控制系统PLC、DCS、FCS详细

1、Word文档 控制系统PLC、DCS、FCS，详细！ 前言 上世纪九十年月走向有用化的现场总线掌握系统，正以迅猛的势头快速进展，是目前世界上最新型的掌握系统。现场总线掌握系统是目前自动化技术中的一个热点，正受到国内外自动化设备制造商与用户越来越剧烈的关注。现场总线掌握系统的消失，将给自动化领域带来又一次革命，其深度和广度将超过历史的任何一次，从而开创自动化的新纪元。 在有些行业，FCS是由PLC进展而来的；而在另一些行业，FCS又是由DCS进展而来的，所以FCS与PLC及DCS之间有着千丝万缕的联系，又存在着本质的差异。本文就PLC、DCS、FCS三大掌握系统的特点和差异逐一分析，指出它们之间

2、的渊源及进展方向。 PLC、DCS、FCS三大掌握系统的基本特点 目前，在连续型流程生产自动掌握（PA）或习惯称之谓工业过程掌握中，有三大掌握系统，即PLC、DCS和FCS。 它们各自的基本特点如下： PLC （1）从开关量掌握进展到挨次掌握、运输处理，是从下往上的。 （2）连续PID掌握等多功能，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机作主站便利之处是：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网格既可作为单独DCS/TDCS，也可作为DCS/TDCS的子

3、系统。 （6）大系统同DCS/TDCS，如TDC3000、CENTUMCS、WDPFI、MOD300。 （7）PLC网络如Siemens公司的SINECL1、SINECH1、S4、S5、S6、S7等，GE公司的GENET、三菱公司的MELSECNET、MELSECNET/MINI。 （8）主要用于工业过程中的挨次掌握，新型PLC也兼有闭环掌握功能。 （9）制造商：GOULD（美）、AB（美）、GE（美）、OMRON（日）、MITSUBISHI（日）、Siemens（德）等。 DCS或TDCS （1）分散掌握系统DCS与集散掌握系统TDCS是集4C（Communication，Computer，

4、 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掌握装置。 （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/DD/A、带微处理器的混合。 （6）一台仪表一对线接到I/O，由掌握站挂到局域网LAN。 （7）DCS是掌握（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，DCS系统是各家不同的。 （9）用于大规模的连续过程掌握，如石化等。 （1

5、0）制造商：Bailey（美）、Westinghous（美）、HITACH（日）、LEEDS NORTHRMP（美）、SIEMENS（德）、Foxboro（美）、ABB （瑞士）、Hartmann Braun（德）、Yokogawa（日）、Honewell（美国）、Taylor（美）等。 FCS （1）基本任务是：本质（本征）平安、危急区域、易变过程、难于应付的特别环境。 （2）全数字化、智能、多功能取代模拟式单功能仪器、仪表、掌握装置。 （3）用两根线联接分散的现场仪表、掌握装置、PID与掌握中心，取代每台仪器两根线。 （4）在总线上PID与仪器、仪表、掌握装置都是公平的。 （5）多变量、多

6、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）用分散的虚拟掌握站取代集中的掌握站。 （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，再可与internet相通。 （10）转变传统的信号标准、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、 GECAlsthom 、Schneider、 proc

7、esData、 ABB等。 （12）3类FCS的典型1）连续的工艺过程自动掌握如石油化工，其中本安防爆技术是肯定重要的，典型产品是FF、World FIP、ProfibusPA；2）分立的工艺动作自动掌握如汽车制造机器人、汽车，典型产品是ProfibusDP、CANbus；3）多点掌握如楼宇自动化，典型产品是LON Work、ProfibusFMS. 从上述基本要点的描述中，我们是否留意到一点，用于过程掌握的三大系统，没有一个是针对电站而开发的，或者说，在他们开发的初期，都并非以电站做系统的首选掌握对象。而在这些系统的使用说明中也绝不把电站作为首选适用范围，有的在适用范围中根本就不提电站。现在

8、惊奇的是，这三大掌握系统，尤其是DCS、PLC，都在电站得到了广泛应用，而且效果也特别好。 三大掌握系统之间的差异 我们已经知道，FCS是由DCS与PLC进展而来，FCS不仅具备DCS与PLC的特点，而且跨出了革命性的一步。而目前，新型的DCS与新型的PLC，都有向对方靠拢的趋势。新型的DCS已有很强的挨次掌握功能；而新型的PLC，在处理闭环掌握方面也不差，并且两者都能组成大型网络，DCS与PLC的适用范围，已有很大的交叉。 差异要点DCS DCS系统的关键是通信。也可以说数据大路是分散掌握系统DCS的脊柱。由于它的任务是为系统全部部件之间供应通信网络，因此，数据大路自身的设计就打算了总体的敏

