PLC、DCS、FCS控制系統(tǒng)的特點和差異分析

　　計算機和網絡技術的飛速發(fā)展，引起了自動化控制系統(tǒng)結構的變革，一種世界上最新型的控制系統(tǒng)即現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）在上世紀九十年代走向實用化，并正以迅猛的勢頭快速發(fā)展。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是目前自動化技術中的一個熱點，正越來越受到國內外自動化設備制造商與用戶的關注。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，將給自動化領域在過程控制系統(tǒng)上帶來又一次革命，其深度和廣度將超過歷史的任何一次，從而開創(chuàng)自動化的新紀元。

　　FCS可以說是第五代過程控制系統(tǒng)，是由PLC（Programmable Controller）或DCS（Distributed Control System）發(fā)展而來的。FCS與PLC及DCS之間有千絲萬縷的聯(lián)系，又存在著本質的差異。本文針對PLC、DCS、FCS三大控制系統(tǒng)的特點、性能和差異作一分析。

　　1 PLC、DCS、FCS三大控制系統(tǒng)的基本特點

　　目前，在連續(xù)型流程生產工業(yè)過程控制中，有三大控制系統(tǒng)，即PLC、DCS和FCS。它們各自的基本特點如下：

　　1.1 PLC

　?。?）從開關量控制發(fā)展到順序控制、運算處理，是從下往上的。

　　（2）邏輯控制、定時控制、 計數(shù)控制、 步進(順序)控制、連續(xù)PID控制、 數(shù)據控制――PLC具有數(shù)據處理能力、 通信和聯(lián)網等多功能。

　?。?）可用一臺PC機為主站，多臺同型PLC為從站。

　?。?）也可一臺PLC為主站，多臺同型PLC為從站，構成PLC網絡。這比用PC機作主站方便之處是：有用戶編程時，不必知道通信協(xié)議，只要按說明書格式寫就行。

　?。?）PLC網絡既可作為獨立DCS/TDCS，也可作為DCS/TDCS的子系統(tǒng)。

　?。?）主要用于工業(yè)過程中的順序控制，新型PLC也兼有閉環(huán)控制功能。

　　1.2 DCS

　　（1）分散控制系統(tǒng)DCS與集散控制系統(tǒng)TDCS是集4C（Communication，Computer， Control、CRT）技術于一身的監(jiān)控技術，是第四代過程控制系統(tǒng)。既有計算機控制系統(tǒng)控制算式先進、精度高、響應速度快的優(yōu)點，又有儀表控制系統(tǒng)安全可靠、維護方便的要求。

　?。?）從上到下的樹狀拓撲大系統(tǒng)，其中通信（Communication）是關鍵。

　?。?）是樹狀拓撲和并行連續(xù)的鏈路結構，也有大量電纜從中繼站并行到現(xiàn)場儀器儀表。

　?。?）模擬信號，A/D—D/A、帶微處理器的混合。是由幾臺計算機和一些智能儀表智能部件組成，并逐漸地以數(shù)字信號來取代模擬信號。

　　（5）一臺儀表一對線接到I/O，由控制站掛到局域網LAN。

　?。?）DCS是控制（工程師站）、操作（操作員站）、現(xiàn)場儀表（現(xiàn)場測控站）的3級結構。缺點是成本高，各公司產品不能互換，不能互操作，大DCS系統(tǒng)是各家不同的。

　?。?）用于大規(guī)模的連續(xù)過程控制，如石化、大型電廠機組的集中控制等。

　　1.3 FCS

　?。?）FCS是第五代過程控制系統(tǒng)，它是21世紀自動化控制系統(tǒng)的方向。是3C技術（Communication，Computer， Control）的融合。基本任務是：本質（本征）安全、危險區(qū)域、易變過程、難于對付的非常環(huán)境。

　?。?）全數(shù)字化、智能、多功能取代模擬式單功能儀器、儀表、控制裝置。

　　（3）用兩根線聯(lián)接分散的現(xiàn)場儀表、控制裝置，取代每臺儀表的兩根線?！艾F(xiàn)場控制”取代“分散控制”；數(shù)據的傳輸采用“總線”方式。

