PLC、DCS、FCS三者之間的區別與聯(lián)系

　　FCS是由dcs與plc發(fā)展而來(lái)，FCS不僅具備DCS與PLC的特點(diǎn)，而且跨出了革命的一步，而目前，新型的DCS與新型的PLC都有向對方靠攏的趨勢，新型的DCS已有很強的順序控制功能；而新型的PLC，在處理閉環(huán)控制方面也不差，并且兩者都能組成大型網(wǎng)絡(luò )，DCS與PLC的適用范圍，已有很大的交叉。

　　PLC、DCS、FCS三者之間的區別

　　1、PLC

　　PLC（可編程邏輯控制器）是種專(zhuān)門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數字運算操作電子系統。它采用一種可編程的存儲器，在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時(shí)、計數和算術(shù)運算等操作的指令，通過(guò)數字式或模擬式的輸入輸出來(lái)控制各種類(lèi)型的機械設備或生產(chǎn)過(guò)程。

　?。?）可靠性高。由于PLC大都采用單片微型計算機，因而集成度高，再加上相應的保護電路及自診斷功能，提高了系統的可靠性。

　?。?）編程容易。PLC的編程多采用繼電器控制梯形圖及命令語(yǔ)句，其數量比微型機指令要少得多，除中、高檔PLC外，一般的小型PLC只有16條左右。由于梯形圖形象而簡(jiǎn)單，因此容易掌握、使用方便，甚至不需要計算機專(zhuān)業(yè)知識，就可進(jìn)行編程。

　?。?）組態(tài)靈活。由于PLC采用積木式結構，用戶(hù)只需要簡(jiǎn)單地組合，便可靈活地改變控制系統的功能和規模，因此，可適用于任何控制系統。

　?。?）輸入/輸出功能模塊齊全。PLC的最大優(yōu)點(diǎn)之一，是針對不同的現場(chǎng)信號（如直流或交流、開(kāi)關(guān)量、數字量或模擬量、電壓或電流等），均有相應的模板可與工業(yè)現場(chǎng)的器件（如按鈕、開(kāi)關(guān)、傳感電流變送器、電機啟動(dòng)器或控制閥等）直接連接，并通過(guò)總線(xiàn)與CPU主板連接。

　?。?）安裝方便。與計算機系統相比，PLC的安裝既不需要專(zhuān)用機房，也不需要嚴格的屏蔽措施。使用時(shí)只需把檢測器件與執行機構和PLC的I/O接口端子正確連接，便可正常工作。

　?。?）運行速度快。由于PLC的控制是由程序控制執行的，因而不論其可靠性還是運行速度，都是繼電器邏輯控制無(wú)法相比的。

　　近年來(lái)，微處理器的使用，特別是隨著(zhù)單片機大量采用，大大增強了PLC的能力，并且使PLC與微型機控制系統之間的差別越來(lái)越小，特別是高檔PLC更是如此。

　　2、DCS

　　DCS系統的關(guān)鍵是通信。也可以說(shuō)數據公路是分散控制系統DCS的脊柱。由于它的任務(wù)是為系統所有部件之間提供通信網(wǎng)絡(luò )，因此，數據公路自身的設計就決定了總體的靈活性和安全性。數據公路的媒體可以是：一對絞線(xiàn)、同軸電纜或光纖電纜。

