DCS与PLC的区别

第四代分布式控制系统 第四代分布式控制系统 DCS 在工业企业中 应用效益最直接 最明显的系统应当是工业控制系统 特别是 DCS 分布式控制系统 在工业企业中 应用效益最直接 最明显的系统应当是工业控制系统 特别是 DCS 分布式控制系统 尽管若干年以前 就有人判定 DCS 即将被 FCS 现场总 线控制系统 所取代 然而直至今日 DCS 仍然具有相当的生命力 ARC 咨询机构 2003 年发布了世界 DCS 市场预测报告 该报告预测 世界 DCS 市场从 2002 年至 2007 年将保持 2 5 的增长 从 2003 年的 91 亿美元增长到 103 亿美元 DCS 的发展速度之所以不高 主要原因是美国等发达国家的经济增长 速度减慢所造成 而中国近几年的 DCS 的增长速度应该在 10 以上 当今的 DCS 与十年前的 DCS 相比 发生了根本性的变化 DCS 已经进入第四代 受信息技术 网络通信技术 计算机硬件技术 嵌入式系统技术 现场总线技术 各种组态软件技术 数据库技术等 发展的影响 以及用户对先进的控制功能与管理 功能需求的增加 各 DCS 厂商 以 Honeywell Emerson Foxboro 横河 ABB 为代表 纷纷提升 DCS 系统的技术水平 并不断地丰富其内容 可以说 以 Honeywell 公司最新推出的 Experion PKS 过程知识系统 Emerson 公司的 PlantWeb Emerson Process Management Foxboro 公司的 A2 横河公司的 R3 PRM 工厂资源管理系统 和 ABB 公司的 Industrial IT 系统为标志的新一代 DCS 已经形成 如果我们把当年 Foxboro 公司的 I A Series 看作第三代 DCS 系统里程碑的话 那么以上几家的最新 DCS 可以划为第四代 第四代 DCS 的最主要标志是两个 I 开 头的单词 Information 信息 和 Integration 集成 第四代 DCS 的技术特点 第四代 DCS 的体系结构主要分为四层结构 现场仪表层 控制装置单元层 工厂 车间 层和企业管理层 一般 DCS 厂商主要提供除企业管理层之外的三层功能 而企业管理层则通过提供开放的数据库接口 连接第三方的管理软件平台 ERP CRM SCM 等 所以说 当今 DCS 主要提供工厂 车间 级的所有控制 和管理功能 并集成全企业的信息管理功能 DCS 充分体现信息化和集成化 信息和集成基本描述了当今 DCS 系统正在发生的变化 用户已经可以采集整个工 厂车间和过程的信息数据 但是用户希望这些大量的数据能够以合适的方式体现 并 帮助决策过程 让用户以他明白的方式 在方便的地方得到真正需要的数据 信息化体现在各 DCS 系统已经不是一个以控制功能为主的控制系统 而是一个充 分发挥信息管理功能的综合平台系统 DCS 提供了从现场到设备 从设备到车间 从车间到工厂 从工厂到企业集团整个信息通道 这些信息充分体现了全面性 准确 性 实时性和系统性 大部分 DCS 提供了过去常规 DCS 功能 SCADA 监控和数据采集 功能以及 MES 制造执行系统 的大部分功能 与 ERP 不同 汇集了车间中用以管理 和优化 从下订单到产成品的生产活动全过程的相关硬件或软件组件 它控制和利用 实时准确的制造信息来指导 传授 响应并报告车间发生的各项活动 同时向企业决 策支持过程提供有关生产活动的任务评价信息 的功能包括车间的资源分配 过程管理 质量控制 维护管理 数据采集 性能分析和物料管理等功能模型 与 DCS 相关的各功能模块有资源配置与状态 Resource Allocation and Status 派 遣生产单元 Dispatching Production Units 文档控制 Document Control 数据收集 获取 Data