DCS的結構與PLC的區別

DCS為分散控制系統的英文（TOTAL DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM）簡稱。指的是控制危險分散、管理和顯示集中。60年代末有人研製了作邏輯運算的可編程序控制器（Programmable Logic Controller）。簡稱PLC。主要應用於汽車製造業。70年代中期以完成模擬量控制的DCS推向市場，代替以PID運算為主的模擬儀錶控制。首先提出DCS這樣一種思想的是原製造儀錶的廠商，當時主要應用於化工行業。後又有計算機行業從事DCS的開發。70年代微機技術還不成熟，計算機技術還不夠發達。操作站、控制器、I/O板和網路介面板等都是DCS生產廠家自行開發的，也就是所有部件都是專用的。70年代初，有人用如PDP/1124這樣的小型機代替原來的集中安裝的模擬儀錶控制。連接到中央控制室的電纜很多。如用小型機既作為控制器、同時把連接小型機的CRT又作為顯示設備（即人機界面）。一台小型機需接收幾千台變送器或別的感測器來的信號，完成幾百個迴路的運算。很顯然其危險有點集中。和模擬儀錶連接的電纜一樣多，並且一旦小型機壞了，控制和顯示都沒有了。數字控制沒有達到預期的目的。後有人提出把控制和顯示分開。一台計算機完成控制計算任務，另一台計算機完成顯示任務。另外，一個工藝過程作為被控對象可能需要顯示和控制的點很多，其中有一些還需要閉環控制或邏輯運算，工藝過程作為被控對象的各個部分會有相對獨立性，可以分成若干個獨立的工序，再把在計算機控制系統中獨立的工序上需要顯示和控制的輸入、輸出的點分配到數台計算機中去，把原來由一台小型機完成的運算任務由幾台或幾十台計算機（控制器）去完成。其中一台機器壞了不影響全局。所謂「狼群代替老虎」的戰術，這就是危險分散的意思。把顯示、操作、列印等管理功能集中在一起，用網路把上述完成控制和顯示的兩部分連成一個系統。當時有人把這種系統稱為集散系統。危險究竟要分散到多少算合適呢？這與當時的計算機技術的發展水平有關。70年代中期，徹底分散就是一個控制器完成一個迴路的運算。當時由於人們對數字技術不太熟息，習慣於模擬儀錶，70年代末、80年代曾經風行迴路控制器，把數字控制器做成和原來模擬儀錶在外觀上幾乎完全一樣，不改變操作習慣 ，內部把PID運算數字化。一塊儀錶（一台計算機）完成一個迴路的控制任務。其價格較為昂貴，但危險是分散了。然後用通訊網路把各個控制器和以CRT為基礎的人機界面連成一個系統。這時網路結構通常都是星形結構。迴路的控制器的製作成本太高，價格/性能比不好。後來為了減低成本，就有兩迴路的、四迴路的控制器， 它的價格/性能比稍好一些。對於一個大中型系統來說，DCS的價格/性能比比迴路控制器組成的系統要好。有些特殊地方還是要用到一些迴路控制器。如果所要完成的迴路太多，如一個控制器採集幾千點、完成幾百個迴路的運算，危險又太集中。在這種情況下，危險必需分散。隨著計算機技術的發展，計算機的運算能力、存儲容量和可靠性不斷提高，一台計算機所完成的任務也可以增加。完成的任務也可集中一點。另外，控制器、網路等冗餘技術也得到了發展，控制運算也可集中一些。從目前的DCS來看，一個控制器完成幾十個迴路的運算和幾百點的採集、再加適量的邏輯運算，經現場使用，效果是比較好的。這就產生控制器升級的問題了。有時控制器和檢測元件的距離還是比較遠，這就促進現場匯流排的發展。如CAN、LOONWORKS、FF等現場匯流排，以及HART協議接收板等都用到DCS系統中。 DCS分為三大部分，帶I/O板的控制器、通訊網路和人機界面（HMI）。由I/O板通過端子板直接與生產過程相連，讀取感測器來的信號。I/O板有幾種不同的類型，每一種I/O板都有相應的端子板。