　　通過(guò)數據公路的設計參數，基本上可以了解一個(gè)特定DCS系統的相對優(yōu)點(diǎn)與弱點(diǎn)。

　?。?）系統能處理多少I(mǎi)/O信息。

　?。?）系統能處理多少與控制有關(guān)的控制回路的信息。

　?。?）能適應多少用戶(hù)和裝置（CRT、控制站等）。

　?。?）傳輸數據的完整性是怎樣徹底檢查的。

　?。?）數據公路的最大允許長(cháng)度是多少。

　?。?）數據公路能支持多少支路。

　?。?）數據公路是否能支持由其它制造廠(chǎng)生產(chǎn)的硬件（可編程序控制器、計算機、數據記錄裝置等）。

　　為保證通信的完整，大部分DCS廠(chǎng)家都能提供冗余數據公路。

　　為了保證系統的安全性。使用了復雜的通信規約和檢錯技術(shù)，所謂通信規約就是一組規則，用以保證所傳輸的數據被接收，并且被理解的和發(fā)送的數據一樣。

　　目前在DCS系統中，一般使用兩類(lèi)通信手段，即同步的和異步的，同步通信依靠一個(gè)時(shí)鐘來(lái)調節數據的傳輸和接收，異步網(wǎng)絡(luò )采用沒(méi)有時(shí)鐘的報告系統。

　　3、FCS

　　FCS的關(guān)鍵要點(diǎn)有以下三點(diǎn)。

　?。?）FCS系統的核心是總線(xiàn)協(xié)議，即總線(xiàn)標準。

　　一種類(lèi)型的總線(xiàn)，只要其總線(xiàn)協(xié)議一經(jīng)確定，相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)與有關(guān)的設備也就被確定，就其總線(xiàn)協(xié)議的基本原理而言，各類(lèi)總線(xiàn)都是一樣的，都以解決雙向串行數字化通信傳輸為基本依據。但是由于各種原因，各類(lèi)總線(xiàn)的總線(xiàn)協(xié)議存在很大的差異。

　　為了使現場(chǎng)總線(xiàn)的滿(mǎn)足可互操作性要求，使其成為真正的開(kāi)放系統，原IEC國際標準，現場(chǎng)總線(xiàn)通信協(xié)議模擬的用戶(hù)層中，就明確規定用戶(hù)層具有裝置描述功能。為了實(shí)現互操作，每個(gè)現場(chǎng)總線(xiàn)裝置都用裝置描述DD來(lái)描述。DD能夠認為是裝置的一個(gè)驅動(dòng)器，它包括所有必要的參數描述和主站所需要的操作步驟。由于DD包括描述裝置通信所需要的所有信息，并且與主站無(wú)關(guān)，所以可以使現場(chǎng)裝置實(shí)現真正的互操作性。

　　實(shí)際情況是否如上述一致，回答是否定的。目前通過(guò)的現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準含8種類(lèi)型，而原IEC國際標準只是8種類(lèi)型之一，與其它7種類(lèi)型總線(xiàn)的地位是平等的。其它7種類(lèi)型總線(xiàn)，不論其市場(chǎng)占有率有多少，每個(gè)總線(xiàn)協(xié)議都有一套軟件、硬件的支撐。他們能夠形成系統，形成產(chǎn)品。而原IEC現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準，是一個(gè)既無(wú)軟件支撐也無(wú)硬件支撐的空架子。要實(shí)現這些總線(xiàn)的相互兼容和互操作，就目前狀態(tài)而言，幾乎是不可能的。

　　通過(guò)上述，我們是否可以得出這樣一種映象：開(kāi)放的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的互操作性，就一個(gè)特定類(lèi)型的現場(chǎng)總線(xiàn)而言，只要遵循該類(lèi)型現場(chǎng)總線(xiàn)的總線(xiàn)協(xié)議，對其產(chǎn)品是開(kāi)放的，并具有互操作性，換句話(huà)說(shuō)，不論什么廠(chǎng)家的產(chǎn)品，也不一定是該現場(chǎng)總線(xiàn)公司的產(chǎn)品，只要遵循該總線(xiàn)的總線(xiàn)協(xié)議，產(chǎn)品之間是開(kāi)放的，并具有互操作性，就可以組成總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。