Collection Acquisition 劳工管理 Labor Management 质量管理 Quality Management 维护管理 Maintenance Management 产 品跟踪 Product Tracking 性能分析 Performance Analysis DCS 的集成性则体现在两个方面 功能的集成和产品的集成 过去的 DCS 厂商 基本上是以自主开发为主 提供的系统也是自己的系统 当今的 DCS 厂商更强调的 系统集成性和方案能力 DCS 中除保留传统 DCS 所实现的过程控制功能之外 还集 成了 PLC 可编程逻辑控制器 RTU 采集发送器 FCS 各种多回路调节器 各种智能采集或控制单元等 此外 各 DCS 厂商不再把开发组态软件或制造各种硬 件单元视为核心技术 而是纷纷把 DCS 的各个组成部分采用第三方集成方式或 OEM 方式 例如 多数 DCS 厂商自己不再开发组态软件平台 而转入采用兄弟公司 如 Foxboro 用 Wonderware 软件为基础 的通用组态软件平台 或其它公司提供的软 件平台 Emerson 用 Intellution 的软件平台做基础 此外 许多 DCS 厂家甚至 I O 组件也采用 OEM 方式 Foxboro 采用 Eurothem 的 I O 模块 横河的 R3 采 用富士电机的 Processio 作为 I O 单元基础 Honeywell 公司的 PKS 系统则采用 Rockweell 公司的 PLC 单元作为现场控制站 DCS 变成真正的混合控制系统 过去 DCS 和 PLC 主要通过被控对象的特点 过程控制和逻辑控制 来进行划分 但是 第四代的 DCS 已经将这种划分模糊化了 几乎所有的第四代 DCS 都包容了过 程控制 逻辑控制和批处理控制 实现混合控制 这也是为了适应用户的真正控制需 求 因为多数的工业企业绝不能简单地划分为单一的过程控制和逻辑控制需求 而是 由过程控制为主或逻辑控制为主的分过程组成的 我们要实现整个生产过程的优化 提高整个工厂的效率 就必须把整个生产过程纳入统一的分布式集成信息系统 例如 典型的冶金系统 造纸过程 水泥生产过程 制药生产过程和食品加工过程 发电过 程 大部分的化工生产过程都是由部分的连续调节控制和部分的逻辑联锁控制构成 第四代的 DCS 系统几乎全部采用 IEC61131 3 标准进行组态软件设计 该标准 原为 PLC 语言设计提供的标准 同时一些 DCS 如 Honeywell 公司的 PKS 还直 接采用成熟的 PLC 作为控制站 多数的第四代 DCS 都可以集成中小型 PLC 作为底 层控制单元 今天的小型和微型 PLC 不仅具备了过去大型 PLC 的所有基本逻辑运算 功能 而且高级运算 通信以及运动控制也能实现 DCS 包含 FCS 功能并进一步分散化 过去一段时间 一些学者和厂商把 DCS 和 FCS 对立起来 其实 真正推动 FCS 进步的仍然是世界主要几家 DCS 厂商 所以 DCS 不会被 FCS 所代替 而是 DCS 会包容 FCS 实现真正的 DCS 如今 这一预测正在被现实所验证 所有的第四代 DCS 都包含了各种形式的现场总线接口 可以支持多种标准的现场总线仪表 执行 机构等 此外 各 DCS 还改变了原来机柜架式安装 I O 模件 相对集中的控制站结 构 取而代之的是进一步分散的 I O 模块 导轨安装 或小型化的 I O 组件 可 以现场安装 或中小型的 PLC 分布式控制的一个重要优点是逻辑分割 工程师可以方便地把不同设备的控制功 能按设备分配到不同的合适控制单元上 这样操作工可以根据需要对单个控制单元进 行模块化的功能修改 下装和调试 另一个优点是 各个控制单元分布安装在被控设 备附近 既节省电缆 又可以提高该设备的控制速度 一些 DCS 还包括分布式 HMI 就地操作站 人和机器将有机地融合在一起 