9、捷性和平安性。数据大路的媒体可以是：一对绞线、同轴电缆或光纤电缆。 通过数据大路的设计参数，基本上可以了解一个特定DCS系统的相对优点与弱点。 （1）系统能处理多少I/O信息。 （2）系统能处理多少与掌握有关的掌握回路的信息。 （3）能适应多少用户和装置（CRT、掌握站等）。 （4）传输数据的完整性是怎样彻底检查的。 （5）数据大路的最大允许长度是多少。 （6）数据大路能支持多少支路。 （7）数据大路是否能支持由其它制造厂生产的硬件（可编程序掌握器、计算机、数据记录装置等）。 为保证通信的完整，大部分DCS厂家都能供应冗余数据大路。 为了保证系统的平安性，使用了简单的通信规约和检错技术。所谓通

10、信规约就是一组规章，用以保证所传输的数据被接收，并且被理解得和发送的数据一样。 目前在DCS系统中一般使用两类通信手段，即同步的和异步的，同步通信依靠一个时钟信号来调整数据的传输和接收，异步网络采纳没有时钟的报告系统 FCS FCS的关键要点有三点： （1）FCS系统的核心是总线协议，即总线标准前面的章节已经叙述，一种类型的总线，只要其总线协议一经确定，相关的关键技术与有关的设备也就被确定。就其总线协议的基本原理而言，各类总线都是一样的，都以解决双向串行数字化通讯传输为基本依据。但由于各种缘由，各类总线的总线协议存在很大的差异。 为了使现场总线满意可互操作性要求，使其成为真正的开放系统，在IE

11、C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描述DD来描述。DD能够认为是装置的一个驱动器，它包括全部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全部信息，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。 准含8种类型，而原IEO国际标准只是8种类型之一，与其它7种类型总线的地位是公平的。其它7种总线，不论其市场占有率有多少，每个总线协议都有一套软件、硬件的支撑。它们能够形成系统，形成产品，而原IEC现场总线国际标准，是一个既无软件支撑也无硬件支撑的空架子。所以，要实现这些总线的相互兼容和互操

12、作，就目前状态而言，几乎是不行能的。 通过上述，我们是否可以得出这样一种印象：开放的现场总线掌握系统的互操作性，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。换句话说，不论什么厂家的产品，也不一家是该现场总线公司的产品，只要遵循该总线的总线协议，产品之间是开放的，并具有互操作性，就可以组成总线网络。 （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，道理很简洁，FCS系统执行的是自动掌握装置与现场装置之间的双向数字通信现场总线信号制。假如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

13、，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掌握系统。再一点，现场总线的一大特点就是要增加现场一级掌握功能。假如现场装置不是多功 能智能化的产品，那么现场总线掌握系统的特点也就不存在了，所谓简化系统、便利设计、利于维护等优越性也是虚的。 （3）FCS系统的本质是信息处理现场化 对于一个掌握系统，无论是采纳DCS还是采纳现场总线，系统需要处理的信息量至少是一样多的。实际上，采纳现场总线后，可以从现场得到更多的信息。现场总线系统的信息量没有削减，甚至增加了，而传输信息的线缆却大大削减了。这就要求一方面要大大提高线缆传输信息的力量，另一方面要让大量信息在现场就地完成处理，削减现场与掌握机

14、房之间的信息来回。可以说现场总线的本质就是信息处理的现场化。 削减信息来回是网络设计和系统组态的一条重要原则。削减信息来回经常可带来改善系统响应时间的好处。因此，网络设计时应优先将相互间信息交换量大的节点，放在同一条支路里。 削减信息来回与削减系统的线缆有时会相互冲突。这时仍应以节约投资为原则来做选择。假如所选择系统的响应时间允许的话，应选节约线缆的方案。如所选系统的响应时间比较紧急，略微削减一点信息的传输就够用了，那就应选削减信息传输的方案。 现在一些带现场总线的现场仪表本身装了很多功能块，虽然不同产品同种功能块在性能上会稍有差别，但一个网络支路上有很多功能雷同功能块的状况是客观存在的。选用

15、哪一个现场仪表上的功能块，是系统组态要解决的问题。 考虑这个问题的原则是：尽量削减总线上的信息来回。一般可以选择与该功能有关的信息输出最多的那台仪表上的功能块。 典型系统比较 通过使用现场总线，用户可以大量削减现场接线，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，增加现场一级的掌握功能，系统集成大大简化，并且维护非常简便。传统的过程掌握仪表系统每个现场装置到掌握室都需使用一对专用的双绞线，以传送420mA信号；现场总线系统中，每个现场装置到接线盒的双绞线仍旧可以使用，但是从现场接线盒到中央掌握室仅用一根双绞线完成数字通信。 通过采纳现场总线掌握系统，究竟能节约多少电缆

16、，编者尚未做此计算。但是，我们从采纳DCS系统的电厂中与自动掌握系统有关的所用电缆公里数看出，电缆在基建投资中所占份额。 某电厂，2300MW燃煤机组。热力系统为单元制。每台机组设置一座集中掌握楼，采纳机、炉、电单元集中掌握方式。单元掌握室的标高为12.6米，与运行层标高全都。DCS采纳WDPF，每台机组设计的I/O点为4500点。 电缆敷设采纳EC软件，8个人用1.5个月时间完成电缆敷设的设计任务；主厂房内每台300MW机组自动化专业的电缆根数为4038根；主厂房内每台300MW机组自动化专业的电缆长度为350公里；以上电缆的根数及长度均不包括全厂火灾报警的厂供电缆和全厂各帮助生产车间的电缆

