【高手講解】DCS的基本結(jié)構(gòu)和PLC的區(qū)別

DCS為分散控制系統(tǒng)的英文（TOTAL DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM）簡(jiǎn)稱。指的是控制危險(xiǎn)分散、管理和顯示集中。60年代末有人研制了作邏輯運(yùn)算的可編程序控制器（Programmable Logic Controller）。簡(jiǎn)稱PLC。主要應(yīng)用于汽車制造業(yè)。70年代中期以完成模擬量控制的DCS推向市場(chǎng)，代替以PID運(yùn)算為主的模擬儀表控制。首先提出DCS這樣一種思想的是原制造儀表的廠商，當(dāng)時(shí)主要應(yīng)用于化工行業(yè)。后又有計(jì)算機(jī)行業(yè)從事DCS的開發(fā)。

 

 

70年代微機(jī)技術(shù)還不成熟，計(jì)算機(jī)技術(shù)還不夠發(fā)達(dá)。操作站、控制器、I/O板和網(wǎng)絡(luò)接口板等都是DCS生產(chǎn)廠家自行開發(fā)的，也就是所有部件都是專用的。

 

 

70年代初，有人用如PDP/1124這樣的小型機(jī)代替原來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(jī)既作為控制器、同時(shí)把連接小型機(jī)的CRT又作為顯示設(shè)備（即人機(jī)界面）。一臺(tái)小型機(jī)需接收幾千臺(tái)變送器或別的傳感器來的信號(hào)，完成幾百個(gè)回路的運(yùn)算。很顯然其危險(xiǎn)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(jī)壞了，控制和顯示都沒有了。數(shù)字控制沒有達(dá)到預(yù)期的目的。

 

 

后有人提出把控制和顯示分開。一臺(tái)計(jì)算機(jī)完成控制計(jì)算任務(wù)，另一臺(tái)計(jì)算機(jī)完成顯示任務(wù)。另外，一個(gè)工藝過程作為被控對(duì)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(yùn)算，工藝過程作為被控對(duì)象的各個(gè)部分會(huì)有相對(duì)獨(dú)立性，可以分成若干個(gè)獨(dú)立的工序，再把在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中獨(dú)立的工序上需要顯示和控制的輸入、輸出的點(diǎn)分配到數(shù)臺(tái)計(jì)算機(jī)中去，把原來由一臺(tái)小型機(jī)完成的運(yùn)算任務(wù)由幾臺(tái)或幾十臺(tái)計(jì)算機(jī)（控制器）去完成。其中一臺(tái)機(jī)器壞了不影響全局。所謂“狼群代替老虎”的戰(zhàn)術(shù)，這就是危險(xiǎn)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(tǒng)。當(dāng)時(shí)有人把這種系統(tǒng)稱為集散系統(tǒng)。

 

 

危險(xiǎn)究竟要分散到多少算合適呢？這與當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)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(yùn)算。當(dāng)時(shí)由于人們對(duì)數(shù)字技術(shù)不太熟息，習(xí)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(shù)字控制器做成和原來模擬儀表在外觀上幾乎完全一樣，不改變操作習(xí)慣 ，內(nèi)部把PID運(yùn)算數(shù)字化。一塊儀表（一臺(tái)計(jì)算機(jī)）完成一個(gè)回路的控制任務(wù)。其價(jià)格較為昂貴，但危險(xiǎn)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(chǔ)的人機(jī)界面連成一個(gè)系統(tǒng)。這時(shí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通常都是星形結(jié)構(gòu)。回路的控制器的制作成本太高，價(jià)格/性能比不好。后來為了減低成本，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(duì)于一個(gè)大中型系統(tǒng)來說，DCS的價(jià)格/性能比比回路控制器組成的系統(tǒng)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(yùn)算，危險(xiǎn)又太集中。在這種情況下，危險(xiǎn)必需分散。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力、存儲(chǔ)容量和可靠性不斷提高，一臺(tái)計(jì)算機(jī)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(yùn)算也可集中一些。

 

 

從目前的DCS來看，一個(gè)控制器完成幾十個(gè)回路的運(yùn)算和幾百點(diǎn)的采集、再加適量的邏輯運(yùn)算，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)使用，效果是比較好的。這就產(chǎn)生控制器升級(jí)的問題了。有時(shí)控制器和檢測(cè)元件的距離還是比較遠(yuǎn)，這就促進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展。如CAN、LOONWORKS、FF等現(xiàn)場(chǎng)總線，以及HART協(xié)議接收板等都用到DCS系統(tǒng)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(jī)界面（HMI）。由I/O板通過端子板直接與生產(chǎn)過程相連，讀取傳感器來的信號(hào)。I/O板有幾種不同的類型，每一種I/O板都有相應(yīng)的端子板。

 

 

模擬量輸入，4-20毫安的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)板和用以讀取熱電偶的毫伏信號(hào)板；4-16個(gè)通道不等；

模擬量輸出，通常都是4-20毫安的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，一般它的通道比較少，4-8個(gè)通道；

開關(guān)量輸入，16-32個(gè)通道；

開關(guān)量輸出，開關(guān)量輸入和輸出還分不同電壓等級(jí)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(hào)；4-8通道不等；

