原创 PLC、DCS、FCS控制系统的特点和差异分析

关键词：可编程序控制器（PLC） 分散控制系统（DCS） 现场总线控制系统（FCS）

计算机和网络技术的飞速发展，引起了自动化控制系统结构的变革，一种世界上最新型的控制系统即现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）在上世纪九十年代走向实用化，并正以迅猛的势头快速发展。现场总线控制系统是目前自动化技术中的一个热点，正越来越受到国内外自动化设备制造商与用户的关注。现场总线控制系统的出现，将给自动化领域在过程控制系统上带来又一次革命，其深度和广度将超过历史的任何一次，从而开创自动化的新纪元。
FCS可以说是第五代过程控制系统，是由PLC（Programmable Controller）或DCS（Distributed Control System）发展而来的。FCS与PLC及DCS之间有千丝万缕的联系，又存在着本质的差异。本文针对PLC、DCS、FCS三大控制系统的特点、性能和差异作一分析。
1 PLC、DCS、FCS三大控制系统的基本特点
目前，在连续型流程生产工业过程控制中，有三大控制系统，即PLC、DCS和FCS。它们各自的基本特点如下：
1.1 PLC
（1）从开关量控制发展到顺序控制、运算处理，是从下往上的。
（2）逻辑控制、定时控制、 计数控制、 步进(顺序)控制、连续PID控制、 数据控制――PLC具有数据处理能力、 通信和联网等多功能。
（3）可用一台PC机为主站，多台同型PLC为从站。
（4）也可一台PLC为主站，多台同型PLC为从站，构成PLC网络。这比用PC机作主站方便之处是：有用户编程时，不必知道通信协议，只要按说明书格式写就行。
（5）PLC网络既可作为独立DCS/TDCS，也可作为DCS/TDCS的子系统。
（6）主要用于工业过程中的顺序控制，新型PLC也兼有闭环控制功能。
1.2 DCS
（1）分散控制系统DCS与集散控制系统TDCS是集4C（Communication，Computer， Control、CRT）技术于一身的监控技术，是第四代过程控制系统。既有计算机控制系统控制算式先进、精度高、响应速度快的优点，又有仪表控制系统安全可靠、维护方便的要求。
（2）从上到下的树状拓扑大系统，其中通信（Communication）是关键。
（3）是树状拓扑和并行连续的链路结构，也有大量电缆从中继站并行到现场仪器仪表。
（4）模拟信号，A/D—D/A、带微处理器的混合。是由几台计算机和一些智能仪表智能部件组成，并逐渐地以数字信号来取代模拟信号。
（5）一台仪表一对线接到I/O，由控制站挂到局域网LAN。
（6）DCS是控制（工程师站）、操作（操作员站）、现场仪表（现场测控站）的3级结构。缺点是成本高，各公司产品不能互换，不能互操作，大DCS系统是各家不同的。
（7）用于大规模的连续过程控制，如石化、大型电厂机组的集中控制等。
1.3 FCS
（1）FCS是第五代过程控制系统，它是21世纪自动化控制系统的方向。是3C技术（Communication，Computer， Control）的融合。基本任务是：本质（本征）安全、危险区域、易变过程、难于对付的非常环境。
（2）全数字化、智能、多功能取代模拟式单功能仪器、仪表、控制装置。
（3）用两根线联接分散的现场仪表、控制装置，取代每台仪表的两根线。“现场控制”取代“分散控制”；数据的传输采用“总线”方式。
（4）从控制室到现场设备的双向数字通信总线，是互联的、双向的、串行多节点、开放的数字通信系统取代单向的、单点、并行、封闭的模拟系统。
（5）用分散的虚拟控制站取代集中的控制站。
（6）把微机处理器转入现场自控设备，使设备具有数字计算和数字通信能力，信号传输精度高，远程传输。实现信号传输全数字化、控制功能分散、标准统一全开放。
（7）可上局域网，再可与internet相通。既是通信网络，又是控制网络。
（8）3类FCS的典型应用：1) 连续的工艺过程自动控制如石油化工，其中“本安防爆”技术是绝对重要的；2）分立的工艺动作自动控制如汽车制造机器人、汽车；3）多点控制如楼宇自动化。