l 模擬量輸入，4-20毫安的標準信號板和用以讀取熱電偶的毫伏信號板；4-16個通道不等；l 模擬量輸出，通常都是4-20毫安的標準信號，一般它的通道比較少，4-8個個通道；l 開關量輸入；16-32個通道：l 開關量輸出，開關量輸入和輸出還分不同電壓等級的板，如直流24伏、125伏；交流220伏或115伏等；8-16個通道不等； l 脈衝量輸入，用於採集速率的信號；4-8通道不等；l 快速中斷輸入；l HART協議輸入板；l 現場匯流排I/O板；每一塊I/O板都接在I/O匯流排上。為了信號的安全和完整，信號在進入I/O板以前信號要進行整修，如上下限的檢查、溫度補償、濾波，這些工作可以在端子板完成，也可以分開完成，完成信號整修的板現在有人稱它們為信號調理板。I/O匯流排和控制器相連。80年代的DCS由於控制器的運算能力不強，為了增加I/O點數，把控制器的任務分開，實際上是有三種類型的控制器。即：完成閉環運算的控制器、模擬量數據採集器和邏輯運算器。它們分別有自己的I/O匯流排，各種DCS的I/O匯流排各不相同。如果要求快速，最好採用並行匯流排。一般採用串列匯流排比較多。尤其是RS485匯流排較多，模擬量數據採集器和邏輯運算器的I/O點數可以多一些。閉環控制器、模擬量數據採集器和邏輯運算器可以和人機界面直接連在通訊網路上，在網路上的每一個不同的控制器作為網路上的一個獨立結點。每一個結點完成不同的功能。它們都應有網路介面。有的DCS為了節省網路介面，把所有的過程式控制制用的設備即閉環控制器、模擬量數據採集器和邏輯運算器預先連在控制匯流排上，稱為過程式控制制站。這可以增加過程式控制制站能接收的I/O點數，又能節省介面。然後再通過介面連到網路上，與人機界面相連。隨著計算機計術的發展，控制器的運算能力不斷增強，如PC機做的一個控制器能力很強，既可接收模擬量運算，也接收開關量邏輯運算。一個控制器成為網路上的一個結點。通過網路與人機界面相連。控制器是DCS的核心部件，它相當於一台PC機。有的DCS的控制器本身就是PC機。它主要有CPU、RAM、E2PROM和ROM等晶元，還有兩個介面，一個向下接收I/O匯流排來的信號，另一個介面是向上把信號送到網路上與人機界面相連。ROM用來存貯完成各種運算功能的控制演算法（有的DCS稱為功能塊庫）。在庫中存功能塊，如控制演算法PID、帶死區PID，積分分離PID，算術運算加、減、乘、除、平方、開方、函數運算一次濾波、正弦、餘弦、X-Y函數發生器、超前-滯後；比較先進的演算法有史密斯預估，C語言介面、矩陣加、矩陣乘；邏輯運算有邏輯與、邏輯或、邏輯非、邏輯與非等。通常用站功能塊不僅把模擬量和開關量結合起來，還與人連繫起來。功能塊越多，用戶編寫應用程序（即組態）越方便。組態按照工藝要求，把功能塊連接起來形成控制方案。把控制方案存在E2PROM中。因為E2PROM可以擦寫，組態要隨工藝改變而改變，所以把組態存在E2PROM中。不同用戶有不同組態。組態時，用戶從功能塊庫中選擇要的功能塊，填上參數，把功能塊連接起來。形成控制方案存到E2PROM中。這時控制器在組態方式，投入運行後就成為運行方式控制器中安裝有操作系統，功能塊組態軟體和通訊軟體。為了系統安全運行，閉環控制器一定是冗餘運行的，一用一備，並且是熱備。為了使冗餘成功，應注意以下幾點：兩個控制器的硬體、軟體版本必需一致；檢查發送-接收的晶元是否完好；冗餘的晶元是否完好。兩個模件的設定是否一樣、還要檢查有沒有帶手操站等。通訊網路把過程站和人機界面連成一個系統。通訊網路有幾種不同的結構行式。如匯流排式、環形和星形（見圖）。匯流排形在邏輯上也是環形的。星形的只適用於小系統。不論是環形還是匯流排形，一般都採用廣播式。其它一些協議方式已用的較少。通訊網路的速率在10M和100M左右。人機界面有4種不同形式的結點，它們是操作站、工程師工作站、歷史趨勢站和動態數據伺服器。u 操作站安裝有操作系統、監控軟體和控制器的驅動軟體。顯示系統的標籤、動態流程圖和報警信息。u 工程師工作站給控制器組態（CAD），也可以給操作站組態（作動態流程圖）。如果監控軟體作圖能力很強，作圖工作可以由監控軟體獨立完成。