17、；电缆桥架的立柱、桥架及小槽盒全部选用钢制镀锌，每台机组约95吨。其它电缆桥架包括直通、弯通、三通、四通、盖板、终端封头、调宽片、直接片等选用铝合金材质，每台300MW机组约为55吨。附件随桥架供应（如螺栓、螺母）。 某电厂，4MW燃油燃气电站。热力系统为单元制。DCS采纳TELEPERM-XP.每台机组设计I/O点数为5804点。 电缆敷设采纳EC软件，12个人用2.5个月时间完成电缆敷设的设计任务；主厂房内每台325MW机组自动化专业的电缆根数为4413根；主厂房内每台235MW机组自动化专业的电缆长度为360公里；每台机组全部选用钢制镀锌电缆桥架，其重量约为200吨。电站的电缆可以分为六

18、大类：高压电力电缆、低压电力电缆、掌握电缆、热控电缆、弱电电缆（主要指计算机用电缆）、其它电缆。若两台300MW机组同时做电缆敷设，自动化专业电缆的数量大约有8500根左右。其中热控电缆和弱电电缆将大于5000根，即约占60%左右（以根数计量）。 设计、投资及使用 上述的比较是偏重于纯技术性的比较，以下比较拟加入经济因素。 比较的前题是DCS系统与典型的、抱负的FCS系统进行比较。为什么要做如此的假设。作为DCS系统进展到今日，开发初期提出的技术要求却已满意并得到了完善，目前的状况是进一步提高，因此也就不存在典型、抱负的说法。 而作为FCS系统，90年月刚进入有用化，作为开发初期的技术要求：兼

19、容开放，双向数字通信、数字智能现场装置、高速总线等，目前还不抱负有待完善。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，占据更多的市场，目的就是要挤身于国际标准，合法的占据更大的市场。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，要真正占据市场，就得完善系统及相关产品。我们可以做这样的猜测，不久的将来，完善的现场总线系统及相关产品必需成为世界现场总线技术的主流。 详细比较： （1）DCS系统是个大系统，其掌握器功能强而且在系统中的作用非常重要，数据大路更是系统的关键，所以，必需整体投资一步到位，事后的扩容难度较大。而FCS功能下放

20、较彻底，信息处理现场化，数字智能现场装置的广泛采纳，使得掌握器功能与重要性相对减弱。因此，FCS系统投资起点低，可以边用、边扩、边投运。 （2）DCS系统是封闭式系统，各公司产品基本不兼容。而FCS系统是开放式系统，用户可以选择不同厂商、不同品牌的各种设备连入现场总线，达到最佳的系统集成。 （3）DCS系统的信息全都是二进制或模拟信号形成的，必需有D/A与A/D转换。而FCS系统 是全数字化，就免去了D/A与A/D变换，高集成化高性能，使精度可以从0.5%提高到0.1%. （4）FCS系统可以将PID闭环掌握功能装入变送器或执行器中，缩短了掌握周期，目前可以从DCS的每秒25次，提高到FCS的

21、每秒1020次，从而改善调整性能。 （5）DCS它可以掌握和监视工艺全过程，对自身进行诊断、维护和组态。但是，由于自身的致命弱点，其I/O信号采纳传统的模拟量信号，因此，它无法在DCS工程师站上对现场仪表（含变送器、执行器等）进行远方诊断、维护和组态。FCS采纳全数字化技术，数字智能现场装置发送多变量信息，而不仅仅是单变量信息，并且还具备检测信息差错的功能。FCS采纳的是双向数字通信现场总线信号制。因此，它可以对现场装置（含变送器、执行机构等）进行远方诊断、维护和组态。FCS的这点优越性是DCS无法比拟的。 （6）FCS由于信息处理现场化，与DCS相比可以省去相当数量的隔离器、端子柜、I/O终

22、端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜，同时也节约了I/O装置及装置室的空间与占地面积。有专家认为可以省去60%. （7）与（6）同样理由，FCS可以削减大量电缆与敷设电缆用的桥架等，同时也节约了设计、安装和维护费用。有专家认为可以节约66%.对于（6）、（7）两点应补充说明的是，采纳FCS系统，节约投资的效果是不用怀疑的，但是否如有的专家所说达6066%.这些数字在多篇文章中消失，编者认为这是相互转摘的结果，目前还未找到这些数字的原始出处，因此，读者在引用这些数字时要慎重。 （8）FCS相对于DCS组态简洁，由于结构、性能标准化，便于安装、运行、维护。 （9）用于过程掌握的FCS设计开发要点。这一点并不作为与DCS的比较，只是说明用于过程掌握或者