PLC、DCS三大控制系统的特点和差异逐一分析

现场总线控制系统于1990年代开始实用化,发展迅速,是世界上最新的控制系统。现场总线控制系统是目前自动化技术的热点,越来越受到国内外自动化设备制造商和用户的关注。现场总线控制系统的出现,将给自动化领域带来另一场革命,其深度和广度将超过历史上任何时期,从而开创自动化的新纪元。

在某些行业,FCS是从PLC发展而来的;在其他行业,FCS是从DCS发展而来的,所以FCS与PLC、DCS有着千丝万缕的联系,有着本质的区别。本文一一分析了PLC、DCS、FCS三种控制系统的特点和区别,指出了它们的起源和发展方向。

一、PLC、DCS、FCS三控系统的基本特点

目前,连续过程生产自动控制(PA)或习惯上称为工业过程控制的控制系统主要有PLC、DCS和FCS三大控制系统。它们各自的基本特点如下:

1.1 个 PLC

(1)从开关量控制到顺序控制和输送处理的发展是自下而上的。

(2)连续PID控制等功能,PID在中断站。

(3)一台PC可以作为主站,多台同类型的PLC可以作为从站。

(4)也可以使用一台PLC作为主站,多台同类型的PLC作为从站组成PLC网络。这比使用PC作为主站方便:当有是用户编程,不需要了解通信协议,只要按照手册的格式写就可以了。

(5)PLC 网格既可以作为独立的 DCS/TDCS 使用,也可以作为 DCS/TDCS 的子系统使用。

(6)大系统同DCS/TDCS,如TDC3000、CENTUMCS、WDPFI、MOD300。

(7)PLC网络如西门子SINEC—L1、SINEC—H1、S4、S5、S6、S7等., GE 的 GENET, MELSEC-NET, Mitsubishi Corporation 的 MELSEC-NET/MINI。

(8)主要用于工业过程中的顺序控制,新型PLC还具有闭环控制功能。

(9)制造商:GOULD(美国)、AB(美国)、GE(美国)、OMRON(日本)、MITSUBISHI(日本)、Siemens(德国)等

1.2 个 DCS 或 TDCS

(1)分布式控制系统DCS和分布式控制系统TDCS是集成4C(Communication, Computer, Control, CRT)技术的监控技术。

(2)以通信为关键的自上而下的树形拓扑结构。

(3)PID在中断站,中断站连接计算机和现场测控设备。

(4)是树形拓扑结构和并联连续链路结构,中继站到现场仪表之间也有大量电缆并联。

(5)模拟信号,A/D—D/A,与微处理器混合。

(6)一台仪器通过一对线连接到I/O,通过控制站连接到局域网LAN。

(7)DCS是控制(工程师站)、操作(操作员站)、现场仪表(现场测控站)的三层结构。

(8)缺点是成本高,各公司产品不能互换,不能互通,DCS系统不同。

(9)用于大型连续过程控制,如石化等

(10)制造商:Bailey (美国)、Westinghous (美国)、HITACH (日本)、LEEDS & NORTHRMP (美国)、SIEMENS (德国)、Foxboro (美国)、ABB (瑞士)、Hartmann & Braun(德国)、Yokogawa(日本)、Honewell(美国)、Taylor(美国)等

1.3 FCS

(1)基本任务是:本质上(本质上)安全、危险区域、可变过程、难以应对的特殊环境。

(2)全数字化、智能化、多功能替代模拟单功能仪器、仪表和控制设备。

(3)使用两根线连接分散的现场仪表、控制设备、PID和控制中心,而不是每台仪表两根线。

(4)在总线上,PID等于仪器、仪表、控制设备。

(5)多变量、多节点、串行、数字通信系统取代单变量、单点、并行、模拟系统。

(6)是互联的,双向的,开放的而不是单向的,封闭的。

(7)用分散的虚拟控制站代替集中控制站。

(8)由现场电脑控制,也可以与上位机在同一总线上连接上位机。

(9)局域网,可以重新联网了。

(10)将传统的信号标准、通信标准、系统标准转变为企业管理网络。

(11)制造商:霍尼韦尔、Smar、Fisher-Rosemount、AB/Rockwell、Elsag-Bailey、Foxboro、Yamatake、日本横河电机、欧洲西门子、GEC-Alsthom、施耐德、proces-Data、ABB、等等

(12)Class 3 FCS典型1)石油化工等连续过程自动控制,其中“本质安全防爆”技术绝对重要,典型产品有FF、World FIP、 Profibus—PA;2)汽车制造机器人、汽车等过程动作的离散自动控制,典型产品有Profibus—DP、CANbus;3)楼宇自动化等多点控制,典型产品有LON工作,Profibus——FMS。