　　（4）從控制室到現(xiàn)場設備的雙向數(shù)字通信總線，是互聯(lián)的、雙向的、串行多節(jié)點、開放的數(shù)字通信系統(tǒng)取代單向的、單點、并行、封閉的模擬系統(tǒng)。

　?。?）用分散的虛擬控制站取代集中的控制站。

　?。?）把微機處理器轉入現(xiàn)場自控設備，使設備具有數(shù)字計算和數(shù)字通信能力，信號傳輸精度高，遠程傳輸。實現(xiàn)信號傳輸全數(shù)字化、控制功能分散、標準統(tǒng)一全開放。

　?。?）可上局域網，再可與internet相通。既是通信網絡，又是控制網絡。

　?。?）3類FCS的典型應用：1) 連續(xù)的工藝過程自動控制如石油化工，其中“本安防爆”技術是絕對重要的；2）分立的工藝動作自動控制如汽車制造機器人、汽車；3）多點控制如樓宇自動化。

　　這三大控制系統(tǒng)，尤其是DCS、PLC，都在電站得到了廣泛應用，而且效果也非常好。

　　2 三大控制系統(tǒng)之間的差異

　　2.1 差異

　　2.1.1 DCS或PLC

　　PLC系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)的結構差異不大，只是在功能的著重點上的不同，DCS著重于閉環(huán)控制及數(shù)據處理。PLC著重于邏輯控制及開關量的控制，也可實現(xiàn)模擬量控制。

　　DCS或PLC系統(tǒng)的關鍵是通信。也可以說數(shù)據公路是分散控制系統(tǒng)DCS及PLC的脊柱。由于它的任務是為系統(tǒng)所有部件之間提供通信網絡，因此，數(shù)據公路自身的設計就決定了總體的靈活性和安全性。數(shù)據公路的媒體可以是：一對絞線、同軸電纜或光纖電纜。

　　DCS的特點是：（1）控制功能強?？蓪崿F(xiàn)復雜的控制規(guī)律，如串級、前饋、解耦、自適應、最優(yōu)和非線性控制等。也可實現(xiàn)順序控制。（2）系統(tǒng)可靠性高。（3）采用CRT操作站有良好的人機界面。（4）軟硬件采用模塊化積木式結構。（5）系統(tǒng)容易開發(fā)。（6）用組態(tài)軟件，編程簡單，操作方便。（7）有良好的性價比。

　　通過數(shù)據公路的設計參數(shù)，基本上可以了解一個特定DCS或PLC系統(tǒng)的相對優(yōu)點與弱點。

　?。?）系統(tǒng)能處理多少I/O信息。

　　（2）系統(tǒng)能處理多少與控制有關的控制回路的信息。

　　（3）能適應多少用戶和裝置（CRT、控制站等）。

　?。?）傳輸數(shù)據的完整性是怎樣徹底檢查的。

　?。?）數(shù)據公路的最大允許長度是多少。

　　（6）數(shù)據公路能支持多少支路。

　　（7）數(shù)據公路是否能支持由其它制造廠生產的硬件（可編程序控制器、計算機、數(shù)據記錄裝置等）。為保證通信的完整，大部分DCS或PLC廠家都能提供冗余數(shù)據公路。

　　為了保證系統(tǒng)的安全性，使用了復雜的通信規(guī)約和檢錯技術。所謂通信規(guī)約就是一組規(guī)則，用以保證所傳輸?shù)臄?shù)據接收與發(fā)送。

　　目前在DCS和PLC系統(tǒng)中一般使用兩類通信手段，即同步的和異步的，同步通信依靠一個時鐘信號來調節(jié)數(shù)據的傳輸和接收，異步網絡采用沒有時鐘的報告系統(tǒng)。

　　2.1.2 FCS

　　FCS具有（1）很好的開放性、互操作性和互換性。（2）全數(shù)字通信。（3）智能化與功能自治性。（4）高度分散性。（5）很強的適用性。

　　FCS的關鍵要點有三點：

　?。?）FCS系統(tǒng)的核心是總線協(xié)議，即總線標準。

　　采用雙絞線、光纜或無線電方式傳輸數(shù)字信號，減少大量導線，提高了可靠性和抗干擾能力。FCS從傳感器、變送器到調節(jié)器一直是數(shù)字信號，這就使我們很容易地處理更復雜、更精確的信號，同時數(shù)字通信的差錯功能可檢出傳輸中的誤碼。

