DCS的基本結構和PLC的區別
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70年代初，有人用如PDP/1124這樣的小型機代替原來(lái)的集中安裝的模擬儀表控制。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(shí)把連接小型機的CRT又作為顯示設備（即人機界面）。一臺小型機需接收幾千臺變送器或別的傳感器來(lái)的信號，完成幾百個(gè)回路的運算。很顯然其危險有點(diǎn)集中。和模擬儀表連接的電纜一樣多，并且一旦小型機壞了，控制和顯示都沒(méi)有了。數字控制沒(méi)有達到預期的目的。
后有人提出把控制和顯示分開(kāi)。一臺計算機完成控制計算任務(wù)，另一臺計算機完成顯示任務(wù)。另外，一個(gè)工藝過(guò)程作為被控對象可能需要顯示和控制的點(diǎn)很多，其中有一些還需要閉環(huán)控制或邏輯運算，工藝過(guò)程作為被控對象的各個(gè)部分會(huì )有相對獨立性，可以分成若干個(gè)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(diǎn)分配到數臺計算機中去，把原來(lái)由一臺小型機完成的運算任務(wù)由幾臺或幾十臺計算機（控制器）去完成。其中一臺機器壞了不影響全局。所謂“狼群代替老虎”的戰術(shù)，這就是危險分散的意思。把顯示、操作、打印等管理功能集中在一起，用網(wǎng)絡(luò )把上述完成控制和顯示的兩部分連成一個(gè)系統。當時(shí)有人把這種系統稱(chēng)為集散系統。
危險究竟要分散到多少算合適呢？這與當時(shí)的計算機技術(shù)的發(fā)展水平有關(guān)。70年代中期，徹底分散就是一個(gè)控制器完成一個(gè)回路的運算。當時(shí)由于人們對數字技術(shù)不太熟息，習慣于模擬儀表，70年代末、80年代曾經(jīng)風(fēng)行回路控制器，把數字控制器做成和原來(lái)模擬儀表在外觀(guān)上幾乎完全一樣，不改變操作習慣 ，內部把PID運算數字化。一塊儀表（一臺計算機）完成一個(gè)回路的控制任務(wù)。其價(jià)格較為昂貴，但危險是分散了。然后用通訊網(wǎng)絡(luò )把各個(gè)控制器和以CRT為基礎的人機界面連成一個(gè)系統。這時(shí)網(wǎng)絡(luò )結構通常都是星形結構?；芈返目刂破鞯闹谱鞒杀咎?，價(jià)格/性能比不好。后來(lái)為了減低成本，就有兩回路的、四回路的控制器， 它的價(jià)格/性能比稍好一些。對于一個(gè)大中型系統來(lái)說(shuō)，DCS的價(jià)格/性能比比回路控制器組成的系統要好。有些特殊地方還是要用到一些回路控制器。
如果所要完成的回路太多，如一個(gè)控制器采集幾千點(diǎn)、完成幾百個(gè)回路的運算，危險又太集中。在這種情況下，危險必需分散。隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機的運算能力、存儲容量和可靠性不斷提高，一臺計算機所完成的任務(wù)也可以增加。完成的任務(wù)也可集中一點(diǎn)。另外，控制器、網(wǎng)絡(luò )等冗余技術(shù)也得到了發(fā)展，控制運算也可集中一些。
從目前的DCS來(lái)看，一個(gè)控制器完成幾十個(gè)回路的運算和幾百點(diǎn)的采集、再加適量的邏輯運算，經(jīng)現場(chǎng)使用，效果是比較好的。這就產(chǎn)生控制器升級的問(wèn)題了。有時(shí)控制器和檢測元件的距離還是比較遠，這就促進(jìn)現場(chǎng)總線(xiàn)的發(fā)展。如CAN、LOONWORKS、FF等現場(chǎng)總線(xiàn)，以及HART協(xié)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(wǎng)絡(luò )和人機界面（HMI）。由I/O板通過(guò)端子板直接與生產(chǎn)過(guò)程相連，讀取傳感器來(lái)的信號。I/O板有幾種不同的類(lèi)型，每一種I/O板都有相應的端子板。
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(gè)通道不等；
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(gè)個(gè)通道；
開(kāi)關(guān)量輸入；16-32個(gè)通道：
開(kāi)關(guān)量輸出，開(kāi)關(guān)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(gè)通道不等；
脈沖量輸入，用于采集速率的信號；4-8通道不等；
快速中斷輸入；
HART協(xié)議輸入板；
現場(chǎng)總線(xiàn)I/O板；