这三大控制系统，尤其是DCS、PLC，都在电站得到了广泛应用，而且效果也非常好。
2 三大控制系统之间的差异
2.1 差异
2.1.1 DCS或PLC
PLC系统与DCS系统的结构差异不大，只是在功能的着重点上的不同，DCS着重于闭环控制及数据处理。PLC着重于逻辑控制及开关量的控制，也可实现模拟量控制。
DCS或PLC系统的关键是通信。也可以说数据公路是分散控制系统DCS及PLC的脊柱。由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络，因此，数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。数据公路的媒体可以是：一对绞线、同轴电缆或光纤电缆。
DCS的特点是：（1）控制功能强。可实现复杂的控制规律，如串级、前馈、解耦、自适应、最优和非线性控制等。也可实现顺序控制。（2）系统可靠性高。（3）采用CRT操作站有良好的人机界面。（4）软硬件采用模块化积木式结构。（5）系统容易开发。（6）用组态软件，编程简单，操作方便。（7）有良好的性价比。
通过数据公路的设计参数，基本上可以了解一个特定DCS或PLC系统的相对优点与弱点。
（1）系统能处理多少I/O信息。
（2）系统能处理多少与控制有关的控制回路的信息。
（3）能适应多少用户和装置（CRT、控制站等）。
（4）传输数据的完整性是怎样彻底检查的。
（5）数据公路的最大允许长度是多少。
（6）数据公路能支持多少支路。
（7）数据公路是否能支持由其它制造厂生产的硬件（可编程序控制器、计算机、数据记录装置等）。为保证通信的完整，大部分DCS或PLC厂家都能提供冗余数据公路。
为了保证系统的安全性，使用了复杂的通信规约和检错技术。所谓通信规约就是一组规则，用以保证所传输的数据接收与发送。
目前在DCS和PLC系统中一般使用两类通信手段，即同步的和异步的，同步通信依靠一个时钟信号来调节数据的传输和接收，异步网络采用没有时钟的报告系统。
2.1.2 FCS
FCS具有（1）很好的开放性、互操作性和互换性。（2）全数字通信。（3）智能化与功能自治性。（4）高度分散性。（5）很强的适用性。
FCS的关键要点有三点：
（1）FCS系统的核心是总线协议，即总线标准。
采用双绞线、光缆或无线电方式传输数字信号，减少大量导线，提高了可靠性和抗干扰能力。FCS从传感器、变送器到调节器一直是数字信号，这就使我们很容易地处理更复杂、更精确的信号，同时数字通信的差错功能可检出传输中的误码。
FCS可以将PID控制彻底分散到现场设备（Field Device）中。基于现场总线的FCS又是全分散、全数字化、全开放和可互操作的新一代生产过程自动化系统，它将取代现场一对一的4～20mA模拟信号线，给传统的工业自动化控制系统体系结构带来革命性的变化。
根据IEC61158的定义，现场总线是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线使测控设备具备了数字计算和数字通信能力，提高了信号的测量、传输和控制精度，提高了系统与设备的功能、性能。IEC/TC65的SC65C/WG6工作组于1984年开始致力于推出世界上单一的现场总线标准工作，走过了16年的艰难历程，于1993年推出了IEC61158-2，之后的标准制定就陷于混乱。2000年初公布的IEC61158现场总线国际标准子集有八种，分别为：
①类型1 IEC技术报告（FFH1）；②类型2 Control-NET（美国Rockwell公司支持）；③类型3 Profibus（德国Siemens公司支持）；④类型4 P-NET（丹麦Process Data公司支持）；⑤类型5 FFHSE（原FFH2）高速以太网（美国Fisher Rosemount公司支持）；⑥类型6 Swift-Net（美国波音公司支持）；⑦类型7 WorldFIP（法国Alsto公司支持）；⑧类型8 Interbus（美国Phoenix Contact公司支持）。