　　FCS可以將PID控制徹底分散到現(xiàn)場設備（Field Device）中。基于現(xiàn)場總線的FCS又是全分散、全數(shù)字化、全開放和可互操作的新一代生產過程自動化系統(tǒng)，它將取代現(xiàn)場一對一的4～20mA模擬信號線，給傳統(tǒng)的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)體系結構帶來革命性的變化。

　　根據IEC61158的定義，現(xiàn)場總線是安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡?，F(xiàn)場總線使測控設備具備了數(shù)字計算和數(shù)字通信能力，提高了信號的測量、傳輸和控制精度，提高了系統(tǒng)與設備的功能、性能。IEC/TC65的SC65C/WG6工作組于1984年開始致力于推出世界上單一的現(xiàn)場總線標準工作，走過了16年的艱難歷程，于1993年推出了IEC61158-2，之后的標準制定就陷于混亂。2000年初公布的IEC61158現(xiàn)場總線國際標準子集有八種，分別為：

　?、兕愋? IEC技術報告（FFH1）；②類型2 Control-NET（美國Rockwell公司支持）；③類型3 Profibus（德國Siemens公司支持）；④類型4 P-NET（丹麥Process Data公司支持）；⑤類型5 FFHSE（原FFH2）高速以太網（美國Fisher Rosemount公司支持）；⑥類型6 Swift-Net（美國波音公司支持）；⑦類型7 WorldFIP（法國Alsto公司支持）；⑧類型8 Interbus（美國Phoenix Contact公司支持）。

　　除了IEC61158的8種現(xiàn)場總線外，IEC TC17B通過了三種總線標準：SDS（Smart Distributed System）；ASI（Actuator Sensor Interface）；Device NET。另外，ISO公布了ISO 11898 CAN標準。其中Device NET于2002年10月8日被中國批準為國家標準，并于2003年4月1日開始實施。

　　所以，要實現(xiàn)這些總線類型的相互兼容和互操作，就目前狀態(tài)而言，幾乎是不可能的。開放的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的互操作性，就一個特定類型的現(xiàn)場總線而言，只要遵循同一類型現(xiàn)場總線的總線協(xié)議，對其產品是開放的，并具有互操作性。換句話說，不論什么廠家的產品，也不一家是該現(xiàn)場總線公司的產品，只要遵循同一類型總線的總線協(xié)議，產品之間是開放的，并具有互操作性，就可以組成總線網絡。

　　另外，F(xiàn)CS還可以通過網關和企業(yè)的上級管理網絡相連，以便管理者掌握第一手資料，為決策提供依據。所以現(xiàn)場總線具有開放性、互操作性、系統(tǒng)結構的高度分散性、靈活的網絡拓撲結構、現(xiàn)場設備的高度智能化、對環(huán)境的高度適應性等諸多突出特點。

　?。?）FCS系統(tǒng)的基礎是數(shù)字智能現(xiàn)場裝置

　　控制功能下放到現(xiàn)場儀表中，控制室內儀表裝置主要完成數(shù)據處理、監(jiān)督控制、優(yōu)化控制、協(xié)調控制和管理自動化等功能。

　　數(shù)字智能現(xiàn)場裝置是FCS系統(tǒng)的硬件支撐，是基礎；道理很簡單，F(xiàn)CS系統(tǒng)執(zhí)行的是自動控制裝置與現(xiàn)場裝置之間的雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號制?，F(xiàn)場裝置必須遵循統(tǒng)一的總線協(xié)議，即相關的通訊規(guī)約，具備數(shù)字通信功能，能實現(xiàn)雙向數(shù)字通。再一點，現(xiàn)場總線的一大特點就是要增加現(xiàn)場一級控制功能。

　　（3）FCS系統(tǒng)的本質是信息處理現(xiàn)場化

　　對于一個控制系統(tǒng)，無論是采用DCS還是采用現(xiàn)場總線，系統(tǒng)需要處理的信息量至少是一樣多的。實際上，采用現(xiàn)場總線后，可以從現(xiàn)場得到更多的信息。現(xiàn)場總線系統(tǒng)的信息量沒有減少，甚至增加了，而傳輸信息的線纜卻大大減少了。這就要求一方面要大大提高線纜傳輸信息的能力，另一方面要讓大量信息在現(xiàn)場就地完成處理，減少現(xiàn)場與控制機房之間的信息往返?？梢哉f現(xiàn)場總線的本質就是信息處理的現(xiàn)場化。