每一塊I/O板都接在I/O總線(xiàn)上。為了信號的安全和完整，信號在進(jìn)入I/O板以前信號要進(jìn)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(kāi)完成，完成信號整修的板現在有人稱(chēng)它們?yōu)樾盘栒{理板。
I/O總線(xiàn)和控制器相連。80年代的DCS由于控制器的運算能力不強，為了增加I/O點(diǎn)數，把控制器的任務(wù)分開(kāi)，實(shí)際上是有三種類(lèi)型的控制器。即：完成閉環(huán)運算的控制器、模擬量數據采集器和邏輯運算器。它們分別有自己的I/O總線(xiàn)，各種DCS的I/O總線(xiàn)各不相同。如果要求快速，最好采用并行總線(xiàn)。一般采用串行總線(xiàn)比較多。尤其是RS485總線(xiàn)較多，模擬量數據采集器和邏輯運算器的I/O點(diǎn)數可以多一些。
閉環(huán)控制器、模擬量數據采集器和邏輯運算器可以和人機界面直接連在通訊網(wǎng)絡(luò )上，在網(wǎng)絡(luò )上的每一個(gè)不同的控制器作為網(wǎng)絡(luò )上的一個(gè)獨立結點(diǎn)。每一個(gè)結點(diǎn)完成不同的功能。它們都應有網(wǎng)絡(luò )接口。有的DCS為了節省網(wǎng)絡(luò )接口，把所有的過(guò)程控制用的設備即閉環(huán)控制器、模擬量數據采集器和邏輯運算器預先連在控制總線(xiàn)上，稱(chēng)為過(guò)程控制站。這可以增加過(guò)程控制站能接收的I/O點(diǎn)數，又能節省接口。然后再通過(guò)接口連到網(wǎng)絡(luò )上，與人機界面相連。隨著(zhù)計算機計術(shù)的發(fā)展，控制器的運算能力不斷增強，如PC機做的一個(gè)控制器能力很強，既可接收模擬量運算，也接收開(kāi)關(guān)量邏輯運算。一個(gè)控制器成為網(wǎng)絡(luò )上的一個(gè)結點(diǎn)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò )與人機界面相連。
控制器是DCS的核心部件，它相當于一臺PC機。有的DCS的控制器本身就是PC機。它主要有CPU、RAM、E2PROM和ROM等芯片，還有兩個(gè)接口，一個(gè)向下接收I/O總線(xiàn)來(lái)的信號，另一個(gè)接口是向上把信號送到網(wǎng)絡(luò )上與人機界面相連。ROM用來(lái)存貯完成各種運算功能的控制算法（有的DCS稱(chēng)為功能塊庫）。在庫中存功能塊，如控制算法PID、帶死區PID，積分分離PID，算術(shù)運算加、減、乘、除、平方、開(kāi)方、函數運算一次濾波、正弦、余弦、X-Y函數發(fā)生器、超前-滯后；比較先進(jìn)的算法有史密斯預估，C語(yǔ)言接口、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(kāi)關(guān)量結合起來(lái)，還與人連系起來(lái)。功能塊越多，用戶(hù)編寫(xiě)應用程序（即組態(tài)）越方便。組態(tài)按照工藝要求，把功能塊連接起來(lái)形成控制方案。把控制方案存在E2PROM中。因為E2PROM可以擦寫(xiě)，組態(tài)要隨工藝改變而改變，所以把組態(tài)存在E2PROM中。不同用戶(hù)有不同組態(tài)。組態(tài)時(shí)，用戶(hù)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(lái)。形成控制方案存到E2PROM中。這時(shí)控制器在組態(tài)方式，投入運行后就成為運行方式。
控制器中安裝有操作系統，功能塊組態(tài)軟件和通訊軟件。
為了系統安全運行，閉環(huán)控制器一定是冗余運行的，一用一備，并且是熱備。為了使冗余成功，應注意以下幾點(diǎn)：兩個(gè)控制器的硬件、軟件版本必需一致；檢查發(fā)送-接收的芯片是否完好；冗余的芯片是否完好。兩個(gè)模件的設定是否一樣、還要檢查有沒(méi)有帶手操站等。
通訊網(wǎng)絡(luò )把過(guò)程站和人機界面連成一個(gè)系統。通訊網(wǎng)絡(luò )有幾種不同的結構行式。如總線(xiàn)式、環(huán)形和星形?？偩€(xiàn)形在邏輯上也是環(huán)形的。星形的只適用于小系統。不論是環(huán)形還是總線(xiàn)形，一般都采用廣播式。其它一些協(xié)議方式已用的較少。通訊網(wǎng)絡(luò )的速率在10M和100M左右。
人機界面有4種不同形式的結點(diǎn)，它們是操作站、工程師工作站、歷史趨勢站和動(dòng)態(tài)數據服務(wù)器。
操作站安裝有操作系統、監控軟件和控制器的驅動(dòng)軟件。顯示系統的標簽、動(dòng)態(tài)流程圖和報警信息。
工程師工作站給控制器組態(tài)（CAD），也可以給操作站組態(tài)（作動(dòng)態(tài)流程圖）。如果監控軟件作圖能力很強，作圖工作可以由監控軟件獨立完成。工程師站的另外一個(gè)功能是讀控制器的組態(tài)，用于控制器升級，查找故障。我們稱(chēng)之為逆向工程師站。