从以上基本点的描述中,我们是否注意到,用于过程控制的三大系统都不是为发电厂开发的,或者在它们开发的早期,它们不是基于发电厂作为系统 的首选控制对象。在这些系统的使用说明书中,从不将电站作为首选的适用范围,有的在适用范围内根本没有提及电站。现在奇怪的是,这三种控制系统,尤其是DCS和PLC,在电厂中应用广泛,而且效果也很好。

二、三种控制系统的区别

我们已经知道 FCS 是从 DCS 和 PLC 发展而来的。 FCS不仅具有DCS和PLC的特点,而且迈出了革命性的一步。目前,无论是新DCS还是新PLC,都趋向于靠拢。新型DCS具有强大的顺序控制功能;而新的PLC在处理闭环控制方面也不错ab可编程控制器,两者都可以组成一个大网络。 DCS和PLC的应用范围已经大大跨越。下一节只比较 DCS 和 FCS。前面几章已经实际涉及到DCS和FCS的区别,下面从架构、投资、设计、使用等方面进行说明。

2.1个差异点DCS

DCS 系统的关键是通信。也可以说,数据高速公路是分散控制系统DCS的支柱。由于其任务是在系统的所有组件之间提供通信网络,因此数据高速公路本身的设计决定了整体的灵活性和安全性。数据高速公路的介质可以是:双绞线、同轴电缆或光纤电缆。

一个特定DCS系统的相对优缺点基本上可以通过数据高速公路的设计参数来了解。

(1)系统可以处理多少 I/O 信息。

(2)系统可以处理多少与控制相关的控制回路信息。

(3)可以容纳多少用户和设备(CRT、控制站等)。

(4)如何彻底检查传输数据的完整性。

(5)数据路的最大允许长度是多少。

(6)数据路可以支持多少个分支。

(7)数据高速公路能否支持其他厂商生产的硬件(可编程控制器、计算机、数据记录设备等)。

为了保证通信的完整性,大部分DCS厂商都可以提供冗余数据通路。

为了确保系统的安全性,使用了复杂的通信协议和错误检测技术。所谓通信协议,就是一套规则,保证传输的数据被接收并理解为传输的数据。

目前DCS系统中一般使用两种通信方式,即同步和异步。同步通信依靠时钟信号来调整数据的发送和接收,而异步网络则使用没有时钟的报告系统……

FCS FCS有三个关键点:

(1)FCS系统的核心是总线协议,也就是如总线标准前面章节所述,对于一种类型的总线,只要确定了它的总线协议,相关的关键技术和相关设备也行,就其总线协议的基本原理而言,各种总线都是一样的,都是基于解决双向串行数字通信传输。由于种种原因,各种总线的总线协议有很大的不同。

为了使现场总线满足互操作性要求,使其成为真正的开放系统,在IEC国际标准的用户层,现场总线通信协议模型中,明确规定用户层具有以下功能:设备说明。对于互操作性,每个现场总线设备都由设备描述 DD 进行描述。 DD 可以被认为是设备的驱动程序,它包括所有必要的参数描述和主机所需的操作步骤。由于 DD 包含描述设备通信所需的所有信息并且独立于主设备,因此它实现了现场设备的真正互操作性。

标准包含8种类型,而原来的IEO国际标准只是8种类型中的一种,其他7种类型的公交车地位是平等的。对于其他7条总线,无论它们的市场份额有多大,每种总线协议都有一套软硬件支持。它们可以组成一个系统,形成一个产品,而原来的IEC现场总线国际标准是一个空架子,既没有软件支持,也没有硬件支持。因此,就目前的状态而言,实现这些总线的相互兼容和互操作几乎是不可能的。

从上面我们是否可以得到这样的印象,开放式现场总线控制系统的互操作性,就特定类型的现场总线而言,只要遵循该类型现场总线的总线协议,其产品就是开放且可互操作。换言之,无论厂家的产品是什么,不一定是现场总线公司的产品,只要遵循总线的总线协议,产品是开放互通的,就可以形成总线网络。

(2)FCS系统基于数字智能现场设备

数字化智能现场设备是FCS系统的硬件支撑和基础。原因很简单。 FCS系统实现了自控装置与现场设备之间的双向数字通讯现场总线信号系统。如果现场设备不遵循统一的总线协议,即相关的通信协议,不具备数字通信的功能,那么所谓的双向数字通信只是一句空话,不能称之为现场总线控制系统。还有一点,现场总线的一大特点就是增加了现场级控制功能。如果现场设备不是多功能的