除了IEC61158的8种现场总线外，IEC TC17B通过了三种总线标准：SDS（Smart Distributed System）；ASI（Actuator Sensor Interface）；Device NET。另外，ISO公布了ISO 11898 CAN标准。其中Device NET于2002年10月8日被中国批准为国家标准，并于2003年4月1日开始实施。
所以，要实现这些总线类型的相互兼容和互操作，就目前状态而言，几乎是不可能的。开放的现场总线控制系统的互操作性，就一个特定类型的现场总线而言，只要遵循同一类型现场总线的总线协议，对其产品是开放的，并具有互操作性。换句话说，不论什么厂家的产品，也不一家是该现场总线公司的产品，只要遵循同一类型总线的总线协议，产品之间是开放的，并具有互操作性，就可以组成总线网络。
另外，FCS还可以通过网关和企业的上级管理网络相连，以便管理者掌握第一手资料，为决策提供依据。所以现场总线具有开放性、互操作性、系统结构的高度分散性、灵活的网络拓扑结构、现场设备的高度智能化、对环境的高度适应性等诸多突出特点。
（2）FCS系统的基础是数字智能现场装置
控制功能下放到现场仪表中，控制室内仪表装置主要完成数据处理、监督控制、优化控制、协调控制和管理自动化等功能。
数字智能现场装置是FCS系统的硬件支撑，是基础；道理很简单，FCS系统执行的是自动控制装置与现场装置之间的双向数字通信现场总线信号制。现场装置必须遵循统一的总线协议，即相关的通讯规约，具备数字通信功能，能实现双向数字通。再一点，现场总线的一大特点就是要增加现场一级控制功能。
（3）FCS系统的本质是信息处理现场化
对于一个控制系统，无论是采用DCS还是采用现场总线，系统需要处理的信息量至少是一样多的。实际上，采用现场总线后，可以从现场得到更多的信息。现场总线系统的信息量没有减少，甚至增加了，而传输信息的线缆却大大减少了。这就要求一方面要大大提高线缆传输信息的能力，另一方面要让大量信息在现场就地完成处理，减少现场与控制机房之间的信息往返。可以说现场总线的本质就是信息处理的现场化。
由现场智能仪表完成数据采集、数据处理、控制运算和数据输出等功能。现场仪表的数据（包括采集的数据和诊断数据）通过现场总线传送到控制室的控制设备上，控制室的控制设备用来监视各个现场仪表的运行状态，保存智能仪表上传的数据，同时完成少量现场仪表无法完成的高级控制功能。
2.2 典型系统比较
通过使用现场总线，用户可以大量减少现场接线，用单个现场仪表可实现多变量通信，不同制造厂生产的装置间可以完全互操作，增加现场一级的控制功能，系统集成大大简化，并且维护十分简便。典型的现场总线系统框图示于图1。
从图1中可以看出，传统的过程控制仪表系统每个现场装置到控制室都需使用一对专用的电缆或双绞线，以传送4mA~20mA信号。图2所示现场总线系统中，每个现场装置到接线盒的双绞线仍然可以使用，但是从现场接线盒到中央控制室仅用一根双绞线完成数字通信。
通过采用现场总线控制系统，到底能节省多少电缆，编者就不作详细的计算。
2.3 应用差异
上述的比较是偏重于纯技术性的比较，下面就DCS与FCS系统在具体应用方面进行比较。前题是DCS系统与典型的、理想的FCS系统进行比较。
具体比较：
（1）DCS系统是个大系统，其控制器的功能强而且在系统中的作用十分重要，数据公路更是系统的关键，所以，必须整体投资一步到位，事后的扩容难度较大。而FCS功能下放较彻底，信息处理现场化，数字智能现场装置的广泛采用，使得控制器功能与重要性相对减弱。因此，FCS系统投资起点低，可以边用、边扩、边投运。
（2）DCS系统是封闭式系统，各公司产品基本不兼容。而FCS系统是开放式系统，不同厂商、不同品牌的各种产品基本能同时连入同一现场总线，达到最佳的系统集成。
（3）DCS系统的信息全都是二进制或模拟信号形成的，必须通过D/A与A/D转换。而FCS系统将D/A与A/D转换在现场一次表完成，实现全数字化通信，使精度得到大的提高，可提高到0.1%。并且FCS系统可以将PID闭环控制功能装入现场设备中，缩短了控制周期，提高运算速度，从而改善调节性能。
