DCS系統與PLC系統的特點淺析

黃曉峰，林清俊，陳福利

HUANG Xiao-feng1,LIN Qing-jun1,CHEN Fu-li2

（1. 北京機械工業自動化研究所，北京 100120；2. 涿神公司 設計部電氣室，涿州 072750）

0 引言

DCS與PLC 都是應用于自控領域的控制系統。隨著工業技術的快速發展，工業自動化程度越來越高，對自動控制系統的可靠性、可操作性的要求越來越高。有許多人在選擇控制系統時對選擇DCS還是PLC，哪一種更適合自己的需求很難決定。以下針對這種情況，對DCS 與PLC 系統的發展、基本結構、配置、應用等進行比較和分析。

1）集散控制系統DCS（Distributed Control System）是基于“4C”技術（Computer Control Communication CRT）在20 世紀70 年代中期出現的新型工業控制系統。采用分布式的計算機系統結構，目的是為了減少風險，提高系統可靠性。它將整個控制系統按照區域、功能和回路作適當分解，再通過總線或通訊網絡將它們連接為有機整體。1975 年Honeywell 公司推出了第一套DCS控制系統，首先被應用于石油化工行業。

2）可編程控制器PLC（Programmable Logic Controller）是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下使用而設計的。工業生產過程中大量的開關量的順序控制按照邏輯條件進行順序動作，并按照邏輯關系進行連鎖保護動作的控制及大量離散量的數據采集，這些功能傳統上是通過氣動或電氣控制系統來實現的。1968年美國GM公司提出取代繼電氣控制裝置的要求，第二年，美國數字公司研制出了基于集成電路和電子技術的控制裝置，首次采用程序化的手段應用于電氣控制，這就是第一代可編程序控制器，稱Programmable Controller（PC）。

1 結構及特點

1）DCS 是計算機技術、控制技術和網絡技術高度結合的產物。從結構上劃分，DCS 包括過程級、操作級和管理級。過程級主要由過程控制站、I/ O 單元和現場儀表組成，是系統控制功能的主要實施部分。操作級包括：操作員站和工程師站，完成系統的操作和組態。管理級主要是指工廠管理信息系統（MIS系統），作為DCS更高層次的應用，目前國內應用這一系統的行業較少。

DCS 的關鍵技術在于網絡，從上到下是樹狀拓撲和并行連續的鏈路結構，中間站聯接計算機、現場儀器儀表和控制裝置。

PLC從結構上分為固定式和組合式（模塊式）2 種。固定式PLC 包括CPU板、I/ O板、顯示面板、內存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU 模塊、I/ O 模塊、內存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規則組合配置。

PLC的關鍵技術在于其內部固化了一個能解釋梯形圖語言的程序及輔助通訊程序，梯形圖語言的解釋程序的效率決定了PLC 的性能，通訊程序決定了PLC 與外界交換信息的難易。對于簡單的應用，通常以獨立控制器的方式運作，不需與外界交換信息，只需內部固化有能解釋梯形圖語言的程序即可。

2）在網絡方面DCS 網絡是整個系統的中樞神經，和利時公司的MACS 系統中的系統網采用的是雙冗余的100Mbps的工業以太網，采用國際標準協議TCP/ IP。它是安全可靠雙冗余的高速通訊網絡，系統的拓展性與開放性更好。而PLC 因為基本上都為個體工作，在與別的PLC 或上位機進行通訊時，所采用的網絡形式基本都是單網結構，網絡協議也經常與國際標準不符。在網絡安全上PLC 沒有很好的保護措施。

3）DCS 整體考慮方案。操作員站都具備工程師站的功能，站與站之間在運行方案程序下裝后是一種緊密聯合的關系，任何站、任何功能、任何被控裝置之間都是相互連鎖控制協調控制的。DCS 可以控制和監視工藝全過程，對自身進行診斷、維護和組態。但是，由于自身的致命弱點，其I/ O 信號采用傳統的模擬量信號，因此，它無法在DCS 工程師站上對現場儀表（比如變送器、執行器等）進行遠方診斷、維護和組態。當采用現場總線儀表時才能通過現場測控站對現場儀表進行診斷和維護。