智能产品,那么现场总线控制系统的特性就不存在了,所谓的简化系统、方便设计、方便维护的优势也是虚的。

(3)FCS系统的本质是现场信息处理

对于一个控制系统,无论是使用DCS还是现场总线,系统需要处理的信息量至少是相同的。事实上,使用现场总线后,可以从现场获取更多信息。现场总线系统中的信息量没有减少甚至增加,而传输信息的电缆却大大减少了。这就要求,一方面要大大提高电缆传输信息的能力,另一方面要允许现场处理大量信息,减少场景之间的信息往返和控制室。可以说,现场总线的本质是现场信息处理。

减少信息往返是网络设计和系统配置的重要原则。减少信息往返通常有利于提高系统响应时间。因此,在网络设计时,应将信息交换量大的节点放在同一个分支中。

减少信息往返次数和减少系统布线有时是相互矛盾的。此时,仍应本着节约投资的原则进行选择。如果所选系统的响应时间允许,则应选择节省电缆的解决方案。如果所选择的系统响应时间比较紧,稍微减少信息传输就足够了,那么就应该选择减少信息传输的方案。

如今,一些带有现场总线的现场仪表配备了许多功能块。虽然不同产品的相同功能块性能略有不同,但客观上一个网络分支上具有相同功能的功能块很多。 在现场仪表上选择哪个功能块是系统配置要解决的问题。

考虑这个问题的原则是尽量减少信息在总线上的往返。一般可以选择仪器上输出与该功能相关信息最多的功能块。

2.2 典型系统比较

通过使用现场总线,用户可以大大减少现场接线,单台现场仪表实现多变量通讯,不同厂家生产的设备之间完全互通,增加现场级控制功能,大大简化系统集成,并且维护非常容易。在传统的过程控制仪表系统中,每个现场设备到控制室都需要使用一对专用的双绞线来传输4~20mA的信号;在现场总线系统中,每个现场设备到接线盒的双绞线仍然可以使用,但现场接线盒到中控室的数字通信只使用一根双绞线。

编辑还没有计算出使用现场总线控制系统可以节省多少电缆。但是,我们可以从使用 DCS 系统的发电厂中与自动控制系统相关的电缆的公里数看出,电缆在基础设施投资中的份额。

一座发电厂,2×300MW燃煤机组。热力系统是一个单位系统。各单元设置集中控制楼,采用机、炉、电单元集中控制方式。单元控制室标高12.6米,与操作层标高相同。 DCS采用WDPF-II,每个单元设计的I/O点数为4500点。

电缆敷设采用EC软件,8人用1.5个月完成了电缆敷设的设计任务;主车间每台300MW机组自动化电缆4038根; 300MW机组自动化专业电缆长度350公里;上述电缆的数量和长度不包括工厂提供的火灾报警电缆和全厂辅助生产车间的电缆;电缆桥架的立柱、桥架和小槽箱均采用钢材,采用镀锌钢,每台约95吨。其他电缆桥架包括直通、弯通、三通、四通、盖板、接线头、调宽片、直通片等均采用铝合金制造,每台300MW机组约55吨。配件随桥提供(例如螺栓、螺母)。

一座发电厂,4×MW 油气发电站。热力系统是一个单位系统。 DCS采用TELEPERM-XP。每个单元设计有 5804 个 I/O 点。

电缆敷设采用EC软件,12人用2.5个月完成了电缆敷设的设计任务;主楼每台325MW机组自动化用电缆4413根; 235MW机组自动化电缆长度360公里;每个单元全部采用钢制镀锌电缆桥架,重量约200吨。

电站用电缆可分为六类:

高压电力电缆、低压电力电缆、控制电缆、热控电缆、弱电电缆(主要指计算机电缆)、其他电缆。如果同时敷设两台300MW机组,自动化专业电缆数量约为8500根。其中,热控电缆和弱电电缆的数量将超过5000根,即约60%(以电缆数量计)。

2.3 设计、投资和使用

以上比较纯属技术比较,以下比较意在纳入经济因素。

比较的前提是将DCS系统与一个典型的、理想的FCS系统进行比较。为什么要做出这样的假设。 DCS系统发展到今天,开发初期提出的技术要求已经得到满足和完善。目前的情况还有待进一步改善,所以没有典型的、理想的说法。作为 FCS 系统,它在 1990 年代才刚刚进入实际使用阶段。作为发展初期的技术要求:兼容开放、双向数字通信、数字智能现场设备、高速总线等,并不理想,需要改进。

不能说这种状态与现场总线国际标准的制定无关。十年来,各公交组织忙于制定标准、开发产品、占领更多市场。目的是挤进国际标准,合法占领更大的市场。现在国际标准之争已经结束,各大公司和组织已经意识到,要想真正占领市场,就必须改进自己的系统和相关产品。我们可以这样预测,在不久的将来,完善的现场总线系统及相关产品必将成为世界现场总线技术的主流。

比较:

(1)DCS系统是一个大系统,它的控制器功能强大,在系统中起着非常重要的作用,而数据高速公路是系统的关键,所以必须在整体上进行投资一步到位,后续扩展难度更大,但FCS功能分散更彻底,信息处理在现场,数字化智能现场设备的广泛采用,使得控制器的功能和重要性相对弱化。 FCS系统投资起点低,可同时使用、扩容、投产。..