（4）DCS它可以控制和监视工艺全过程，对自身进行诊断、维护和组态。但是，由于自身的致命弱点，其I/O信号采用传统的模拟量信号，因此，它无法在DCS工程师站上对现场仪表（含变送器、执行器等）进行远方诊断、维护和组态。FCS采用全数字化技术，数字智能现场装置发送多变量信息，而不仅仅是单变量信息，并且还具备检测信息差错的功能。FCS采用的是双向数字通信现场总线信号制。因此，它可以对现场装置（含变送器、执行机构等）进行远方诊断、维护和组态。
（5）FCS由于信息处理现场化，与DCS相比可以省去相当数量的隔离器、端子柜、I/O终端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜，同时也节省了I/O装置及装置室的空间与占地面积。同时，FCS可以减少大量电缆与敷设电缆用的桥架等，同时也节省了设计、安装和维护费用。
（6）FCS相对于DCS组态简单，由于结构、性能标准化，便于安装、运行、维护。
3 PLC与DCS的前景
大家都知道FCS是由PLC或DCS发展而来，现在FCS系统被广泛的应用，那么，PLC与DCS前景又将如何。
PLC于20世纪60年代末期在美国首先出现，目的是用来取代继电器，执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能，建立柔性程序控制系统。1976年正式命名，并给予定义：PLC（Programmable logic Controller）是一种数字控制专用电子计算机，它使用了可编程序存储器储存指令，执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过模拟和数字输入、输出等组件，控制各种机械或工作程序。经过30多年的发展，PLC已十分成熟与完善，并具有强大的运算、处理和数据传输功能。并定义为可编程控制器（Programmable Controller　PLC）。PLC在FCS系统中的地位似乎已被确定并无多少争论。参见图3：IEC推荐的现场总线控制系统体系结构。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。另外，电厂辅助车间，例如水处理车间、循环水车间、除灰除渣车间、输煤车间等，这些车间的工艺过程多以顺序控制为主。PLC对于顺序控制有其独特的优势。辅助车间的控制系统应以遵循现场总线通讯协议的PLC或能与FCS进行通讯交换信息的PLC为优选对象。
现场总线的应用是工业过程控制发展的主流之一。可以说FCS的发展应用是自动化领域一场革命。采用现场总线技术构造低成本现场总线控制系统，促进现场仪表的智能化、控制功能分散化、控制系统开放化，符合工业控制系统技术发展趋势。

总之，计算机控制系统的发展在经历了基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统以及集散控制系统（DCS）后，将朝着现场总线控制系统（FCS）的方向发展。虽然以现场总线为基础的FCS发展很快，但FCS发展还有很多工作要做，如统一标准、仪表智能化等。另外，传统控制系统的维护和改造还需要DCS，因此FCS完全取代传统的DCS还需要一个漫长的过程，同时DCS本身也在不断的发展与完善。可以肯定的是，结合DCS、工业以太网、先进控制等新技术的FCS将具有强大的生命力。工业以太网以及现场总线技术作为一种灵活、方便、可靠的数据传输方式，在工业现场得到了越来越多的应用，并将在控制领域中占有更加重要的地位。
4 结论
在未来，工业过程控制系统中，数字技术向智能化、开放性、网络化、信息化发展，同时，工业控制软件也将向标准化、网络化、智能化、开放性发展。因此现场总线控制系统FCS的出现，数字式分散控制DCS及PLC并不会消亡，DCS及PLC系统会更加向智能化、开放性、网络化、信息化发展。或只是将过去处于控制系统中心地位的DCS移到现场总线的一个站点上去。这样说，DCS或PLC处于控制系统中心地位的局面从此将被打破。今后的控制系统将会是：FCS处于控制系统中心地位，兼有DCS、PLC系统一种新型标准化、智能化、开放性、网络化、信息化控制系统。