DCS和PLC的差異及發展方向探索

張在勇

DCS和PLC的差異及發展方向探索

張在勇

可編程邏輯控制器（PLC）與分散控制系統（DCS）乃是兩個截然不同，但存在緊密聯系的概念，二者均為工業控制技術與計算機技術于結合框架下所生成的產物。本文通過分析DCS和PLC之間的差異，探討二者未來發展方向。

PLC；DCS；差異；發展方向

伴隨當前工業自動化水平的日益提升，特別是計算機技術在工業控制領域的廣泛應用，此時采用工業控制繼電器來控制工業及機械生產過程的傳統方法，已經較難實現現代工業控制在精度、效率、控制及操作方面的相應需求，至此，各種生產過程控制系統得到迅猛發展，其中技術較為成熟且應用最為廣泛的乃是DCS和PLC。本文就二者之間差別進行分析，探索其未來發展方向與趨勢。

1 DCS及PLC的差異

PLC與DCS在設計原理方面具有較大差異。

對于PLC而言，是對原繼電器控制原理進行模仿發展而得，20世紀70年代的PLC，僅有單一的開關量邏輯控制，其首次被應用于汽車制造行業。PLC主要執行儲存各種操作指令，如計數和運算、定時、順序控制及邏輯運算等。對于用戶編制控制程序而言，是對生產過程具體的工藝要求予以表達，事先在PLC用戶程序存儲器中完成儲存操作。在實際運行過程中，則依據儲存程序，依次對工藝流程要求的對應操作予以完成。在PLC的CPU內部，設置有指示程序步存儲地址的程序計數器，程序在實際運行時，當程序執行一步，則此計數器就會自動加1，程序從起始步開始，依據次序執行到最終步驟，一般情況下執行END指令，然后重新返回至起始步，再次執行循環運算操作。當PLC執行完一次循環操作之后，所用的時間被稱作掃描周期。PLC型號不同，對應的掃描周期也不同，一般情況下，整個循環掃描周期維持在1微秒至幾十微秒之間。程序計數器所采用的這種循環操作，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。

對于DCS而言，其發展基礎為運算放大器。將全部函數和整個過程變量間所存在的關系當作成功能塊（一些系統也將DCS系統稱之為膨化塊）。對于20世紀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，它的一個控制器在一秒鐘能夠將9個PID回路運算完成，首先應用的是化工行業。DCS和PLC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，雖然后來兩者相互有些滲透，但同樣存有差別。直至20世紀80年代之后，PLC除了具備原有的邏輯運算之外，同樣有對回路進行控制的算法，但想要將一些復雜運算予以完成還比較困難，PLC所采用的是梯形圖編程，在編程運算的模擬量時，往往不太直觀，在編程方面也較為困難。但在邏輯計算方面，PLC則較為快速，尤其是在微秒量級，其對1K邏輯程序解算時間還不到1ms。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。對于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。比如較早出現的TDC2000系統，其能夠在1s實現9個活路具體的控制運算。伴隨當今芯片技術的不斷成熟與發展，解算算法的時間也在縮短。解算一個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4Ω以下）。此外，模擬量隔離同樣十分重要，如若存在爆炸風險，則需設置對應的本質安全柵。當系統的I/O點數相同時，采用PLC較之DCS，在成本方面則較低，通常節省成本為45%。PLC無獨立的操作站，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。對于PLC控制器而言，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、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備的控制，而DCS則被應用在大型的應用上，基于習慣來講，我們將＞600點的系統稱之為DCS，而若小于此數值，則被稱之為PLC。②安全性的差異。為促使DCS控制設備在安全性方面有所保證，DCS所運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故障，則有相關的冗余單元，實時無擾的向工作單元進行切換，促使整個系統在安全可靠方面提供保障。PLC所搭接的系統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PLC單元出現一些故障的時候，不得不停止整個系統的運作，方能進行維護更換，還需對其實施重新編程。因此，DCS系統在安全可靠性方面要高出PLC系統一個等級。③控制形式的差別。DCS是一種控制系統形式，而PLC則是一種控制產品。DCS是一種分布式控制系統，分散控制并實施集中管理。而PLC則實為一種控制器，可在DCS中予以運用，可當做一種具有獨立性的回路控制器，此外，DCS可不需要PLC，各回路在各個獨立的控制儀表上均可應用完成。

2 PLC和DCS的應用與發展方向

基于整個工業控制領域而言，通常將DCS應用在模擬量控制要求多且可靠性要求高的控制系統上，為了能夠最大限度的實現成本降低，則認為對于模擬量控制點少、可靠性要求不高及可間斷運行的工段可選用PLC實施控制，比如玻璃廠，其熔窯中央控制室實際上就是選用的DCS系統，而對于冷端及原料等車間而言，則較多采用PLC控制系統。伴隨當今工業控制技術的日趨成熟及完善，小型化PLC發展趨勢將轉向更加專業化的使用軌跡，例如在功能及所運用環境方面，則更加具有針對性，而在現實當中，那些高端大型的DCS及PLC在具體的界限方面已經開始逐漸模糊，甚至出現完全融合的趨勢。DCS在發展方向上將更加趨向FCS。而對于FCS核心而言，不僅具有更加分散化的控制系統，其中作為關鍵的乃是儀表。國外FCS發展勢頭更為迅猛，已經發展至儀表級。其中的控制系統僅需對信號采集實施處理，對邏輯控制及人機界面予以提供，將整個模擬量控制向現場儀表予以分散，而控制系統與儀表之間不需要采用傳統形式的電纜進行連接，而利用現場總線對整個儀表系統進行連接。

3 結語

無論PLC還是DCS均為控制技術及計算機技術不斷發展與融合的產物，均會具體的控制系統，二者之間不僅具有諸多相同之處，也存在許多差異，而在實際應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孰劣，而需依據各自所具有的優點，結合用戶所處的實際環境，提供更加適宜可靠的控制系統。

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TM76

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1004-7344（2016）28-0279-01

2016-9-21

張在勇（1988-），男，助理工程師，本科，研究方向為電力。