　?。?）FCS系統的基礎是數字智能現場(chǎng)裝置。

　　數字智能現場(chǎng)裝置是FCS系統的硬件支撐，是基礎，道理很簡(jiǎn)單，FCS系統執行的是自動(dòng)控制裝置與現場(chǎng)裝置之間的雙向數字通信現場(chǎng)總線(xiàn)信號制。如果現場(chǎng)裝置不遵循統一的總線(xiàn)協(xié)議，即相關(guān)的通信規約，不具備數字通信功能，那么所謂雙向數字通信只是一句空話(huà)，也不能稱(chēng)之為現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統。再一點(diǎn)，現場(chǎng)總線(xiàn)的一大特點(diǎn)就是要增加現場(chǎng)一級控制功能。如果現場(chǎng)裝置不是多功能智能化的產(chǎn)品，那么現場(chǎng)總線(xiàn)的控制系統的特點(diǎn)也就不存在了，所謂簡(jiǎn)化系統、方便設計、利于維護等優(yōu)越性也是虛的。

　?。?）FCS系統的本質(zhì)是信息處理現場(chǎng)化。

　　對于一個(gè)控制系統，無(wú)論是采用DCS還是采用現場(chǎng)總線(xiàn)，系統需要處理的信息量至少是一樣多的，實(shí)際上，采用現場(chǎng)總線(xiàn)后，可以從現場(chǎng)得到更多的信息?，F場(chǎng)總線(xiàn)系統的信息量沒(méi)有減少，甚至增加了，而傳輸信息的線(xiàn)纜卻大大減少了。這就要求一方面要大大提高線(xiàn)纜傳輸信息的能力，另一方面讓大量信息在現場(chǎng)就地完成處理，減少現場(chǎng)與控制機房之間的信息往返?？梢哉f(shuō)現場(chǎng)總線(xiàn)的本質(zhì)就是信息處理的現場(chǎng)化。

　　減少信息往返是網(wǎng)絡(luò )設計和系統組態(tài)的一條重要原則。減少信息往返常?？蓭?lái)改善系統響應時(shí)間的好處。因此。網(wǎng)絡(luò )設計時(shí)應優(yōu)先將相互間信息交換量大的節點(diǎn)，放在同一條支路里。

　　減少信息往返與減少系統的線(xiàn)纜有時(shí)會(huì )相互矛盾。這時(shí)仍應以節省投資為原則來(lái)做為選擇。如果所選擇系統的響應時(shí)間允許的話(huà)，應選節省線(xiàn)纜的方案。如所選系統的響應時(shí)間比較緊張，稍微減少一點(diǎn)信息的傳輸就夠用了，那就應選減少信息傳輸的方案。

　　現在一些帶現場(chǎng)總線(xiàn)的現場(chǎng)儀表本身裝了許多功能塊，雖然不同產(chǎn)品同種功能塊在性能上會(huì )稍有差別，但一個(gè)網(wǎng)絡(luò )支路上有許多功能雷同功能塊的情況是客觀(guān)存在。選用哪一個(gè)現場(chǎng)儀表上的功能，是系統組態(tài)要解決的問(wèn)題。

　　考慮這個(gè)問(wèn)題的原則是：盡量減少總線(xiàn)上的信息往返。一般可以選擇與該功能有關(guān)的信息輸出最多的那臺儀表上的功能塊。

　　三者之間的典型比較

　　通過(guò)使用現場(chǎng)總線(xiàn)，用戶(hù)可以大量減少現場(chǎng)接線(xiàn)，用單個(gè)現場(chǎng)儀表可以實(shí)現多變量通信，不同制造廠(chǎng)生產(chǎn)的裝置間可以完全互操作，增加現場(chǎng)一級的控制功能，系統集成大大簡(jiǎn)化，并且維護十分簡(jiǎn)便。傳統的過(guò)程控制系統中，每個(gè)現場(chǎng)裝置到控制室都需使用一對專(zhuān)用的雙絞線(xiàn)，以傳送4-20mA信號，現場(chǎng)總線(xiàn)系統中，每個(gè)現場(chǎng)裝置到接線(xiàn)盒雙絞線(xiàn)仍然可以使用，但是從現場(chǎng)接線(xiàn)盒到中央控制室僅用一根雙絞線(xiàn)完成數字通信。

　　通過(guò)采用現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統，到底能節省多少電纜，編者尚未做此計算。但是，我們可以采用DCS系統的電廠(chǎng)中與自動(dòng)控制系統有關(guān)的所用電纜公里數看出，電纜在基建投資中所占份額。

