚技术，增强通讯DCS和PLC的处理器始终保持和高速处理器的时代发展同步,而与控制设备连接的输入/输出卡片的处理器也十分强大。采用两套相同但是独立的通路设计,使生产商在控制设备和输入/输出设备中实现模拟和数字信号的合理控制。这种设计已经在一些实例中得到了实现。随着更多的生产商采用了这种设计，如Yokogawa公司，ABB公司，西门子公司。DCS和PLC的控制有相似的功能但是在应用前景上却有一些不同。 在工艺工厂中安全工具系统（SIS）的执行是安全的PLC的关键部分。包括IEC 61508, IEC 71511以及 ISA SP85在内的很多标准都已经被用于TUV等认证的实际标准所代替。这个标准包括对整个工具系统进行认证，而不仅仅是逻辑控制单元。安全完整性级别（SIL）认证包括额外的成本，这也为生产商提供了一个通过对普通的硬件进行优化达到缩减成本目的的机会。这样也能相应地为用户节省成本。 ARC公司观察到Fieldbus Foundation (FF)和Profibus Nutzerorganisation (PNO)都把安全生产放在第一位。FF已经设计了Foundation Fieldbus安全工具系统（FF-SIS）并得到了TUV的承认，预计将在2005年末投入生产。Profibus也在安全检测上作出了同样的努力，即将通过TUV的认证，并同时进行产品生产。产品性能中比较重要的部分将在普通平台和网络上共享，软件采用在DCS中应用的软件。但是PLC仍然保持在停产功能上的特征，同时，保证可避免的停工期。 目前,生产商对利用通用平台代替不同系统不同单元的专有平台兴趣极大。由于原来系统平台的概念已深入人心,DCS和PLC的工程功能总是分别使用，并在不同的模式下进行必要的调整。类似Ethernet的普通交流平台,采用一个简单的工程站点用于设定DCS和PLC，同时这种平台也可使普通的警报器和工艺调节系统停留在一个位置，也就不需要使用昂贵的第三方设备,来集成从DCS和PLC得到的两种数据。简单的工程站点的概念为集成能够识别(IEC 61134)程序语言的标准提供了机会。在两套系统设置的方法（举例来说，功能阻塞）中有许多共同之处，这也就大大缩减了人员培训成本。事实上，用于DCS和PLC的简单操作站点正在设计中。 通过实际上的Modbus RTU协议， DCS和PLC之间的传统分界已经控制住了PLC在进一步工艺中从DCS吸引数据的意图。在大多数情况下， PLC有能力从DCS中读取数据，而不会将数据写入DCS。当从PLC向DCS中写入数据时，如果二者不能相互通讯，仅数据传输速度本身就将影响工艺的控制功能。目前的趋势是采用一个平台能够同时集成DCS和PLC，例如Ethernet平台以及应用TCP/IP协议进行数据转换。 这种方法不仅不需要在DCS一端增加额外的部件，同时还保证了系统之间的数据传输速度更快，为系统带来更好的稳定性。我们应该对带有普通功能，但是在相同的平台上由于不同的应用范围用于不同领域的DCS和PLC的平台进行形象化操作。 固定资产管理（PAM） ARC公司观察后指出“很多供应商已经开发出用于固定资产管理（PAM）的有效程序，可以为客户提供控制工艺的途径，同时发展计划维护和操作策略，在问题暴露之前进行识别并解决，为提高工厂生产能力和操作性能（OpX）提供了关键的要素。”。从固定资产管理（PAM）中得到的大部分数据将通过普通的运输平台进行有效处理，例如FF HSE或Profibus DP，用来代替分别从DCS和PLC得到的数据。举例来说，OPC的连通性保证了位于DCS和PLC工作站的OPC服务器能够提供带有连续或历史数据的典型固定资产管理（PAM）（客户OPC）。DCS和PLC在功能方面的集成与设备结构方面的统一为实现固定资产管理（PAM）优势的最大化提供了机遇。 结束语 包括DCS和PLC系统在内的工作站已升级采用了Windows系统作为操作界面,而控制设备却没有采用个人电脑控制,仍采用单独的硬件和软件。在更加开放的、标准的网络标准形成之前，用户仍然需要使用原来系统的控制部分。传统的DCS和PLC能否取得长足进步仍然处于争论之中，而目前的市场状况是否能够将DCS和PLC的发展推向一个新的高度仍有待时间的验证DCS及PLC控制系统中PID的运算及应用现在国内外一些著名的品牌厂家几乎垄断了整个工业自动化控制领域，如：国外的有艾默生、西门子;国内的有：浙大中控、和利时等，那么在这些控制系统中最常规的PID控制是怎么实现的，他们又是怎么进行编程组态得到的PID运算的，本文就常规的PID及其模块进行运算以及应用做个简单的介绍：一、DCS及PLC控制系统中PID的运算1 指令解说l 上式T为梯形图时间继电器周期输出，在此引为采样及调节周期。l S1为设定的目标值，又称给定值l S2为实际测定值。l S3为PID控制参数的起始参数单元，控制参数占用S3后续的25个D数据寄存器。具体说明如下：S3+0: TS 采样时间 设定为K1(1T)S3+1: ACT.运算方向 一般设为 H0001;设为H0000时为反PID运算。S3+2: L 滤波系数 0-99% 0% 无滤波。 参考设定为K500000-99.00S3+3: KP 比例増益 0-32767% 参考设定为K2000。0000-327.67S3+4: TI 积分时间 0-32767(1T) 参考设定为K500。S3+5: KD 微分増益 0-32767% 一般设定为K0。0000-327.67S3+6: TD 微分参数 0-32767(1T) 设定为K0，无微分S3+7: 偏差，浮点数表示，占两个字节：S7+7，S7+8。E(K)=SV-PV (ACT.0=1)E(K)=PV-SV (ACT.0=0)S3+8:S3+9: 偏差的一阶导数，浮点数表示。S3+9，S3+10E(K)=E(K)-E(K-1)S3+10:S3+11: 偏差的二阶导数，浮点数表示。S3+11，S3+12E(K)=E(K)-E(K-1)S3+12:S3+13: 本次滤波后的实测值，浮点数表示。S3+13，S3+14。PVF(K)=PV(K)+L PVF(K-1)-PV(K)S3+14:S3+15: PID的微分调整项，浮点数表示。S3+15，S3+16。PID_D(K)=TDE(K)+KDTDPID_D(K-1)/(TS+KDTD)S3+16:S3+17: PID的本次调整输出，浮点数表示。S3+17，S3+18DMV(K)=DMV(K-1)小数部分+KPE(K)+TSE(K)/TI+PID_D(K)S3+18:S3+19: PID控制的输出值，取值范围：0-32767。MV(K)=MV(K-1)+INT(DMV)S3+20: SH 上限报警 设定为K20000S3+21: SL 下限报警 设定为K20S3+22: OH 上限幅值 设定为K10000S3+23: OL 下限幅值 设定为K20S3+24: ALM.0 SH上限报警时ONALM.1 SL下限报警时ONALM