【高手講解】DCS的基本結構和PLC的區別

DCS為分散控制系統的英文（TOTAL DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM）簡稱。指的是控制危險分散、管理和顯示集中。60年代末有人研制了作邏輯運算的可編程序控制器（Programmable Logic Controller）。簡稱PLC。主要應用于汽車制造業。70年代中期以完成模擬量控制的DCS推向市場，代替以PID運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，當時主要應用于化工行業。后又有計算機行業從事DCS的開發。

 

 

70年代微機技術還不成熟，計算機技術還不夠發達。操作站、控制器、I/O板和網絡接口板等都是DCS生產廠家自行開發的，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。如用小型機既作為控制器、同時把連接小型機的CRT又作為顯示設備（即人機界面）。一臺小型機需接收幾千臺變送器或別的傳感器來的信號，完成幾百個回路的運算。很顯然其危險有點集中。和模擬儀表連接的電纜一樣多，并且一旦小型機壞了，控制和顯示都沒有了。數字控制沒有達到預期的目的。

 

 

后有人提出把控制和顯示分開。一臺計算機完成控制計算任務，另一臺計算機完成顯示任務。另外，一個工藝過程作為被控對象可能需要顯示和控制的點很多，其中有一些還需要閉環控制或邏輯運算，工藝過程作為被控對象的各個部分會有相對獨立性，可以分成若干個獨立的工序，再把在計算機控制系統中獨立的工序上需要顯示和控制的輸入、輸出的點分配到數臺計算機中去，把原來由一臺小型機完成的運算任務由幾臺或幾十臺計算機（控制器）去完成。其中一臺機器壞了不影響全局。所謂“狼群代替老虎”的戰術，這就是危險分散的意思。把顯示、操作、打印等管理功能集中在一起，用網絡把上述完成控制和顯示的兩部分連成一個系統。當時有人把這種系統稱為集散系統。

 

 

危險究竟要分散到多少算合適呢？這與當時的計算機技術的發展水平有關。70年代中期，徹底分散就是一個控制器完成一個回路的運算。當時由于人們對數字技術不太熟息，習慣于模擬儀表，70年代末、80年代曾經風行回路控制器，把數字控制器做成和原來模擬儀表在外觀上幾乎完全一樣，不改變操作習慣 ，內部把PID運算數字化。一塊儀表（一臺計算機）完成一個回路的控制任務。其價格較為昂貴，但危險是分散了。然后用通訊網絡把各個控制器和以CRT為基礎的人機界面連成一個系統。這時網絡結構通常都是星形結構?；芈返目刂破鞯闹谱鞒杀咎?，價格/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，它的價格/性能比稍好一些。對于一個大中型系統來說，DCS的價格/性能比比回路控制器組成的系統要好。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，如一個控制器采集幾千點、完成幾百個回路的運算，危險又太集中。在這種情況下，危險必需分散。隨著計算機技術的發展，計算機的運算能力、存儲容量和可靠性不斷提高，一臺計算機所完成的任務也可以增加。完成的任務也可集中一點。另外，控制器、網絡等冗余技術也得到了發展，控制運算也可集中一些。

 

 

從目前的DCS來看，一個控制器完成幾十個回路的運算和幾百點的采集、再加適量的邏輯運算，經現場使用，效果是比較好的。這就產生控制器升級的問題了。有時控制器和檢測元件的距離還是比較遠，這就促進現場總線的發展。如CAN、LOONWORKS、FF等現場總線，以及HART協議接收板等都用到DCS系統中。

 

 

DCS分為三大部分，帶I/O板的控制器、通訊網絡和人機界面（HMI）。由I/O板通過端子板直接與生產過程相連，讀取傳感器來的信號。I/O板有幾種不同的類型，每一種I/O板都有相應的端子板。

 

 

模擬量輸入，4-20毫安的標準信號板和用以讀取熱電偶的毫伏信號板；4-16個通道不等；

模擬量輸出，通常都是4-20毫安的標準信號，一般它的通道比較少，4-8個通道；

開關量輸入，16-32個通道；

開關量輸出，開關量輸入和輸出還分不同電壓等級的板，如直流24伏、125伏；交流220伏或115伏等；8-16個通道不等；

脈沖量輸入，用于采集速率的信號；4-8通道不等；

快速中斷輸入；

HART協議輸入板；

現場總線I/O板；

 

 

每一塊I/O板都接在I/O總線上。為了信號的安全和完整，信號在進入I/O板以前信號要進行整修，如上下限的檢查、溫度補償、濾波，這些工作可以在端子板完成，也可以分開完成，完成信號整修的板現在有人稱它們為信號調理板。

 

 

I/O總線和控制器相連。80年代的DCS由于控制器的運算能力不強，為了增加I/O點數，把控制器的任務分開，實際上是有三種類型的控制器。即：完成閉環運算的控制器、模擬量數據采集器和邏輯運算器。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，模擬量數據采集器和邏輯運算器的I/O點數可以多一些。

 

 

閉環控制器、模擬量數據采集器和邏輯運算器可以和人機界面直接連在通訊網絡上，在網絡上的每一個不同的控制器作為網絡上的一個獨立結點。每一個結點完成不同的功能。它們都應有網絡接口。有的DCS為了節省網絡接口，把所有的過程控制用的設備即閉環控制器、模擬量數據采集器和邏輯運算器預先連在控制總線上，稱為過程控制站。這可以增加過程控制站能接收的I/O點數，又能節省接口。然后再通過接口連到網絡上，與人機界面相連。隨著計算機計術的發展，控制器的運算能力不斷增強，如PC機做的一個控制器能力很強，既可接收模擬量運算，也接收開關量邏輯運算。一個控制器成為網絡上的一個結點。通過網絡與人機界面相連。