　　1、某電廠(chǎng)，2&TImes;300MW燃煤機組

　　熱力系統為單元制。每臺機組設置一座集中控制樓，采用機、爐、電單元集中控制方式。單元控制室的標高為12.6m，與運行層標高一致。DCS采用WDPF-Ⅱ，每臺機組設計的I/O點(diǎn)為4500點(diǎn)。

　　電纜敷設采用俄EC元件，8個(gè)人用1.5個(gè)月時(shí)間完成敷設的設計任務(wù)。

　　主廠(chǎng)房?jì)让颗_300MW機組自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的電纜根數為4038根。

　　主廠(chǎng)房?jì)让颗_300MW機組自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)電纜長(cháng)度為350公里。

　　以上電纜的根數及長(cháng)度均不包括全廠(chǎng)火災報警的廠(chǎng)供電纜和全廠(chǎng)各輔助生產(chǎn)車(chē)間的電纜。

　　電纜橋架的立柱、橋架及小槽盒全部選用鋼制鍍鋅，每臺機組約95t。

　　其他電纜橋架包括直通、彎通、三通、四通、蓋板、終端封頭、調寬片、直接片等選用鋁合金材質(zhì)，每臺300MW機組約為55t。

　　附件隨橋架提供（如螺栓，螺母）。

　　2、某電廠(chǎng)，4&TImes;325MW燃油燃氣電站

　　熱力系統為單元制。DCS采用TELEPERM--XP.每臺機組設計I/O點(diǎn)為5804點(diǎn)。

　　電纜敷設采用EC軟件，12個(gè)人用2.5個(gè)月時(shí)間完成電纜敷設的設計任務(wù)。

　　主廠(chǎng)房?jì)让颗_325MW機組自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的電纜根數為4413根。

　　主廠(chǎng)房?jì)让颗_325MW機組自動(dòng)化裝業(yè)的電纜長(cháng)度為360km。

　　每臺機組全部選用鋼制鍍鋅電纜橋架，其質(zhì)量約為250t。

　　3、電站的電纜可以分為六大類(lèi)：高壓電力電纜、低壓電力電纜、控制電纜、熱控電纜、弱電電纜（主要指計算機用電纜）、其他電纜。若兩臺300MW機組同時(shí)做電纜敷設，自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)電纜的數量大約有8500根左右。其中熱控電纜和弱電電纜將大于500根，及約占60%左右（以根數計量）。

　　上述的比較偏重于純技術(shù)性的比較，以下比較擬加入經(jīng)濟因素。

　　比較的前提是DCS系統與典型的，理想的FCS系統進(jìn)行比較。為什么要做如此的假設？作為DCS系統發(fā)展到今天，開(kāi)發(fā)初期提出的技術(shù)要求已滿(mǎn)足并得到了完善，目前的狀況是進(jìn)一步提高，因此也就不存在典型、理想的說(shuō)法。而作為FCS系統，20世紀90年代剛進(jìn)入實(shí)用化，作為開(kāi)發(fā)初期的技術(shù)要求：兼容開(kāi)放、雙向數字通信、數字智能現場(chǎng)裝置、高速總線(xiàn)等，目前還不理想，有待完善。這種狀態(tài)與現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準的制定不能說(shuō)沒(méi)有關(guān)系。過(guò)去的十多年，各總線(xiàn)組織都忙于制定標準，開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，占領(lǐng)更多的市場(chǎng)，目的就是要擠身國際標準，合法的占領(lǐng)更多的市場(chǎng)，現在有關(guān)國際標準的爭戰已告一段落，各大公司組織都已意識到，要真正占領(lǐng)市場(chǎng)，就得完善系統及相關(guān)產(chǎn)品。我們可以做這樣的預測，不久的將來(lái)，完善的現場(chǎng)總線(xiàn)系統及相關(guān)產(chǎn)品必將成為世界現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的主流。

