PLC與DCS的工業(yè)自動化工程性分析比較

1 引言：

     作為工業(yè)自動化的基本技術(shù)平臺級別體系結(jié)構(gòu)，PLC與dcs各有所長，雖然在傳統(tǒng)上各有強項和領(lǐng)地，但隨著計算機技術(shù)、通訊技術(shù)的發(fā)展，雙方的界限越來越模糊了，這就需要plc和dcs制造商深入的研究市場需求和對方的長處、特點，使產(chǎn)品性能不斷的提高，才能在日益激烈的市場競爭中利于不敗之地。

2 plc體系結(jié)構(gòu)

2.1 plc的定義

        plc（programmer logic controller）稱為可編程序控制器，它是按照成熟而有效的繼電器控制概念和設(shè)計思想，利用不斷發(fā)展的新技術(shù)、新電子器件，逐步形成了具有特色的各種系列產(chǎn)品，是一種數(shù)字運算操作的專用電子計算機。它是將邏輯運算，順序控制，時序和計數(shù)以及算術(shù)運算等控制程序，用一串指令的形式存放到存儲器中，然后根據(jù)存儲的控制內(nèi)容，經(jīng)過模擬，數(shù)字等輸入輸出部件，對生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)過程進行控制的裝置。

2.2 plc的發(fā)展歷程

        1969年dec公司按照gm（美國通用汽車公司）的要求研制了世界上第一臺plc并且在gm公司得到成功的應(yīng)用。此后gould modicon公司使plc商品化。plc是專門設(shè)計出來用于同繼電器產(chǎn)品競爭并逐步取代了傳統(tǒng)的繼電器。plc作為一種工業(yè)專用計算機，經(jīng)歷了以下幾個發(fā)展的歷程。

        1969－1972為第一階段，是plc的初期階段，在該階段的各廠家的plc差別很大、沒有統(tǒng)一的硬件和軟件標準、功能簡單、專用性強，硬件主要以分離元件為主，體積較大、性能較差、可靠性不高。

        1972-1987為第二階段，在該階段plc逐步演化為一種專用的工業(yè)計算機，可靠性大大提高，成本大幅度降低，面向過程的梯形圖和語句表語言面世，系統(tǒng)逐步向標準化過渡，這些都為plc的普及奠定了基礎(chǔ)。

        1981-至今，iec正式發(fā)表了plc的標準，各廠家的plc都向規(guī)范化發(fā)展。梯形圖、語句表、sfc語言已經(jīng)成熟，同時還有和高級編程語言的接口，其存儲能力、運算速度、對模擬量的處理功能已經(jīng)大大加強，現(xiàn)在的大中型plc已經(jīng)具有以前dcs所“特有”的經(jīng)典pid算法、斜坡函數(shù)、自適應(yīng)算法、模糊控制等算法。

2.3 plc特點和功能

（1）plc的主要特點。plc的特點是：工作可靠、運行速度快、積木式結(jié)構(gòu)、組合靈活、良好的兼容性、程序編制及生成簡單、豐富、網(wǎng)絡(luò)功能強。

（2）plc的主要功能。plc系統(tǒng)能很好的完成工業(yè)實時順序控制、條件控制、記數(shù)控制、步進控制等功能；能夠完成模/數(shù)（a/d）、數(shù)/模（d/a）轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、通訊聯(lián)網(wǎng)、實時監(jiān)控等功能。

        多年的實踐表明，plc耐用、可靠，是專為工廠設(shè)計的，具有根據(jù)工作環(huán)境要求加固的元件，實時掃描實踐及故障診斷功能，故障排除簡便，深得用戶偏愛。

        plc如此可靠的原因是一個可執(zhí)行繼電器邏輯、順序功能圖、功能塊、結(jié)構(gòu)文本、命令目錄或其組合的實時核心或操作系統(tǒng)。若出現(xiàn)故障，其內(nèi)置安全裝置能保持機械受損，且能保持有序、有預(yù)見的順序。

2.4 plc的發(fā)展趨勢

        由于plc有極快的邏輯運算和極強的邏輯控制、順序控制能力，在離散控制中有無與倫比的可靠性，方便簡單易學的編程方法，使其在以離散為主的工業(yè)自動化領(lǐng)域中有無可爭議的領(lǐng)導地位。隨著目前的plc技術(shù)的逐步發(fā)展，plc已經(jīng)具備了傳統(tǒng)dcs所具有的pid算法、模糊控制、自適應(yīng)控制等，使其具備了相當?shù)倪^程控制的功能。

        plc技術(shù)發(fā)展的最終趨勢仍然是人們所爭論的焦點之一。隨著工業(yè)控制發(fā)展的要求和其技術(shù)的不斷發(fā)展，plc正迎來其成熟期，以下功能將逐步增強：

（1）小型化?？刂圃O(shè)備的小型化將有利于有效的活用工廠的空間，同時可以削減設(shè)備消耗的材料費、設(shè)置工數(shù)、運輸費用等成本。

（2）互換性。plc的歷史已經(jīng)比較久遠，至今為止已經(jīng)積累了很多硬件和軟件資產(chǎn)，因此，在針對用戶的要求，在改進控制器的同時，要盡可能的有效活用已有的資產(chǎn)。

