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          PLC、DCS、FCS常見控制系統的根本區別在哪里

          來源:襄陽元豐自動化設備  |  發布時間:2022年02月15日

                 計算機和網絡技術的飛速發展,引起了自動化控制系統結構的變革,一種世界上新型的控制系統即現場總線控制系統(Fieldbus Control System,FCS)在上世紀九十年代走向實用化,并正以迅猛的勢頭快速發展?,F場總線控制系統是目前自動化技術中的一個熱點,正越來越受到國內外自動化設備制造商與用戶的關注?,F場總線控制系統的出現,將給自動化領域在過程控制系統上帶來又一次革命,其深度和廣度將超過歷史的任何一次,從而開創自動化的新紀元。

            FCS可以說是第五代過程控制系統,是由PLC(Programmable Controller)或DCS(Distributed Control System)發展而來的。FCS與PLC及DCS之間有千絲萬縷的聯系,又存在著本質的差異。本文針對PLC、DCS、FCS三大控制系統的特點、性能和差異作一分析。

            1 PLC、DCS、FCS三大控制系統的基本特點

            目前,在連續型流程生產工業過程控制中,有三大控制系統,即PLC、DCS和FCS。它們各自的基本特點如下:

            1.1 PLC

            (1)從開關量控制發展到順序控制、運算處理,是從下往上的。

            (2)邏輯控制、定時控制、 計數控制、 步進(順序)控制、連續PID控制、 數據控制-PLC具有數據處理能力、 通信和聯網等多功能。

            (3)可用一臺PC機為主站,多臺同型PLC為從站。

            (4)也可一臺PLC為主站,多臺同型PLC為從站,構成PLC網絡。這比用PC機作主站方便之處是:有用戶編程時,不必知道通信協議,只要按說明書格式寫就行。

            (5)PLC網絡既可作為獨立DCS/TDCS,也可作為DCS/TDCS的子系統。

            (6)主要用于工業過程中的順序控制,新型PLC也兼有閉環控制功能。

            1.2 DCS

            (1)分散控制系統DCS與集散控制系統TDCS是集4C(Communication,Computer, Control、CRT)技術于一身的監控技術,是第四代過程控制系統。既有計算機控制系統控制算式精度高、響應速度快的優點,又有儀表控制系統安全可靠、維護方便的要求。

            (2)從上到下的樹狀拓撲大系統,其中通信(Communication)是關鍵。

            (3)是樹狀拓撲和并行連續的鏈路結構,也有大量電纜從中繼站并行到現場儀器儀表。

            (4)模擬信號,A/D—D/A、帶微處理器的混合。是由幾臺計算機和一些智能儀表智能部件組成,并逐漸地以數字信號來取代模擬信號。

            (5)一臺儀表一對線接到I/O,由控制站掛到局域網LAN。

            (6)DCS是控制(工程師站)、操作(操作員站)、現場儀表(現場測控站)的3級結構。缺點是成本高,各公司產品不能互換,不能互操作,大DCS系統是各家不同的。

            (7)用于大規模的連續過程控制,如石化、大型電廠機組的集中控制等。

            1.3 FCS

            (1)FCS是第五代過程控制系統,它是21世紀自動化控制系統的方向。是3C技術(Communication,Computer,Control)的融合?;救蝿帐牵罕举|(本征)安全、危險區域、易變過程、難于對付的非常環境。

            (2)全數字化、智能、多功能取代模擬式單功能儀器、儀表、控制裝置。

            (3)用兩根線聯接分散的現場儀表、控制裝置,取代每臺儀表的兩根線?!艾F場控制”取代“分散控制”;數據的傳輸采用“總線”方式。

            (4)從控制室到現場設備的雙向數字通信總線,是互聯的、雙向的、串行多節點、開放的數字通信系統取代單向的、單點、并行、封閉的模擬系統。

            (5)用分散的虛擬控制站取代集中的控制站。

            (6)把微機處理器轉入現場自控設備,使設備具有數字計算和數字通信能力,信號傳輸精度高,遠程傳輸。實現信號傳輸全數字化、控制功能分散、標準統一全開放。

            (7)可上局域網,再可與internet相通。既是通信網絡,又是控制網絡。

            (8)3類FCS的典型應用:1) 連續的工藝過程自動控制如石油化工,其中“本安防爆”技術是很重要的;2)分立的工藝動作自動控制如汽車制造機器人、汽車;3)多點控制如樓宇自動化。

            這三大控制系統,尤其是DCS、PLC,都在電站得到了廣泛應用,而且效果也非常好。

            2 三大控制系統之間的差異

            2.1 差異

            2.1.1 DCS或PLC

            PLC系統與DCS系統的結構差異不大,只是在功能的著重點上的不同,DCS著重于閉環控制及數據處理。PLC著重于邏輯控制及開關量的控制,也可實現模擬量控制。

            DCS或PLC系統的關鍵是通信。也可以說數據公路是分散控制系統DCS及PLC的脊柱。由于它的任務是為系統所有部件之間提供通信網絡,因此,數據公路自身的設計就決定了總體的靈活性和安全性。數據公路的媒體可以是:一對絞線、同軸電纜或光纖電纜。