共同完成一个智能化工厂的各种操作 例如 Emerson 的 DeltaV Foxboro 的 A2 中的小模块结构 Ovation 的分散模块 结构等 可以说 现在的 DCS 厂商已经越过炒作概念的误区 而是突出实用性 一套 DCS 可以适应多种现场安装模式 或用现场总线智能仪表 或采用现场 I O 智能模 块就地安装 既节省信号电缆 又不用昂贵的智能仪表 或采用柜式集中安装 特 别适合改造现场 一切由用户的现场条件决定 充分体现为用户设想 DCS 进入低成本时代 DCS 在上世纪 80 年代甚至 90 年代还是技术含量高 应用相对复杂 价格也相当 昂贵的工业控制系统 随着应用的普及 大家对信息技术的理解 DCS 已经走出高 贵的神秘塔 变成大家熟悉的 价格合理的常规控制产品 第四代 DCS 的另一个显著特征就是各系统纷纷采用现成的软件技术和硬件 I O 处理 技术 采用灵活的规模配置 明显地了降低系统的成本与价格 可以说 现在 采用先进的 DCS 实现工业自动化控制比原来采用常规的仪器仪表进行简单控制 用 户投资增加不多 但是实现的功能却明显加强 就控制站而言 原来一个物理信号处 理平均 1500 元 人民币 而现在已经降到 800 元左右 过去国外 DCS 一般只适 合于大中型的系统应用 在小型应用中成本很高 但第四代 DCS 都采用灵活的配置 不仅经济地应用于大中型系统 而且应用于小系统也很合适 DCS 平台开放与服务专业化 20 年来 业界讨论非常多的一个概念就是开放性 过去 由于通信技术的相对落 后 开放性是困扰用户的一个重要问题 为了解决该问题 人们设想了多种方案 其 中包括 CIMS 系统概念中的开放网络 MAP 7 层网络协议平台 然而 MAP 网络 协议并没有得到真正的推广应用 而当代网络技术 数据库技术 软件技术 现场总 线技术的发展为开放系统提供了可能 各 DCS 厂家竞争的加剧 促进了细化分工与 合作 各厂家放弃了原来自己独立开发的工作模式 变成集成与合作的开发模式 所 以开放性自动实现了 第四代 DCS 的开放性 开放性体现在 DCS 可以从三个不同层面与第三方产品相互连接 在企业管理层支 持各种管理软件平台连接 在工厂车间层支持第三方先进控制产品 SCADA 平台 MES 产品 BATCH 处理软件 同时支持多种网络协议 以以太网为主 在装置控 制层可以支持多种 DCS 单元 系统 PLC RTU 各种智能控制单元等 以及各 种标准的现场总线仪表与执行机构 开放性的确有很多好处 但是在考虑开放性的同时 首先要充分考虑系统的安全 性和可靠性 因为生产过程的故障停车或事故造成的损失 可能比开放性选择产品所 节省的成本要高得多 同时注意 在选择系统设备时 先要确定系统的需求 然后根 据需求选择必要的设备 尽量不要装备一些不必要的功能 特别是网络功能和外设的 选择一定要慎重 例如 我们在选择开放网络的同时 遭到病毒或黑客袭击的可能就 会加大 我们选择丰富的外设如光驱或软驱 就给操作人员提供了装载无关软件 如 游戏等 的机会等 这些都会导致系统瘫痪或其它致命故障 随着开放系统和平台技术的发展 产品的选择更加灵活 软件组态功能越来越强 大并灵活 但是每一个特定的应用都需要一个独特的解决方案 所以专业化的应用知 识和经验是当今工业自动化厂商或系统集成商成功的关键因素 各 DCS 厂家在努力 宣传各自 DCS 技术优势的同时 更是努力宣传自己的行业方案设计与实施能力 为 不同的用户提供专业化的解决方案并实施专业化的服务 将是今后各 DCS 厂家和系 统集成商竞争的焦点 同时也是各厂家盈利的主要来源 国产 DCS 技术应用概况 目前 以和利时 浙大中控 上海新华为代表的国内 DCS 厂家经过 10 年的努力 各自推出自己的 DCS 系统 和利时推出 MACS Smartpro 第四代 DCS 系统 浙 大中控推出 Webfield ECS 系统 新华推出 