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（3）開放化。plc一般總是使用梯形圖邏輯控制程序，現(xiàn)在，所有類型的其他產(chǎn)品正在努力獲得并使用一些或者全部與iec 61131-3標準兼容的程序設(shè)計語言，包括梯形圖邏輯圖表、功能模塊圖表、順序功能圖表、結(jié)構(gòu)化文本和指令表等程序設(shè)計語言。

（4）高性能化。plc的性能隨著設(shè)備技術(shù)的進步而不斷進步。以前用多個plc執(zhí)行的控制，現(xiàn)在集中在一臺高速、大容量的plc上，以降低設(shè)備的成本，以便增強設(shè)備的競爭力，提高產(chǎn)品的附加價值。

（5）開放式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。根據(jù)生產(chǎn)目的，沒有浪費的系統(tǒng)構(gòu)成，對于設(shè)備的變更和擴張可以迅速的做出反應(yīng)的工廠柔性系統(tǒng)構(gòu)造非常必要。

         將控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)有機的結(jié)合在一起，無論從那里都能自由的訪問的無縫網(wǎng)絡(luò)顯得格外重要。

        全球工業(yè)計算機 控制領(lǐng)域，圍繞開放與再開放過程控制系統(tǒng)、開放式過程控制軟件、開放性數(shù)據(jù)通信協(xié)議，已經(jīng)發(fā)生巨大變革，幾乎到處都有PLC，但這種趨勢也許不會繼續(xù)發(fā)展下去。隨著軟plc(softplc)控制組態(tài)軟件技術(shù)的誕生與進一步完善和發(fā)展，安裝有softplc組態(tài)軟件和基于工業(yè)pc控制系統(tǒng)的市場份額正在逐步得到增長，這些事實使傳統(tǒng)plc供應(yīng)商在思想上已經(jīng)發(fā)生了戲劇性的變化，他們必須面對現(xiàn)實，在傳統(tǒng)plc的技術(shù)發(fā)展與提高方面做出更加開放的高姿態(tài)。對于控制軟件來講，這是plc控制器的核心，plc供應(yīng)商正在向工業(yè)用戶提供開放式的編程組態(tài)工具軟件，而且對于工業(yè)用戶表現(xiàn)得非常積極。此外，開放式通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也得到了突破，其結(jié)果是將plc融入更加開放的工業(yè)控制行業(yè)。

（6）過程控制和管理功能。隨著plc、dcs和ipc（工業(yè)現(xiàn)場控制用計算機）之間的競爭逐步加強，各plc廠家正在逐步將傳統(tǒng)dcs所特有的過程控制功能逐步移植到plc中，使其在過程控制領(lǐng)域能夠與dcs進行競爭，這方面plc已經(jīng)取得了很大的成果。為了滿足生產(chǎn)管理的需要,各plc廠家也在其軟件開發(fā)上增加了管理軟件，通過與其plc 的實時通訊采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)并通過相應(yīng)的軟件完成生產(chǎn)管理所需要的管理功能。

3 dcs體系結(jié)構(gòu)

3.1 dcs的定義

        dcs是分布式控制系統(tǒng)（distributed control system）的簡稱，亦稱為集散控制系統(tǒng)，它是由回路儀表控制系統(tǒng)發(fā)展而來，是在計算機、通訊、控制和crt技術(shù)迅速發(fā)展的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。

3.2 dcs的發(fā)展歷程

        上世紀60年代以后，隨著生產(chǎn)工程的大型化和復(fù)雜化，誕生了計算機集中監(jiān)視和控制的集中控制系統(tǒng)。集中控制方便了監(jiān)視、操作和管理，同樣也使危險性高度集中，系統(tǒng)一旦故障，對裝置造成的影響和危險性都是非常大的。隨著微處理機的誕生，為新型控制系統(tǒng)的開放創(chuàng)造了無比優(yōu)越的條件。1975年，隨著計算機、通訊、控制和crt 4c技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，美國honeywell首次向全球推出了分散控制系統(tǒng)tdc-2000，從第一套dcs誕生至今，dcs系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)歷了3個發(fā)展階段。

       1975至1980年為初創(chuàng)階段。由于軟硬件技術(shù)的限制，此時的dcs系統(tǒng)性能還不十分完善，硬件結(jié)構(gòu)還不十分成熟。

        1981至1987年為第2個階段。這一時期容錯、冗余技術(shù)已經(jīng)成熟使用，系統(tǒng)可靠性很高，性能十分優(yōu)越，各種控制功能十分豐富。在該階段dcs從單純的工業(yè)過程自動化控制向生產(chǎn)管理自動化發(fā)展。這一代的dcs主要將lan（local area network）技術(shù)引入，使dcs的網(wǎng)絡(luò)功能大大加強。