原來單用PLC 互相連接構成的系統，其站與站（PLC 與PLC）之間的聯系是一種松散的連接方式，做不出協調控制的功能。現在的PLC 可以采用共同的上位機，使用PLC 網絡（如Siemens 公司的SINEC - L1、SINEC - H1、S4、S5、S6、S7等，GE 公司的GENET、三菱公司的MELSEC - NET、MELSEC- NET/MINI 等）來協調控制。

4）DCS在整個設計上留有大量的可擴展性接口，外接系統或擴展系統都十分方便。缺點是成本高，各公司產品不能互換，不能相互操作。DCS系統是各家不同的，所搭接的整個系統完成后想隨意的增加或減少操作員站都是很難實現的。

5）在安全性上DCS 系統為保證控制設備的安全可靠采用了雙冗余的控制單元。當重要控制單元出現故障時，都會有相關的冗余單元實時無擾動的切換為工作單元，保證整個系統的安全可靠連續工作。PLC 所搭接的系統基本沒有冗余的概念，更談不上冗余控制策略。特別是當其某個PLC單元發生故障時，不得不將整個系統停下來，才能進行更換、維護并需重新編程。所以DCS 系統安全可靠性更高。

6）系統軟件。對各種工藝控制方案進行更新是DCS的一項最基本的功能。當某個方案發生變化后，工程師只需要在工程師站上將更改過的方案編譯后執行下裝命令就可以了。下裝過程是由系統自動完成的，不影響原控制方案運行。對于PLC 構成的系統來說，工作量極其龐大，首先需要確定所要編輯更新的是哪個PLC，然后要用與之對應的編譯器進行程序編譯，最后再用專用的機器（讀寫器）專門一對一的將程序傳送給這個PLC。在系統調試期間，調試時間長和調試成本高，而且極其不利于日后的維護，在控制精度上也相差甚遠。因此在大中型控制項目中（500 點以上）基本不采用全部由PLC 所連接而成的系統。

7）模塊DCS 系統所有I/ O 模塊都帶有CPU，可以實現對采集及輸出信號品質的判斷與標量變換，故障帶電插拔，隨機更換。而PLC 模塊只是簡單電氣轉換單元，沒有智能芯片，發生故障后相應單元全部癱瘓。

（1）PLC 響應速度快；DCS 響應速度慢。

（2）DCS 要作復雜的運算，內存較大；PLC一般不做復雜運算，內存小。

（3）DCS 的數據庫統一，可以應用工位號管理；PLC 的數據庫不統一，必須以地址為基礎管理。

（4）冗余功能DCS 更容易實現。

8）DCS 與PLC 的系統內核的實現形式不同。因為DCS 的控制程序編譯以后的代碼是采用程序調用運行的，而PLC 的程序是采用編譯后對語句代碼的順序掃描實現的。這就是為什么PLC 至今對模擬量的處理不如DCS 功能強大。而DCS 對開關量的處理不如PLC 快速的原因。至于Siemens等公司現在推出的PCS7 等一體化系統都是在他們的CPU 模塊中采用雙CPU 進行處理，分別完成模擬量和開關量的處理。表面上看似一個系統，實際是雙系統的整合。

2 主要制造商和產品

1）自1975 年以來，第四代DCS 產品已推上市場。主要生產廠家及產品有美國的Honeywell公司（TDC2000、TDC3000、TPS、PKS）、Westinghous 公司（WDPF、Ovation）、日本的橫河公司、日立公司、山武霍尼威爾公司、德國SIEMENS公司、Hartmann &Braun 公司、EURO公司、瑞士的ABB公司（N90、INDUSTRIAL IT、INFI90）；國內主要有北京安控科技發展有限公司、北京和利時有限公司（MACS、FOCS）、浙大中自（JX300X、JX500）、新華公司（XDPS - 400）等。

2）PLC 在全世界有大約200 家生產廠家。主要廠家及產品有施耐德公司（Quantum、Premium、Momentum 等）、AB公 司（SLC、MicroLogix、ControlLogix 等） 、西門子公司（SIMAT2IC S7 -400/ 300/ 200 系列）、GE公司、日本歐姆龍、三菱、富士、松下等。國內PLC 生產廠約30 家，但沒有形成頗具規模的生產能力和名牌產品，還有一部分是以仿制、來件組裝或貼牌方式生產。