XDPF 400 系统 三家积极努力 通过 竞争成功地将自主系统应用于各种工业现场 正在逐步取得用户的认可 例如新华公 司在火力发电方面取得显著成绩 浙大中控在化工控制等方面业绩突出 和利时公司 在核电 热电 化工 水泥 制药以及造纸等方面取得了一定的业绩 在中国的 DCS 市场上 三家国内厂商已经具备了相当的竞争能力 例如通过新华 公司与和利时公司在火电站控制领域的竞争以及和利时公司与浙大中控在化工等领域 的竞争 使得国外的 DCS 纷纷降价 可以说 三家公司最大的贡献是把国外的 DCS 价格降到了原来 40 以下 为 DCS 在国内工业企业的普及应用 特别是在中小型企 业中的应用做出了贡献 过程控制系统的发展历程 50 年前 过程控制是基于 3 15psi 的气动信号标准的基地式气动控制仪表系统 即第一代过程控制体系结构 PCS Pneumatic Control System 基于模拟电流 信号标准 0 10mA 4 20 mA 的电动单元组合式模拟仪表控制系统 即为第二代 过程控制体系结构 ACS Analogous Control System 20 世纪 70 年代 由 于使用了数字计算机 从而产生了集中式数字控制系统 即第三代过程控制体系结构 CCS Computer Control System 20 世纪 80 年代 微处理机的出现和应 用 从而产生了分布式控制系统 即第四代过程控制体系结构 DCS Distributed Control System 20 世纪 90 年代 现场总线技术的出现产生了新的一代过程控 制体系结构 即现场总线控制系统 FCS Fieldbus Control System 现场总线控制系统的优势 现场总线被称为 21 世纪工业过程测控网络标准 它能够提供智能化 简单化 标 准化的现场总线设备接口 将使过程控制用户在低成本 易移植 易扩展这样一种友 好的环境中进行系统设计 安装和运行 给自动化领域带来了新的革命 有着广泛的 应用领域和市场 现场总线产品是用于过程自动化和制造自动化最底层的现场设备或现场仪表互联 的通信网络产品 是现场通信网络与控制系统的集成 其关键不单单是一种通信技术 而是用现场总线控制系统 FCS 代替分布式控制系统 DCS 与 DCS 相比较 FCS 有多种优势 节省电缆和电缆桥架约 60 节约厂房面积 减少布线 安装调试费用 50 以上 节省二次开发费用 缩短开发周期 一次性投 资可降低 30 备品备件种类明显减少 维修更加方便 有利于企业实施综合自动 化策略 使企业从粗放型向集约型转化 自 20 世纪 80 年代末以来 有几种现场总线技术已经逐渐发展成熟 并在一些特 定的应用领域显示了影响力和优势 它们是可寻址远程变换器数据链路 HART Highway Addressable Remote Transducer 控制器局部网 CAN Controller Area Network 局部操作网络 LON Local Operating Network 过程现场总线 PROFIBUS Process Fieldbus 和基金会现场总线 FF Foundation Fieldbus 这些现场总线各具特色 对于现场总线技术的发展发挥 着重要作用 DCS 与 PLC 的区别和共通 转贴来源 控制类产品名目繁多 各家叫法不一 通常使用的控制类产品包括 DCS PLC 两大类 我们又将 DCS 的概念拓展到 FCS DCS Distributed Contorl System 集散控制系统 又称分布式控制系统 PLC Program Logic Control 可编程逻辑控制器 FCS FieldBus Contorl Syestem 现场总线控制系统 x1 x g P m S X8 W L0 M b 发展到现在 DCS 和 PLC 之间没有一个严格的界线 在大多数人看来 大的系统就 是 DCS 