(2)DCS系统是封闭系统,各个公司的产品基本互不兼容。FCS系统是开放系统,用户可以选择不同厂家和品牌的各种设备接入现场总线ab可编程控制器,从而实现最优秀的系统集成。

(3)DCS系统的信息都是由二进制或模拟信号形成的,必须有D/A和A/D转换。而FCS系统

全数字化,无需D/A和A/D转换,高集成度和高​​性能,使精度从±0.5%提高到±0.@ >1%。

(4)FCS系统可以将PID闭环控制功能安装到变送器或执行器中,缩短控制周期。目前可以从DCS每秒2~5次提高到2~5次每秒 FCS 10~20 次,提高调整性能。

(5)DCS可以对整个过程进行控制和监控,自行诊断、维护和配置。但是由于它的致命弱点,它的I/O信号使用传统的模拟信号,所以不能进行远程诊断DCS工程师站现场仪表(包括变送器、执行器等)的维护和配置。 FCS 采用双向数字通信现场总线信号系统,因此可以远程诊断、维护和配置现场设备(包括变送器、执行器等)。FCS 的这一优势是 DCS 无法比拟的。

(6)FCS由于现场信息处理,相比DCS可以节省相当数量的隔离器、端子柜、I/O端子、I/O卡、I/O文件和I/O O机柜还节省了I/O设备和机房的空间和占地面积,有专家认为可以节省60%。

(7)同理(6)),FCS可以减少大量的电缆和电缆桥架等,也可以节省设计、安装和维护成本。有专家认为,可以节省66%。对于(6),(7),需要补充一点的是,使用FCS系统,节省投资的效果是毋庸置疑的,但根据是否是60~66%致专家。这些数字出现在几篇文章中,编辑认为这是相互转载的结果。这些数字的原始来源尚未找到。因此,读者在引用这些数字时要小心。

(8)FCS比DCS配置简单,由于其标准化的结构和性能,易于安装、操作和维护。

(9)FCS设计开发过程控制的要点。此点不作为与DCS的比较,仅说明用于过程控制或模拟连续过程的FCS应该使用在设计和开发中。要考虑的关键问题:

1)总线本安防爆功能是必需的,也是重中之重。

2)流量、料位、温度、压力等基本监控变化缓慢,有滞后效应。因此,节点监控不需要快速电子设备的响应时间,但需要复杂的模拟处理能力。这一物理特性决定了系统基本采用主从之间的集中轮询系统,技术上合理,经济上具有优势。

3)流量、料位、温度、压力等参数的测量,物理原理是经典的,但传感器、变送器和控制器应向数字化智能化方向发展。

4)作为面向连续过程及其仪表而开发的FCS,应重点关注低速总线H1的设计与完善。

三、PLC和DCS的前景

我们已经知道有些FCS是从PLC发展而来的,有些FCS是从DCS发展而来的。那么,今天的 FCS 已经实用化,PLC 和 DCS 的未来会是怎样的呢?

PLC于1960年代后期首次出现在美国,其目的是取代继电器,执行逻辑、定时、计数等顺序控制功能,建立灵活的程序控制系统。 1976 年正式命名和定义:

PLC是用于数字控制的专用电子计算机。它利用可编程存储器存储指令,执行逻辑、时序、定时、计数和算术等功能,并通过模拟和数字输入输出元件控制各种元件。机器或工作程序。 PLC经过30多年的发展,已经非常成熟和完善,开发出了模拟量闭环控制功能。

PLC 在 FCS 系统中的位置似乎已经确定,没有太多争论。 PLC作为一个站挂在高速总线上。充分发挥PLC在处理开关量方面的优势。此外,在火电厂的辅助车间,如补给水处理车间、循环水车间、除灰除渣车间、输煤车间等,这些车间的工艺大多是按顺序控制的。

PLC在顺序控制方面有其独特的优势。小编认为,辅助车间的控制系统应该是遵循现场总线通讯协议的PLC或能与FCS进行通讯和信息交换的PLC为首选对象。

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