DCS和PLC的差異及發(fā)展方向探索

張?jiān)谟?/p>

DCS和PLC的差異及發(fā)展方向探索

張?jiān)谟?/p>

可編程邏輯控制器（PLC）與分散控制系統(tǒng)（DCS）乃是兩個(gè)截然不同，但存在緊密聯(lián)系的概念，二者均為工業(yè)控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)于結(jié)合框架下所生成的產(chǎn)物。本文通過分析DCS和PLC之間的差異，探討二者未來發(fā)展方向。

PLC；DCS；差異；發(fā)展方向

伴隨當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化水平的日益提升，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，此時(shí)采用工業(yè)控制繼電器來控制工業(yè)及機(jī)械生產(chǎn)過程的傳統(tǒng)方法，已經(jīng)較難實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代工業(yè)控制在精度、效率、控制及操作方面的相應(yīng)需求，至此，各種生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)得到迅猛發(fā)展，其中技術(shù)較為成熟且應(yīng)用最為廣泛的乃是DCS和PLC。本文就二者之間差別進(jìn)行分析，探索其未來發(fā)展方向與趨勢。

1 DCS及PLC的差異

PLC與DCS在設(shè)計(jì)原理方面具有較大差異。

對(duì)于PLC而言，是對(duì)原繼電器控制原理進(jìn)行模仿發(fā)展而得，20世紀(jì)70年代的PLC，僅有單一的開關(guān)量邏輯控制，其首次被應(yīng)用于汽車制造行業(yè)。PLC主要執(zhí)行儲(chǔ)存各種操作指令，如計(jì)數(shù)和運(yùn)算、定時(shí)、順序控制及邏輯運(yùn)算等。對(duì)于用戶編制控制程序而言，是對(duì)生產(chǎn)過程具體的工藝要求予以表達(dá)，事先在PLC用戶程序存儲(chǔ)器中完成儲(chǔ)存操作。在實(shí)際運(yùn)行過程中，則依據(jù)儲(chǔ)存程序，依次對(duì)工藝流程要求的對(duì)應(yīng)操作予以完成。在PLC的CPU內(nèi)部，設(shè)置有指示程序步存儲(chǔ)地址的程序計(jì)數(shù)器，程序在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，當(dāng)程序執(zhí)行一步，則此計(jì)數(shù)器就會(huì)自動(dòng)加1，程序從起始步開始，依據(jù)次序執(zhí)行到最終步驟，一般情況下執(zhí)行END指令，然后重新返回至起始步，再次執(zhí)行循環(huán)運(yùn)算操作。當(dāng)PLC執(zhí)行完一次循環(huán)操作之后，所用的時(shí)間被稱作掃描周期。PLC型號(hào)不同，對(duì)應(yīng)的掃描周期也不同，一般情況下，整個(gè)循環(huán)掃描周期維持在1微秒至幾十微秒之間。程序計(jì)數(shù)器所采用的這種循環(huán)操作，是DCS所不具備的，這也是造成PLC在冗余方面沒有DCS好的主要原因。

對(duì)于DCS而言，其發(fā)展基礎(chǔ)為運(yùn)算放大器。將全部函數(shù)和整個(gè)過程變量間所存在的關(guān)系當(dāng)作成功能塊（一些系統(tǒng)也將DCS系統(tǒng)稱之為膨化塊）。對(duì)于20世紀(jì)70年代的DCS而言，其僅有模擬量控制，比如較常見到的TDC2000系統(tǒng)，它的一個(gè)控制器在一秒鐘能夠?qū)?個(gè)PID回路運(yùn)算完成，首先應(yīng)用的是化工行業(yè)。DCS和PLC表現(xiàn)的主要差別是在開關(guān)量的邏輯解算和模擬量的運(yùn)算上，雖然后來兩者相互有些滲透，但同樣存有差別。直至20世紀(jì)80年代之后，PLC除了具備原有的邏輯運(yùn)算之外，同樣有對(duì)回路進(jìn)行控制的算法，但想要將一些復(fù)雜運(yùn)算予以完成還比較困難，PLC所采用的是梯形圖編程，在編程運(yùn)算的模擬量時(shí)，往往不太直觀，在編程方面也較為困難。但在邏輯計(jì)算方面，PLC則較為快速，尤其是在微秒量級(jí)，其對(duì)1K邏輯程序解算時(shí)間還不到1ms。它把所有的輸入都當(dāng)成開關(guān)量來處理，16位（也有32位的）為一個(gè)模擬量。而DCS把所有輸入都當(dāng)成模擬量，1位就是開關(guān)量。解算一個(gè)邏輯是在幾百微秒至幾毫秒量級(jí)。對(duì)于PLC解算一個(gè)PID運(yùn)算在幾十毫秒，這與DCS的運(yùn)算時(shí)間不相上下。大型PLC使用另外一個(gè)CPU來完成模擬量的運(yùn)算。把計(jì)算結(jié)果送給PLC的控制器。不同型號(hào)的DCS，解算PID所需時(shí)間不同，但都在幾十毫秒的量級(jí)。比如較早出現(xiàn)的TDC2000系統(tǒng)，其能夠在1s實(shí)現(xiàn)9個(gè)活路具體的控制運(yùn)算。伴隨當(dāng)今芯片技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展，解算算法的時(shí)間也在縮短。解算一個(gè)算法所需時(shí)間與功能塊的安排方式和組態(tài)方式有關(guān)。