        1987至今為第3個發(fā)展階段。各廠家采用國際標準化組織（iso）開放系統(tǒng)互連（osi）結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上產(chǎn)生制造自動化協(xié)議（map）標準來解決不同機型的互連問題。 dcs系統(tǒng)在硬件上使用了更先進的cpu及冗余技術(shù)，存儲容量及通訊速度大幅度提高，軟件上采用通用操作系統(tǒng)。在該階段dcs將控制、監(jiān)督和管理調(diào)度有機結(jié)合起來，實現(xiàn)了各種生產(chǎn)經(jīng)營信息的自動化管理。

3.3 dcs的特點和功能

（1）dcs的主要特點。dcs具有以下主要特點：控制與顯示分離；采用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)；完備的開放系統(tǒng)；可靠性高；具有綜合性和專業(yè)性；實現(xiàn)了人機對話技術(shù)；系統(tǒng)擴展靈活；管理能力強。

（2）dcs的主要功能。dcs系統(tǒng)能很好的完成工業(yè)連續(xù)控制、回路儀表控制等，dcs多年的實踐表明，其在連續(xù)控制領(lǐng)域已經(jīng)成為一種成熟的技術(shù)和完善的控制系統(tǒng)，同時其友好的人機界面、建立在冗余技術(shù)上的可靠性、強大的網(wǎng)絡(luò)功能、單一的數(shù)據(jù)庫、組態(tài)靈活等特點得到了廣大用戶的好評。

3.4 dcs的發(fā)展趨勢

        dcs在連續(xù)控制領(lǐng)域有這極其重要的地位，到目前為止，對于dcs未來發(fā)展問題有許多爭論，但下面的幾個問題是大多數(shù)認識認為dcs急需解決的問題；

（1）開放性。關(guān)于開放性，這個問題是制約dcs發(fā)展的一個很大的因素，由于dcs各廠家對于自己的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和系統(tǒng)軟件采取嚴格的保密措施，這就造成了如果別的廠家的plc或其它的控制設(shè)備就不可能很好的無縫的接入dcs控制系統(tǒng)，往往需要經(jīng)過復(fù)雜的協(xié)議轉(zhuǎn)換，得到的通訊速率和通訊能力都很不理想，例如honeywell公司的tps系統(tǒng)和ab公司的plc5系列的plc進行通訊就需要通過串口并加上雙方為通訊開發(fā)出來的輔助設(shè)備來實現(xiàn)，但當通訊量較大時，其實時性就大大降低，這個問題就阻礙了dcs的應(yīng)用領(lǐng)域和競爭力。目前一些dcs廠家已經(jīng)意識到該問題的嚴重性，目前honeywell公司主推的pks控制系統(tǒng)就采取了controlnet的通訊網(wǎng)絡(luò)，舍棄了傳統(tǒng)的lcn網(wǎng)，且采用了服務(wù)器結(jié)構(gòu)的形式，使其開放性大大加強。除去通信問題以外，操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、人機界面、控制 策略的組態(tài)等方面，都有開放性問題，所以隨著技術(shù)進步，dcs的開放性需要逐漸加強，而且還應(yīng)發(fā)揮其特色，使分散型計算機控制系統(tǒng)，從傳統(tǒng)dcs中解放出來，使dcs與cips系統(tǒng)的調(diào)度層、管理層、決策層（輔助決策層）進行無縫連接，將dcs的相關(guān)信息上傳，使其實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫為上述３層所共用，避免重復(fù)建庫，為先進控制和優(yōu)化建好平臺，與上層的關(guān)系數(shù)據(jù)庫共享數(shù)據(jù)，真正實現(xiàn)管控一體化。

（2）價格。關(guān)于價格，當然應(yīng)從性能價格比、產(chǎn)品生命周期及用戶根據(jù)實際生產(chǎn)裝置的自控要求對dcs進行選型、工程費用、維修費用等方面綜合考慮。更重要的是目前PLC系統(tǒng)、工控機系統(tǒng)（ipc）的價格都是以廉價著稱，所以dcs廠商在這方面面臨的形勢很嚴峻，今后dcs應(yīng)在降低成本、減少維修費用、發(fā)展遠程診斷和維護及完善服務(wù)體系等方面多下功夫，應(yīng)對plc和ipc與之的競爭。

4 plc與dcs的工程性分析比較

        dcs和plc的設(shè)計原理區(qū)別較大，plc是由繼電器控制原理發(fā)展起來的，它以存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和運算等操作的指令；并通過數(shù)字輸入和輸出操作，來控制各類機械或生產(chǎn)過程。用戶編制的控制程序表達了生產(chǎn)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(nèi)容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。plc的cpu內(nèi)有指示程序步存儲地址的程序計數(shù)器，在程序運行過程中，執(zhí)行一步該計數(shù)器自動加1，程序從起始步（步序號為零）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)運算。plc每完成一次循環(huán)操作所需的時間稱為一個掃描周期。不同型號的plc，循環(huán)掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。程序計數(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是在運算放大器的基礎(chǔ)上得以發(fā)展的。把所有的函數(shù)和過程變量之間的關(guān)系都做成功能塊（有的dcs系統(tǒng)稱為膨化塊）。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除邏輯運算外，控制回路用的算法功能已經(jīng)大大加強，但 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(xiàn)出快速的優(yōu)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(guān)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(guān)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?！?/FONT>