　　由現(xiàn)場智能儀表完成數(shù)據采集、數(shù)據處理、控制運算和數(shù)據輸出等功能?，F(xiàn)場儀表的數(shù)據（包括采集的數(shù)據和診斷數(shù)據）通過現(xiàn)場總線傳送到控制室的控制設備上，控制室的控制設備用來監(jiān)視各個現(xiàn)場儀表的運行狀態(tài)，保存智能儀表上傳的數(shù)據，同時完成少量現(xiàn)場儀表無法完成的高級控制功能。

　　2.2 典型系統(tǒng)比較

　　通過使用現(xiàn)場總線，用戶可以大量減少現(xiàn)場接線，用單個現(xiàn)場儀表可實現(xiàn)多變量通信，不同制造廠生產的裝置間可以完全互操作，增加現(xiàn)場一級的控制功能，系統(tǒng)集成大大簡化，并且維護十分簡便。典型的現(xiàn)場總線系統(tǒng)框圖示于圖1。

　　從圖1中可以看出，傳統(tǒng)的過程控制儀表系統(tǒng)每個現(xiàn)場裝置到控制室都需使用一對專用的電纜或雙絞線，以傳送4mA~20mA信號。圖2所示現(xiàn)場總線系統(tǒng)中，每個現(xiàn)場裝置到接線盒的雙絞線仍然可以使用，但是從現(xiàn)場接線盒到中央控制室僅用一根雙絞線完成數(shù)字通信。

　　通過采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，到底能節(jié)省多少電纜，編者就不作詳細的計算。

　　2.3 應用差異

　　上述的比較是偏重于純技術性的比較，下面就DCS與FCS系統(tǒng)在具體應用方面進行比較。前題是DCS系統(tǒng)與典型的、理想的FCS系統(tǒng)進行比較。

　　具體比較：

　?。?）DCS系統(tǒng)是個大系統(tǒng)，其控制器的功能強而且在系統(tǒng)中的作用十分重要，數(shù)據公路更是系統(tǒng)的關鍵，所以，必須整體投資一步到位，事后的擴容難度較大。而FCS功能下放較徹底，信息處理現(xiàn)場化，數(shù)字智能現(xiàn)場裝置的廣泛采用，使得控制器功能與重要性相對減弱。因此，F(xiàn)CS系統(tǒng)投資起點低，可以邊用、邊擴、邊投運。

　?。?）DCS系統(tǒng)是封閉式系統(tǒng)，各公司產品基本不兼容。而FCS系統(tǒng)是開放式系統(tǒng)，不同廠商、不同品牌的各種產品基本能同時連入同一現(xiàn)場總線，達到最佳的系統(tǒng)集成。

　?。?）DCS系統(tǒng)的信息全都是二進制或模擬信號形成的，必須通過D/A與A/D轉換。而FCS系統(tǒng)將D/A與A/D轉換在現(xiàn)場一次表完成，實現(xiàn)全數(shù)字化通信，使精度得到大的提高，可提高到0.1%。并且FCS系統(tǒng)可以將PID閉環(huán)控制功能裝入現(xiàn)場設備中，縮短了控制周期，提高運算速度，從而改善調節(jié)性能。

　?。?）DCS它可以控制和監(jiān)視工藝全過程，對自身進行診斷、維護和組態(tài)。但是，由于自身的致命弱點，其I/O信號采用傳統(tǒng)的模擬量信號，因此，它無法在DCS工程師站上對現(xiàn)場儀表（含變送器、執(zhí)行器等）進行遠方診斷、維護和組態(tài)。FCS采用全數(shù)字化技術，數(shù)字智能現(xiàn)場裝置發(fā)送多變量信息，而不僅僅是單變量信息，并且還具備檢測信息差錯的功能。FCS采用的是雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號制。因此，它可以對現(xiàn)場裝置（含變送器、執(zhí)行機構等）進行遠方診斷、維護和組態(tài)。