3 應用狀況

1）自1975 年Honeywell 公司推出第一套DCS以后，全世界有60 余家公司生產了1500 余種產品，目前約有10000套DCS 在運行。我國DCS發展較晚，大約在20 世紀80 年代末才開始逐漸普及。目前還處在從大型工程逐步向中、小型工程，從主要應用領域（如石化、化工、電力、冶金等行業） 逐步向全工業范圍（如市政、食品、建材、環保、交通等）擴展階段，市場遠沒有飽和。特別在最近一段時期，將會有大量的國內企業采用先進的DCS 來改造傳統產業，它們的技術改造為DCS 提供了十分巨大的市場空間。

目前，我國國民經濟的主要領域使用DCS 系統已經十分普遍，不但大型、中型工程項目采用，不少小型項目也開始采用。DCS 現在是流程工業自控系統最主要的產品。石化是DCS 使用比較早和普遍的領域，石化領域采購DCS 的金額占設備采購總金額的13.6 %。該領域幾乎全部大型工程都是采用國外系統，其中Honeywell 公司、日本橫河電機株式會社處于領先地位。

化工領域也是DCS 的主要應用領域，大約占設備采購總金額的20.3%。在化工領域國產DCS已經取得較大的業績，但該領域銷售額最高的目前還是日本橫河，其次是Honeywell、浙大中自、Emerson 以及北京和利時等公司。

火電站是DCS 的大用戶，每年占DCS 市場總額的34.9 %（含核電和熱電系統）。現在除60萬千瓦機組和部分30萬千瓦新建機組外，30萬千瓦改造機組和30 萬千瓦以下的新建機組已經大量采用國產DCS。

冶金領域隨著技術的發展以及該行業自身的特殊要求，DCS 的使用量正在逐步減小而被PLC系統所替代。目前， DCS的金額大約占設備采購總金額的12%，ABB和Siemens 在冶金領域名列前茅。

食品行業以釀酒行業使用最多，Siemens 由于與丹麥一家啤酒廠合作開發了一套專用系統，在中國市場占有率最高，其次為Honeywell。

2）PLC技術自二十世紀80 年代走向成熟以來，產品的網絡能力、模擬量處理能力、運算速度、內存、復雜運算能力均大大增強，不再局限于邏輯控制的應用，而越來越應用于過程控制方面。目前世界上有200 多個廠家生產300 多種PLC 產品，應用在汽車（23%）、糧食加工（16.4%） 、化學/制藥（14.6%） 、金屬/礦山（11.5%） 、紙漿/造紙（11. 3%） 等行業。

4 發展前景

隨著DCS與PLC功能的不斷發展和完善，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在處理閉環控制方面性能較好，而且無論在控制器方面還是網絡方面都能做到冗余。二者能組成大型網絡，適用范圍已有很大的交叉，技術上相互融合，并在此基礎上集成了全數字化的FCS（現場總線控制系統）。FCS 系統在我國工控領域已得到廣泛應用，但還沒成為主流控制，并且在我國還存在一些問題有待進一步完善。所以用戶對FCS 的接受和認可還需要一個過程。

5 結論

隨著計算機技術和微電子技術的快速發展，DCS與PLC除各自保留自身原有的特點外，又相互補充形成了新的系統。新型的DCS和PLC功能上已沒有多大的差別。如果說它們有什么區別的話，就是設計原理不同。PLC是基于開關量控制而開發、發展起來的，而DCS 起源于模擬量控制系統。PLC 的優勢是順序控制，DCS 的優勢是模擬量控制。若控制回路較多、模擬量的采集量較大，尤其是在熱電阻、熱電偶的采集量較多的情況下應選用DCS。若都是邏輯控制應選用PLC。介于二者之間的，按投資預算決定。若投資預算比較充分，就可以決定采用DCS。因為DCS 不僅在完成模擬量控制方面比較擅長，而且有幾種PLC 經現場使用證明它們的熱電阻的輸入模塊和DCS 的輸入模塊的價格基本一樣，從調試的角度看，PLC 的信號輸入卡沒有DCS 的好用，有時在調試時還容易損壞。