在接地電阻方面，對(duì)PLC也許要求不高，但對(duì)DCS一定要在幾歐姆以下（通常在4Ω以下）。此外，模擬量隔離同樣十分重要，如若存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)，則需設(shè)置對(duì)應(yīng)的本質(zhì)安全柵。當(dāng)系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)相同時(shí)，采用PLC較之DCS，在成本方面則較低，通常節(jié)省成本為45%。PLC無獨(dú)立的操作站，其所采用的硬件及軟件均為相通的，因此，在具體的維修成本上相比與DCS，明顯低于后者。對(duì)于PLC控制器而言，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護(hù)成本比DCS要低很多。一個(gè)PLC的控制器，可以接收幾千個(gè)I/O點(diǎn)（最多可達(dá)8000多個(gè)I/O）。DCS的控制器，只能幾百個(gè)I/O點(diǎn)（不超過500個(gè)I/O）。如果被控對(duì)象主要是設(shè)備連鎖、回路很少，采用PLC較為合適。

此外，二者之間在其它方面的差別：①PLC通常被運(yùn)用在一些小型化的自控場所，例如少量的模擬量的控制及設(shè)備的控制，而DCS則被應(yīng)用在大型的應(yīng)用上，基于習(xí)慣來講，我們將＞600點(diǎn)的系統(tǒng)稱之為DCS，而若小于此數(shù)值，則被稱之為PLC。②安全性的差異。為促使DCS控制設(shè)備在安全性方面有所保證，DCS所運(yùn)用的是雙冗余的控制單元，如若其中的一些比較重要的控制單元出現(xiàn)故障，則有相關(guān)的冗余單元，實(shí)時(shí)無擾的向工作單元進(jìn)行切換，促使整個(gè)系統(tǒng)在安全可靠方面提供保障。PLC所搭接的系統(tǒng)通常均不存在冗余概念，在冗余控制策略方面也就很難提及。尤其是某個(gè)PLC單元出現(xiàn)一些故障的時(shí)候，不得不停止整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作，方能進(jìn)行維護(hù)更換，還需對(duì)其實(shí)施重新編程。因此，DCS系統(tǒng)在安全可靠性方面要高出PLC系統(tǒng)一個(gè)等級(jí)。③控制形式的差別。DCS是一種控制系統(tǒng)形式，而PLC則是一種控制產(chǎn)品。DCS是一種分布式控制系統(tǒng)，分散控制并實(shí)施集中管理。而PLC則實(shí)為一種控制器，可在DCS中予以運(yùn)用，可當(dāng)做一種具有獨(dú)立性的回路控制器，此外，DCS可不需要PLC，各回路在各個(gè)獨(dú)立的控制儀表上均可應(yīng)用完成。

2 PLC和DCS的應(yīng)用與發(fā)展方向

基于整個(gè)工業(yè)控制領(lǐng)域而言，通常將DCS應(yīng)用在模擬量控制要求多且可靠性要求高的控制系統(tǒng)上，為了能夠最大限度的實(shí)現(xiàn)成本降低，則認(rèn)為對(duì)于模擬量控制點(diǎn)少、可靠性要求不高及可間斷運(yùn)行的工段可選用PLC實(shí)施控制，比如玻璃廠，其熔窯中央控制室實(shí)際上就是選用的DCS系統(tǒng)，而對(duì)于冷端及原料等車間而言，則較多采用PLC控制系統(tǒng)。伴隨當(dāng)今工業(yè)控制技術(shù)的日趨成熟及完善，小型化PLC發(fā)展趨勢將轉(zhuǎn)向更加專業(yè)化的使用軌跡，例如在功能及所運(yùn)用環(huán)境方面，則更加具有針對(duì)性，而在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中，那些高端大型的DCS及PLC在具體的界限方面已經(jīng)開始逐漸模糊，甚至出現(xiàn)完全融合的趨勢。DCS在發(fā)展方向上將更加趨向FCS。而對(duì)于FCS核心而言，不僅具有更加分散化的控制系統(tǒng)，其中作為關(guān)鍵的乃是儀表。國外FCS發(fā)展勢頭更為迅猛，已經(jīng)發(fā)展至儀表級(jí)。其中的控制系統(tǒng)僅需對(duì)信號(hào)采集實(shí)施處理，對(duì)邏輯控制及人機(jī)界面予以提供，將整個(gè)模擬量控制向現(xiàn)場儀表予以分散，而控制系統(tǒng)與儀表之間不需要采用傳統(tǒng)形式的電纜進(jìn)行連接，而利用現(xiàn)場總線對(duì)整個(gè)儀表系統(tǒng)進(jìn)行連接。

3 結(jié)語

無論P(yáng)LC還是DCS均為控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展與融合的產(chǎn)物，均會(huì)具體的控制系統(tǒng)，二者之間不僅具有諸多相同之處，也存在許多差異，而在實(shí)際應(yīng)用方面則具有比較大的相同性，二者之間不可簡單的說孰優(yōu)孰劣，而需依據(jù)各自所具有的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合用戶所處的實(shí)際環(huán)境，提供更加適宜可靠的控制系統(tǒng)。

[1]候華發(fā).DCS與PLC的區(qū)別及DCS在電力領(lǐng)域的應(yīng)用[J].工程與建設(shè)，2006，20（1）：79～80.

[2]欒家斌.探討DCS與PLC在化工領(lǐng)域的應(yīng)用[J].純堿工業(yè)，2014（4）：43～45.

[3]趙晉紅.DCS和PLC在煙氣脫硫中的應(yīng)用探討[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2007（4）：138～139.

TM76

A

1004-7344（2016）28-0279-01

2016-9-21

張?jiān)谟拢?988-），男，助理工程師，本科，研究方向?yàn)殡娏Α?/p>