            DCS的特點是:(1)控制功能強??蓪崿F復雜的控制規律,如串級、前饋、解耦、自適應和非線性控制等。也可實現順序控制。(2)系統可靠性高。(3)采用CRT操作站有良好的人機界面。(4)軟硬件采用模塊化積木式結構。(5)系統容易開發。(6)用組態軟件,編程簡單,操作方便。(7)有良好的性價比。

            通過數據公路的設計參數,基本上可以了解一個特定DCS或PLC系統的相對優點與弱點。

            (1)系統能處理多少I/O信息。

            (2)系統能處理多少與控制有關的控制回路的信息。

            (3)能適應多少用戶和裝置(CRT、控制站等)。

            (4)傳輸數據的完整性是怎樣檢查的。

            (5)數據公路的允許長度是多少。

            (6)數據公路能支持多少支路。

            (7)數據公路是否能支持由其它制造廠生產的硬件(可編程序控制器、計算機、數據記錄裝置等)。為保證通信的完整,大部分DCS或PLC廠家都能提供冗余數據公路。

            為了保證系統的安全性,使用了復雜的通信規約和檢錯技術。所謂通信規約就是一組規則,用以保證所傳輸的數據接收與發送。

            目前在DCS和PLC系統中一般使用兩類通信手段,即同步的和異步的,同步通信依靠一個時鐘信號來調節數據的傳輸和接收,異步網絡采用沒有時鐘的報告系統。

            2.1.2 FCS

            FCS具有(1)很好的開放性、互操作性和互換性。(2)全數字通信。(3)智能化與功能自治性。(4)高度分散性。(5)很強的適用性。

            FCS的關鍵要點有三點:

            (1)FCS系統的核心是總線協議,即總線標準。

            采用雙絞線、光纜或無線電方式傳輸數字信號,減少大量導線,提高了可靠性和抗干擾能力。FCS從傳感器、變送器到調節器一直是數字信號,這就使我們很容易地處理更復雜、更精 確的信號,同時數字通信的差錯功能可檢出傳輸中的誤碼。

            FCS可以將PID控制分散到現場設備(Field Device)中?;诂F場總線的FCS又是全分散、全數字化、全開放和可互操作的新一代生產過程自動化系統,它將取代現場一對一的4~20mA模擬信號線,給傳統的工業自動化控制系統體系結構帶來革命性的變化。

            根據IEC61158的定義,現場總線是安裝在制造或過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡?,F場總線使測控設備具備了數字計算和數字通信能力,提高了信號的測量、傳輸和控制精度,提高了系統與設備的功能、性能。IEC/TC65的SC65C/WG6工作組于1984年開始致力于推出世界上單一的現場總線標準工作,走過了16年的艱難歷程,于1993年推出了IEC61158-2,之后的標準制定就陷于混亂。2000年初公布的IEC61158現場總線國際標準子集有八種,分別為:

            ①類型1 IEC技術報告(FFH1);②類型2 Control-NET(美國Rockwell公司支持);③類型3 Profibus(德國Siemens公司支持);④類型4 P-NET(丹麥Process Data公司支持);⑤類型5 FFHSE(原FFH2)高速以太網(美國Fisher Rosemount公司支持);⑥類型6 Swift-Net(美國波音公司支持);⑦類型7 WorldFIP(法國Alsto公司支持);⑧類型8 Interbus(美國Phoenix Contact公司支持)。

            除了IEC61158的8種現場總線外,IEC TC17B通過了三種總線標準:SDS(Smart Distributed System);ASI(Actuator Sensor Interface);Device NET。另外,ISO公布了ISO 11898 CAN標準。其中Device NET于2002年10月8日被中國批準為國 家標準,并于2003年4月1日開始實施。

            所以,要實現這些總線類型的相互兼容和互操作,就目前狀態而言,幾乎是不可能的。開放的現場總線控制系統的互操作性,就一個特定類型的現場總線而言,只要遵循同一類型現場總線的總線協議,對其產品是開放的,并具有互操作性。換句話說,不論什么廠家的產品,也不一家是該現場總線公司的產品,只要遵循同一類型總線的總線協議,產品之間是開放的,并具有互操作性,就可以組成總線網絡。

            另外,FCS還可以通過網關和企業的上級管理網絡相連,以便管理者掌握第一手資料,為決策提供依據。所以現場總線具有開放性、互操作性、系統結構的高度分散性、靈活的網絡拓撲結構、現場設備的高度智能化、對環境的高度適應性等諸多突出特點。

            (2)FCS系統的基礎是數字智能現場裝置

            控制功能下放到現場儀表中,控制室內儀表裝置主要完成數據處理、監督控制、優化控制、協調控制和管理自動化等功能。

            數字智能現場裝置是FCS系統的硬件支撐,是基礎;道理很簡單,FCS系統執行的是自動控制裝置與現場裝置之間的雙向數字通信現場總線信號制?,F場裝置必須遵循統一的總線協議,即相關的通訊規約,具備數字通信功能,能實現雙向數字通。再一點,現場總線的一大特點就是要增加現場一級控制功能。

            (3)FCS系統的本質是信息處理現場化

            對于一個控制系統,無論是采用DCS還是采用現場總線,系統需要處理的信息量至少是一樣多的。實際上,采用現場總線后,可以從現場得。

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