快速中斷輸入；

HART協(xié)議輸入板；

現(xiàn)場(chǎng)總線I/O板；

 

 

每一塊I/O板都接在I/O總線上。為了信號(hào)的安全和完整，信號(hào)在進(jìn)入I/O板以前信號(hào)要進(jìn)行整修，如上下限的檢查、溫度補(bǔ)償、濾波，這些工作可以在端子板完成，也可以分開完成，完成信號(hào)整修的板現(xiàn)在有人稱它們?yōu)樾盘?hào)調(diào)理板。

 

 

I/O總線和控制器相連。80年代的DCS由于控制器的運(yùn)算能力不強(qiáng)，為了增加I/O點(diǎn)數(shù)，把控制器的任務(wù)分開，實(shí)際上是有三種類型的控制器。即：完成閉環(huán)運(yùn)算的控制器、模擬量數(shù)據(jù)采集器和邏輯運(yùn)算器。它們分別有自己的I/O總線，各種DCS的I/O總線各不相同。如果要求快速，最好采用并行總線。一般采用串行總線比較多。尤其是RS485總線較多，模擬量數(shù)據(jù)采集器和邏輯運(yùn)算器的I/O點(diǎn)數(shù)可以多一些。

 

 

閉環(huán)控制器、模擬量數(shù)據(jù)采集器和邏輯運(yùn)算器可以和人機(jī)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(dú)立結(jié)點(diǎn)。每一個(gè)結(jié)點(diǎn)完成不同的功能。它們都應(yīng)有網(wǎng)絡(luò)接口。有的DCS為了節(jié)省網(wǎng)絡(luò)接口，把所有的過程控制用的設(shè)備即閉環(huán)控制器、模擬量數(shù)據(jù)采集器和邏輯運(yùn)算器預(yù)先連在控制總線上，稱為過程控制站。這可以增加過程控制站能接收的I/O點(diǎn)數(shù)，又能節(jié)省接口。然后再通過接口連到網(wǎng)絡(luò)上，與人機(jī)界面相連。隨著計(jì)算機(jī)計(jì)術(shù)的發(fā)展，控制器的運(yùn)算能力不斷增強(qiáng)，如PC機(jī)做的一個(gè)控制器能力很強(qiáng)，既可接收模擬量運(yùn)算，也接收開關(guān)量邏輯運(yùn)算。一個(gè)控制器成為網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)結(jié)點(diǎn)。通過網(wǎng)絡(luò)與人機(jī)界面相連。

 

 

控制器是DCS的核心部件，它相當(dāng)于一臺(tái)PC機(jī)。有的DCS的控制器本身就是PC機(jī)，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總線來的信號(hào)，另一個(gè)接口是向上把信號(hào)送到網(wǎng)絡(luò)上與人機(jī)界面相連。ROM用來存貯完成各種運(yùn)算功能的控制算法（有的DCS稱為功能塊庫(kù)）。

 

 

在庫(kù)中存功能塊，如控制算法PID、帶死區(qū)PID，積分分離PID，算術(shù)運(yùn)算加、減、乘、除、平方、開方、函數(shù)運(yùn)算一次濾波、正弦、余弦、X-Y函數(shù)發(fā)生器、超前-滯后；比較先進(jìn)的算法有史密斯預(yù)估，C語言接口、矩陣加、矩陣乘；邏輯運(yùn)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關(guān)量結(jié)合起來，還與人連系起來。功能塊越多，用戶編寫應(yīng)用程序（即組態(tài)）越方便。組態(tài)按照工藝要求，把功能塊連接起來形成控制方案。把控制方案存在E2PROM中。因?yàn)镋2PROM可以擦寫，組態(tài)要隨工藝改變而改變，所以把組態(tài)存在E2PROM中。不同用戶有不同組態(tài)。組態(tài)時(shí)，用戶從功能塊庫(kù)中選擇要的功能塊，填上參數(shù)，把功能塊連接起來。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(yùn)行后就成為運(yùn)行方式。

 

 

控制器中安裝有操作系統(tǒng)，功能塊組態(tài)軟件和通訊軟件。

 

 

為了系統(tǒng)安全運(yùn)行，閉環(huán)控制器一定是冗余運(yùn)行的，一用一備，并且是熱備。為了使冗余成功，應(yīng)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(shè)定是否一樣、還要檢查有沒有帶手操站等。

 

 

通訊網(wǎng)絡(luò)把過程站和人機(jī)界面連成一個(gè)系統(tǒng)。通訊網(wǎng)絡(luò)有幾種不同的結(jié)構(gòu)行式。如總線式、環(huán)形和星形?？偩€形在邏輯上也是環(huán)形的。星形的只適用于小系統(tǒng)。不論是環(huán)形還是總線形，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(jī)界面有4種不同形式的結(jié)點(diǎn)，它們是操作站、工程師工作站、歷史趨勢(shì)站和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器。

 

 

u 操作站安裝有操作系統(tǒng)、監(jiān)控軟件和控制器的驅(qū)動(dòng)軟件。顯示系統(tǒng)的標(biāo)簽、動(dòng)態(tài)流程圖和報(bào)警信息。