歷史趨勢站用于存儲歷史數據，一般用磁盤(pán)陣列（稱(chēng)為RAID技術(shù)）。
動(dòng)態(tài)數據服務(wù)器是DCS和MIS系統的接口，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發(fā)展起來(lái)的，70年代的PLC只有開(kāi)關(guān)量邏輯控制，首先應用的是汽車(chē)制造行業(yè)。它以存儲執行邏輯運算、順序控制、定時(shí)、計數和運算等操作的指令；并通過(guò)數字輸入和輸出操作，來(lái)控制各類(lèi)機械或生產(chǎn)過(guò)程。用戶(hù)編制的控制程序表達了生產(chǎn)過(guò)程的工藝要求，并事先存入PLC的用戶(hù)程序存儲器中。運行時(shí)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(guò)程中，每執行一步該計數器自動(dòng)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），然后再返回起始步循環(huán)運算。PLC每完成一次循環(huán)操作所需的時(shí)間稱(chēng)為一個(gè)掃描周期。不同型號的PLC，循環(huán)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(huán)操作，這是DCS所沒(méi)有的。這也是使PLC的冗余不如DCS的原因。DCS是在運算放大器的基礎上得以發(fā)展的。把所有的函數、各過(guò)程變量之間的關(guān)系都作成功能塊（有的DCS系統稱(chēng)為膨化塊）。70年代中期的DCS只有模擬量控制。如TDC2000系統，一個(gè)控制器一秒鐘內能完成8個(gè)PID回路的運算。首先應用的是化工行業(yè)。DCS和PLC的表現的主要差別是在開(kāi)關(guān)量的邏輯解算和模擬量的運算上，即使后來(lái)兩者相互有些滲透，但是還是有區別。80年代以后，PLC除邏輯運算外，也有一些控制回路用的算法，但要完成一些復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(shí)不太直觀(guān)，編程比較麻煩。但在解算邏輯方面，表現出快速的優(yōu)點(diǎn)，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(kāi)關(guān)量來(lái)處理，16位（也有32位的）為一個(gè)模擬量。而DCS把所有輸入都當成模擬量，1位就是開(kāi)關(guān)量。解算一個(gè)邏輯是在幾百微秒至幾毫秒量級。對于PLC解算一個(gè)PID運算在幾十毫秒，這與DCS的運算時(shí)間不相上下。大型PLC使用另外一個(gè)CPU來(lái)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(shí)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(gè)回路的控制運算。隨著(zhù)芯片技術(shù)的發(fā)展，解算一個(gè)算法的時(shí)簡(jiǎn)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(zhì)安全柵。
相同I/O點(diǎn)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(méi)有專(zhuān)用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護成本比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8000多個(gè)I/O）。DCS的控制器，只能幾百個(gè)I/O點(diǎn)（不超過(guò)500個(gè)I/O）。如果被控對象主要是設備連鎖、回路很少，采用PLC較為合適。如果主要是模擬量控制、并且函數運算很多，最好采用DCS。DCS在控制器、I/O板、通訊網(wǎng)絡(luò )等的冗余方面，一些高級運算、行業(yè)的特殊要求方面都要比PLC好的多。PLC由于采用通用監控軟件，在設計企業(yè)的管理信息系統方面，要容易一些。
特別要指出的是，DCS的專(zhuān)用操作站，不是天經(jīng)地義的。它是由歷史原因形成的。DCS廠(chǎng)家如再不開(kāi)放操作站，與工廠(chǎng)的管理信息系統連網(wǎng)，個(gè)別DCS就有從市場(chǎng)中消失的危險。
隨著(zhù)新技術(shù)的誕生，負面影響也跟著(zhù)而來(lái)。新操作站的開(kāi)放，病毒和黑客容易侵入到系統。在作設計時(shí)，在操作站上設置密碼，系統多加隔離和防火墻。把負面影響減到最小。
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