小的系统就叫 PLC 当然 这么说也不是不可以 但是还不对 现在我们来 重新建立这个观念 首先 首先 DCS 和和 PLC 之间有什么不同之间有什么不同 1 从发展的方面来说 从发展的方面来说 DCS 从传统的仪表盘监控系统发展而来 因此 DCS 从先天性来说较为侧重仪表的 控制 比如我们使用的 YOKOGAWA CS3000 DCS 系统甚至没有 PID 数量的限制 PID 比例微分积分算法 是调节阀 变频器闭环控制的标准算法 通常 PID 的数量 决定了可以使用的调节阀数量 7 I1 q9 P I4 N6 o PLC 从传统的继电器回路发展而来 最初的 PLC 甚至没有模拟量的处理能力 因此 PLC 从开始就强调的是逻辑运算能力 2 从系统的可扩展性和兼容性的方面来说 从系统的可扩展性和兼容性的方面来说 市场上控制类产品繁多 无论 DCS 还是 PLC 均有很多厂商在生产和销售 对于 PLC 系统来说 一般没有或很少有扩展的需求 因为 PLC 系统一般针对于设备来使 用 一般来讲 PLC 也很少有兼容性的要求 比如两个或以上的系统要求资源共享 对 PLC 来讲也是很困难的事 而且 PLC 一般都采用专用的网络结构 比如西门子的 MPI 总线性网络 甚至增加一台操作员站都不容易或成本很高 DCS 在发展的过程中 也是各厂家自成体系 但大部分的 DCS 系统 比如横河 YOKOGAWA 霍尼维尔 ABB 等等 虽说系统内部 过程级 的通讯协议不尽相同 但操作级的网络平台不约 而同的选择了以太网络 采用标准或变形的 TCP IP 协议 这样就提供了很方便的可 扩展能力 在这种网络中 控制器 计算机均作为一个节点存在 只要网络到达的地 方 就可以随意增减节点数量和布置节点位置 另外 基于 windows 系统的 OPC DDE 等开放协议 各系统也可很方便的通讯 以实现资源共享 9 H e 如何正确对待如何正确对待 PLC 和和 DCS 我个人从不强调 PLC 和 DCS 之间孰优孰劣 我把它们使用了一个新名词 控制类产 品 我们提供给用户的是最适合用户的控制系统 绝大多数用户不会因为想使用一 套 DCS 而去使用 DCS 控制类产品必须定位在满足用户的工艺要求的基础之上 其 实提出使用 DCS 还是 PLC 的用户大抵是从没接触过自控产品或有某种特殊需求的 过分强调这个东东只会陷入口舌之争 T f9 o d9 d H l 从 PLC 与 DCS 之间的区别和共同之处我们了解了控制类产品的大抵情况 注意 作 为专业人士 我们自己不要为产品下 PLC 还是 DCS 的定义 自己的心理上更不能把 产品这样来区别对待 T S d P Z0 k u 从概念上讲 PLC DCS 本来就不是一个逻辑层次上的概念 从名称上就能看出 PLC 是以功能命名 DCS 是以体系结构命名 PLC 就可以组成 DCS 嘛 当然性能差 异还是现实的存在 但要具体看产品和需要 从应用角度来说 简单地以 PLC DCS 来区分 往往走入误区 DCS 控制系统与 PLC 控制区别 1 DCS 是一种是一种 分散式控制系统分散式控制系统 而 PLC 只是一种 可编程控制器 控制 装置 两者 是 系统 与 装置 的区别 系统可以实现任何装置的功能与协调 PLC 装置只实现本单 元所具备的功能 2 在网络方面在网络方面 DCS 网络是整个系统的中枢神经网络是整个系统的中枢神经 和利时公司的 MACS 系统中的系统 网采用的是双冗余的 100Mbps 的工业以太网 采用的国际标准协议 TCP IP 它是安 全可靠双冗余的高速通讯网络 系统的拓展性与开放性更好 而 PLC 因为基本上都为 个体工作 其在与别的 PLC 或上位机进行通讯时 所采用的网络形式基本都是单网结 构 网络协议也经常与国际标准不符 在网络安全上 PLC 没有很好的保护措施 我 们采用电源 CPU 网络双冗余 3 DCS 整体考虑方案整