　　具體比較：

　?。?）DCS系統是個(gè)大系統，其控制器功能強而且在系統中的作用十分重要，數據公路更是系統的關(guān)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，信息處理現場(chǎng)化，數字智能現場(chǎng)裝置的廣泛采用，使得控制器功能與重要性相對減弱。因此，FCS系統投資起點(diǎn)低，可以邊用、邊擴、邊投運。

　?。?）DCS系統是封閉式系統，各公司產(chǎn)品基本不兼容。而FCS系統是開(kāi)放式系統，用戶(hù)可以選擇不同廠(chǎng)商、不同品牌的各種設備連入現場(chǎng)總線(xiàn)，達到最佳的系統集成。

　?。?）DCS系統的信息全都是二進(jìn)制或模擬信號形成的，必須有D/A與A/D轉換。而FCS系統是全數字化，就免去了D/A與A/D變換，高集成化高性能，使精度可以從±0.5%提高到±0.1%。

　?。?）FCS系統可以將PID閉環(huán)控制功能裝入變送器或執行器中，縮短了控制周期，目前可以從DCS的每秒2--5次，提高到FCS的每秒10--20次，從而改善調節性能。

　?。?）DCS系統可以控制和監視工藝全過(guò)程，對自身進(jìn)行診斷、維護和組態(tài)。但是，由于自身的致病弱點(diǎn)，其I/O信號采用傳統的模擬量信號，因此，它無(wú)法在DCS工程師站上對現場(chǎng)儀表（含變送器，執行器等） 進(jìn)行遠方診斷、維護和組態(tài)。FCS系統采用全數字化技術(shù)，數字智能現場(chǎng)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系統采用雙向數字通信現場(chǎng)總線(xiàn)信號制。因此，它可以對現場(chǎng)裝置（含變送器，執行機構等）進(jìn)行診斷、維護和組態(tài)。FCS系統的這點(diǎn)優(yōu)越性是DCS系統無(wú)法比擬的。

　?。?）FCS系統由于信息處理現場(chǎng)化，與DCS系統相比，可以省去相當數量的隔離器、端子柜、I/O終端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜。同時(shí)也節省了I/O裝置及裝置室的空間與占地面積，有專(zhuān)家認為可以省去60%。

　?。?）與（6）同樣理由，FCS系統可以減少大量電纜與敷設電纜用的橋架等，同時(shí)也省去了設計、安裝和維護費用，有專(zhuān)家認為可以省去66%。

　　對于（6）、（7）兩點(diǎn)應補充說(shuō)明的是，采用FCS系統，節省投資的效果是不用懷疑的，但是否如有的專(zhuān)家所說(shuō)達66%。這些數字在多篇文章中出現，編者認為這是相互轉摘的結果，目前還未找到這些數字的原始出處。因此，讀者在引用數字時(shí)要謹慎。

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

　?。?）用于過(guò)程控制的FCS設計開(kāi)發(fā)要點(diǎn)。這一點(diǎn)并不作為DCS比較，只是說(shuō)明用于過(guò)程控制或者說(shuō)用于模擬連續過(guò)程類(lèi)的FCS在設計開(kāi)發(fā)中應重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。

　?、僖罂偩€(xiàn)本安防爆功能，而且是頭等重要的。

　?、诨颈O控如流量、料位、溫度、壓力等變化是緩慢的，而且還有滯后效應，因此，節點(diǎn)監控并不需要快電子學(xué)的響應時(shí)間，但要求有復雜的模擬量處理能力。這一物理特征決定了系統基本上多采用主--從之間的集中輪詢(xún)制，這在技術(shù)上是合理的，在經(jīng)濟上是有利的。

　?、哿髁?、料位、溫度、壓力等參數的測量，其物理原理是古典的，但傳感器，變送器及控制器應向數字智能化發(fā)展。

　?、茏鳛獒槍B續過(guò)程類(lèi)及其儀器儀表而開(kāi)發(fā)的FCS系統，應側重于低速總線(xiàn)H1的設計完善。