工程師站的另外一個功能是讀控制器的組態，用於控制器升級，查找故障。我們稱之為逆向工程師站。u 歷史趨勢站用於存儲歷史數據，一般用磁碟陣列（稱為RAID技術）。u 動態數據伺服器是DCS和MIS系統的介面，也是DCS和Web的隔離設備。DCS和PLC的設計原理區別較大，PLC是由摸仿原繼電器控制原理髮展起來的，70年代的PLC只有開關量邏輯控制，首先應用的是汽車製造行業。它以存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和運算等操作的指令；並通過數字輸入和輸出操作，來控制各類機械或生產過程。用戶編製的控制程序表達了生產過程的工藝要求，並事先存入PLC的用戶程序存儲器中。運行時按存儲程序的內容逐條執行，以完成工藝流程要求的操作。PLC的CPU內有指示程序步存儲地址的程序計數器，在程序運行過程中，每執行一步該計數器自動加1，程序從起始步（步序號為零）起依次執行到最終步（通常為END指令），然後再返回起始步循環運算。PLC每完成一次循環操作所需的時間稱為一個掃描周期。不同型號的PLC，循環掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。程序計數器這樣的循環操作，這是DCS所沒有的。這也是使PLC的冗餘不如DCS的原因。DCS是在運算放大器的基礎上得以發展的。把所有的函數、各過程變數之間的關係都作成功能塊（有的DCS系統稱為膨化塊）。70年代中期的DCS只有模擬量控制。如TDC2000系統，一個控制器一秒鐘內能完成8個PID迴路的運算。首先應用的是化工行業。DCS和PLC的表現的主要差別是在開關量的邏輯解算和模擬量的運算上，即使後來兩者相互有些滲透，但是還是有區別。80年代以後，PLC除邏輯運算外，也有一些控制迴路用的演算法，但要完成一些複雜運算還是比較困難，PLC用梯形圖編程，模擬量的運算在編程時不太直觀，編程比較麻煩。但在解算邏輯方面，表現出快速的優點，在微秒量級，解算1K邏輯程序不到1毫秒。它把所有的輸入都當成開關量來處理，16位（也有32位的）為一個模擬量。而DCS把所有輸入都當成模擬量，1位就是開關量。解算一個邏輯是在幾百微秒至幾毫秒量級。對於PLC解算一個PID運算在幾十毫秒，這與DCS的運算時間不相上下。大型PLC使用另外一個CPU來完成模擬量的運算。把計算結果送給PLC的控制器。不同型號的DCS，解算PID所需時間不同，但都在幾十毫秒的量級。如早期的TDC2000系統，1秒鐘內完成8個迴路的控制運算。隨著晶元技術的發展，解算一個演算法的時簡在縮短。解算一個演算法所需時間與功能塊的安排方式和組態方式有關。在接地電阻方面，對PLC也許要求不高，但對DCS一定要在幾歐姆以下（通常在4歐姆以下）。模擬量隔離也是非常重要的。在有爆炸危險的地方，應配置本質安全柵。相同I/O點數的系統，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大約能省40%左右）。PLC沒有專用操作站，它用的軟體和硬體都是通用的，所以維護成本比DCS要低很多。一個PLC的控制器，可以接收幾千個I/O點（最多可達8000多個I/O）。DCS的控制器，只能幾百個I/O點（不超過500個I/O）。如果被控對象主要是設備連鎖、迴路很少，採用PLC較為合適。如果主要是模擬量控制、並且函數運算很多，最好採用DCS。DCS在控制器、I/O板、通訊網路等的冗餘方面，一些高級運算、行業的特殊要求方面都要比PLC好的多。PLC由於採用通用監控軟體，在設計企業的管理信息系統方面，要容易一些。特別要指出的是，DCS的專用操作站，不是天經地義的。它是由歷史原因形成的。DCS廠家如再不開放操作站，與工廠的管理信息系統連網，個別DCS就有從市場中消失的危險。
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