　?。?）FCS由于信息處理現(xiàn)場化，與DCS相比可以省去相當數(shù)量的隔離器、端子柜、I/O終端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜，同時也節(jié)省了I/O裝置及裝置室的空間與占地面積。同時，F(xiàn)CS可以減少大量電纜與敷設電纜用的橋架等，同時也節(jié)省了設計、安裝和維護費用。

　?。?）FCS相對于DCS組態(tài)簡單，由于結構、性能標準化，便于安裝、運行、維護。

　　3 PLC與DCS的前景

　　大家都知道FCS是由PLC或DCS發(fā)展而來，現(xiàn)在FCS系統(tǒng)被廣泛的應用，那么，PLC與DCS前景又將如何。

　　PLC于20世紀60年代末期在美國首先出現(xiàn)，目的是用來取代繼電器，執(zhí)行邏輯、計時、計數(shù)等順序控制功能，建立柔性程序控制系統(tǒng)。1976年正式命名，并給予定義：PLC（Programmable logic Controller）是一種數(shù)字控制專用電子計算機，它使用了可編程序存儲器儲存指令，執(zhí)行諸如邏輯、順序、計時、計數(shù)與演算等功能，并通過模擬和數(shù)字輸入、輸出等組件，控制各種機械或工作程序。經過30多年的發(fā)展，PLC已十分成熟與完善，并具有強大的運算、處理和數(shù)據傳輸功能。并定義為可編程控制器（Programmable Controller　PLC）。PLC在FCS系統(tǒng)中的地位似乎已被確定并無多少爭論。參見圖3：IEC推薦的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)體系結構。PLC作為一個站掛在高速總線上。充分發(fā)揮PLC在處理開關量方面的優(yōu)勢。另外，電廠輔助車間，例如水處理車間、循環(huán)水車間、除灰除渣車間、輸煤車間等，這些車間的工藝過程多以順序控制為主。PLC對于順序控制有其獨特的優(yōu)勢。輔助車間的控制系統(tǒng)應以遵循現(xiàn)場總線通訊協(xié)議的PLC或能與FCS進行通訊交換信息的PLC為優(yōu)選對象。

　　現(xiàn)場總線的應用是工業(yè)過程控制發(fā)展的主流之一。可以說FCS的發(fā)展應用是自動化領域一場革命。采用現(xiàn)場總線技術構造低成本現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，促進現(xiàn)場儀表的智能化、控制功能分散化、控制系統(tǒng)開放化，符合工業(yè)控制系統(tǒng)技術發(fā)展趨勢。

　　總之，計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展在經歷了基地式氣動儀表控制系統(tǒng)、電動單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)以及集散控制系統(tǒng)（DCS）后，將朝著現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）的方向發(fā)展。雖然以現(xiàn)場總線為基礎的FCS發(fā)展很快，但FCS發(fā)展還有很多工作要做，如統(tǒng)一標準、儀表智能化等。另外，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的維護和改造還需要DCS，因此FCS完全取代傳統(tǒng)的DCS還需要一個漫長的過程，同時DCS本身也在不斷的發(fā)展與完善?？梢钥隙ǖ氖?，結合DCS、工業(yè)以太網、先進控制等新技術的FCS將具有強大的生命力。工業(yè)以太網以及現(xiàn)場總線技術作為一種靈活、方便、可靠的數(shù)據傳輸方式，在工業(yè)現(xiàn)場得到了越來越多的應用，并將在控制領域中占有更加重要的地位。

　　4 結論

　　在未來，工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，數(shù)字技術向智能化、開放性、網絡化、信息化發(fā)展，同時，工業(yè)控制軟件也將向標準化、網絡化、智能化、開放性發(fā)展。因此現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS的出現(xiàn)，數(shù)字式分散控制DCS及PLC并不會消亡，DCS及PLC系統(tǒng)會更加向智能化、開放性、網絡化、信息化發(fā)展?；蛑皇菍⑦^去處于控制系統(tǒng)中心地位的DCS移到現(xiàn)場總線的一個站點上去。這樣說，DCS或PLC處于控制系統(tǒng)中心地位的局面從此將被打破。今后的控制系統(tǒng)將會是：FCS處于控制系統(tǒng)中心地位，兼有DCS、PLC系統(tǒng)一種新型標準化、智能化、開放性、網絡化、信息化控制系統(tǒng)。