 

 

u 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(jiān)控軟件作圖能力很強(qiáng)，作圖工作可以由監(jiān)控軟件獨(dú)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(jí)，查找故障。我們稱之為逆向工程師站。

 

 

u 歷史趨勢(shì)站用于存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，一般用磁盤陣列（稱為RAID技術(shù)）。

 

 

u 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)器是DCS和MIS系統(tǒng)的接口，也是DCS和Web的隔離設(shè)備。

 

 

DCS和PLC的設(shè)計(jì)原理區(qū)別較大，PLC是由摸仿原繼電器控制原理發(fā)展起來的，70年代的PLC只有開關(guān)量邏輯控制，首先應(yīng)用的是汽車制造行業(yè)。它以存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和運(yùn)算等操作的指令；并通過數(shù)字輸入和輸出操作，來控制各類機(jī)械或生產(chǎn)過程。用戶編制的控制程序表達(dá)了生產(chǎn)過程的工藝要求，并事先存入PLC的用戶程序存儲(chǔ)器中。運(yùn)行時(shí)按存儲(chǔ)程序的內(nèi)容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。PLC的CPU內(nèi)有指示程序步存儲(chǔ)地址的程序計(jì)數(shù)器，在程序運(yùn)行過程中，每執(zhí)行一步該計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1，程序從起始步（步序號(hào)為零）起依次執(zhí)行到最終步（通常為END指令），然后再返回起始步循環(huán)運(yùn)算。

 

PLC每完成一次循環(huán)操作所需的時(shí)間稱為一個(gè)掃描周期。不同型號(hào)的PLC，循環(huán)掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。程序計(jì)數(shù)器這樣的循環(huán)操作，這是DCS所沒有的。這也是使PLC的冗余不如DCS的原因。DCS是在運(yùn)算放大器的基礎(chǔ)上得以發(fā)展的。把所有的函數(shù)、各過程變量之間的關(guān)系都作成功能塊（有的DCS系統(tǒng)稱為膨化塊）。70年代中期的DCS只有模擬量控制。如TDC2000系統(tǒng)，一個(gè)控制器一秒鐘內(nèi)能完成8個(gè)PID回路的運(yùn)算。首先應(yīng)用的是化工行業(yè)。DCS和PLC的表現(xiàn)的主要差別是在開關(guān)量的邏輯解算和模擬量的運(yùn)算上，即使后來兩者相互有些滲透，但是還是有區(qū)別。

 

80年代以后，PLC除邏輯運(yùn)算外，也有一些控制回路用的算法，但要完成一些復(fù)雜運(yùn)算還是比較困難，PLC用梯形圖編程，模擬量的運(yùn)算在編程時(shí)不太直觀，編程比較麻煩。但在解算邏輯方面，表現(xiàn)出快速的優(yōu)點(diǎn)，在微秒量級(jí)，解算1K邏輯程序不到1毫秒。它把所有的輸入都當(dāng)成開關(guān)量來處理，16位（也有32位的）為一個(gè)模擬量。而DCS把所有輸入都當(dāng)成模擬量，1位就是開關(guān)量。解算一個(gè)邏輯是在幾百微秒至幾毫秒量級(jí)。對(duì)于PLC解算一個(gè)PID運(yùn)算在幾十毫秒，這與DCS的運(yùn)算時(shí)間不相上下。大型PLC使用另外一個(gè)CPU來完成模擬量的運(yùn)算。把計(jì)算結(jié)果送給PLC的控制器。不同型號(hào)的DCS，解算PID所需時(shí)間不同，但都在幾十毫秒的量級(jí)。如早期的TDC2000系統(tǒng)，1秒鐘內(nèi)完成8個(gè)回路的控制運(yùn)算。隨著芯片技術(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(duì)PLC也許要求不高，但對(duì)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(xiǎn)的地方，應(yīng)配置本質(zhì)安全柵。

 

 

相同I/O點(diǎn)數(shù)的系統(tǒng)，用PLC比用DCS，其成本要低一些（大約能省40%左右）。PLC沒有專用操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護(hù)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(dá)8000多個(gè)I/O）。DCS的控制器，只能幾百個(gè)I/O點(diǎn)（不超過500個(gè)I/O）。如果被控對(duì)象主要是設(shè)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(shù)運(yùn)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(jí)運(yùn)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(jiān)控軟件，在設(shè)計(jì)企業(yè)的管理信息系統(tǒng)方面，要容易一些。

 

 

特別要指出的是，DCS的專用操作站，不是天經(jīng)地義的。它是由歷史原因形成的。DCS廠家如再不開放操作站，與工廠的管理信息系統(tǒng)連網(wǎng)，個(gè)別DCS就有從市場(chǎng)中消失的危險(xiǎn)。

 

隨著新技術(shù)的誕生，負(fù)面影響也跟著而來。新操作站的開放，病毒和黑客容易侵入到系統(tǒng)。在作設(shè)計(jì)時(shí)，在操作站上設(shè)置密碼，系統(tǒng)多加隔離和防火墻。把負(fù)面影響減到最小。