 

 

控制器是DCS的核心部件，它相當于一臺PC機。有的DCS的控制器本身就是PC機，有CPU、RAM、E2PROM和ROM等芯片，還有兩個接口，一個向下接收I/O總線來的信號，另一個接口是向上把信號送到網絡上與人機界面相連。ROM用來存貯完成各種運算功能的控制算法（有的DCS稱為功能塊庫）。

 

 

在庫中存功能塊，如控制算法PID、帶死區PID，積分分離PID，算術運算加、減、乘、除、平方、開方、函數運算一次濾波、正弦、余弦、X-Y函數發生器、超前-滯后；比較先進的算法有史密斯預估，C語言接口、矩陣加、矩陣乘；邏輯運算有邏輯與、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量結合起來，還與人連系起來。功能塊越多，用戶編寫應用程序（即組態）越方便。組態按照工藝要求，把功能塊連接起來形成控制方案。把控制方案存在E2PROM中。因為E2PROM可以擦寫，組態要隨工藝改變而改變，所以把組態存在E2PROM中。不同用戶有不同組態。組態時，用戶從功能塊庫中選擇要的功能塊，填上參數，把功能塊連接起來。形成控制方案存到E2PROM中。這時控制器在組態方式，投入運行后就成為運行方式。

 

 

控制器中安裝有操作系統，功能塊組態軟件和通訊軟件。

 

 

為了系統安全運行，閉環控制器一定是冗余運行的，一用一備，并且是熱備。為了使冗余成功，應注意以下幾點：兩個控制器的硬件、軟件版本必需一致；檢查發送-接收的芯片是否完好；冗余的芯片是否完好。兩個模件的設定是否一樣、還要檢查有沒有帶手操站等。

 

 

通訊網絡把過程站和人機界面連成一個系統。通訊網絡有幾種不同的結構行式。如總線式、環形和星形?？偩€形在邏輯上也是環形的。星形的只適用于小系統。不論是環形還是總線形，一般都采用廣播式。其它一些協議方式已用的較少。通訊網絡的速率在10M和100M左右。

 

 

人機界面有4種不同形式的結點，它們是操作站、工程師工作站、歷史趨勢站和動態數據服務器。

 

 

u 操作站安裝有操作系統、監控軟件和控制器的驅動軟件。顯示系統的標簽、動態流程圖和報警信息。

 

 

u 工程師工作站給控制器組態（CAD），也可以給操作站組態（作動態流程圖）。如果監控軟件作圖能力很強，作圖工作可以由監控軟件獨立完成。工程師站的另外一個功能是讀控制器的組態，用于控制器升級，查找故障。我們稱之為逆向工程師站。

 

 

u 歷史趨勢站用于存儲歷史數據，一般用磁盤陣列（稱為RAID技術）。

 

 

u 動態數據服務器是DCS和MIS系統的接口，也是DCS和Web的隔離設備。

 

 

DCS和PLC的設計原理區別較大，PLC是由摸仿原繼電器控制原理發展起來的，70年代的PLC只有開關量邏輯控制，首先應用的是汽車制造行業。它以存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和運算等操作的指令；并通過數字輸入和輸出操作，來控制各類機械或生產過程。用戶編制的控制程序表達了生產過程的工藝要求，并事先存入PLC的用戶程序存儲器中。運行時按存儲程序的內容逐條執行，以完成工藝流程要求的操作。PLC的CPU內有指示程序步存儲地址的程序計數器，在程序運行過程中，每執行一步該計數器自動加1，程序從起始步（步序號為零）起依次執行到最終步（通常為END指令），然后再返回起始步循環運算。

 

PLC每完成一次循環操作所需的時間稱為一個掃描周期。不同型號的PLC，循環掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。程序計數器這樣的循環操作，這是DCS所沒有的。這也是使PLC的冗余不如DCS的原因。DCS是在運算放大器的基礎上得以發展的。把所有的函數、各過程變量之間的關系都作成功能塊（有的DCS系統稱為膨化塊）。70年代中期的DCS只有模擬量控制。如TDC2000系統，一個控制器一秒鐘內能完成8個PID回路的運算。首先應用的是化工行業。DCS和PLC的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，即使后來兩者相互有些滲透，但是還是有區別。

 

80年代以后，PLC除邏輯運算外，也有一些控制回路用的算法，但要完成一些復雜運算還是比較困難，PLC用梯形圖編程，模擬量的運算在編程時不太直觀，編程比較麻煩。但在解算邏輯方面，表現出快速的優點，在微秒量級，解算1K邏輯程序不到1毫秒。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。如早期的TDC2000系統，1秒鐘內完成8個回路的控制運算。隨著芯片技術的發展，解算一個算法的時簡在縮短。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4歐姆以下）。模擬量隔離也是非常重要的。在有爆炸危險的地方，應配置本質安全柵。

 

 

相同I/O點數的系統，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。如果主要是模擬量控制、并且函數運算很多，最好采用DCS。DCS在控制器、I/O板、通訊網絡等的冗余方面，一些高級運算、行業的特殊要求方面都要比PLC好的多。PLC由于采用通用監控軟件，在設計企業的管理信息系統方面，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連網，個別DCS就有從市場中消失的危險。

 

隨著新技術的誕生，負面影響也跟著而來。新操作站的開放，病毒和黑客容易侵入到系統。在作設計時，在操作站上設置密碼，系統多加隔離和防火墻。把負面影響減到最小。