FCS三大控制系统的特点和差异

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1、PLC、DCS、FCS 三大控制系统的特点和差异V 、几一一1. 前言 上世纪九十年代走向实用化的现场总线控制系统，正以迅猛的势头快速发展，是目前世界上最新型的 控制系统。现场总线控制系统是目前自动化技术中的一个热点，正受到国内外自动化设备制造商与用户越 来越强烈的关注。现场总线控制系统的出现，将给自动化领域带来又一次革命，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。在有些行业，FCS是由PLC发展而来的；而在另一些行业，FCS又是由DCS发展而来的，所以FCS 与PLC及DCS之间有着千丝万缕的联系，又存在着本质的差异。本文试就PLC、DCS、FCS三大控制系 统的特点和差异

2、作一分析，指出它们之间的渊源及发展方向。2PLC、 DCS、 FCS 三大控制系统的基本特点目前，在连续型流程生产自动控制（PA）或习惯称之谓工业过程控制中，有三大控制系统，即PLC、 DCS和FCS。它们各自的基本特点如下：21 PLC（1）从开关量控制发展到顺序控制、运送处理，是从下往上的。（2）连续 PID 控制等多功能， PID 在中断站中。（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网格既可作为独立DCS/TDCS

3、，也可作为DCS/TDCS的子系统。（6）大系统同 DCS/TDCS，女廿 TDC3000、CENTUMCS、WDPFI、MOD300。（7）PLC 网络如 Siemens 公司的 SINECL1、SINECH1、S4、S5、S6、S7 等，GE 公司的 GENET、 三菱公司的 MELSECNET、 MELSECNET/MINI。（8）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。（9）制造商：GOULD （美）、AB （美）、GE （美）、OMRON （日）、MITSUBISHI （日）、Siemens （德）22 DCS 或 TDCS（1）分散控制系统DCS 与集散控制系统

4、 TDCS 是集 4C （Communication，Computer，Control、CRT） 技术于一身的监控技术。（2）从上到下的树状拓扑大系统，其中通信（Communication、是关键。（3、PID 在中断站中，中断站联接计算机与现场仪器仪表与控制装置。（4、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。（5）模拟信号，A/D一D/A、带微处理器的混合。（6）一台仪表一对线接到I/O,由控制站挂到局域网LAN。（7）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。（8）缺点是成本高，各公司产品不能互换，不能互操作，大DCS系统

5、是各家不同的。（9）用于大规模的连续过程控制，如石化等。（10）制造商：Bailey （美）、Westinghous （美）、HITACH （日）、LEEDS & NORTHRMP （美）、SIEMENS （德）、Foxboro （美）、ABB （瑞士）、Hartmann & Braun （德）、Yokogawa （日）、Honewell （美国）、Taylor （美）等。2 3 FCS(1) 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、PID与控制中心，

6、取代每台仪器两根线。(4) 在总线上PID与仪器、仪表、控制装置都是平等的。( 5)多变量、多节点、串行、数字通信系统取代单变量、单点、并行、模拟系统。(6) 是互联的、双向的、开放的取代单向的、封闭的。(7) 用分散的虚拟控制站取代集中的控制站。(8) 由现场电脑操纵，还可挂到上位机，接同一总线的上一级计算机。( 9 )局域网，再可与 internet 相通。( 10 )改变传统的信号标准、通信标准和系统标准入企业管理网。( 11)制造商：美 Honeywell 、 Smar 、 Fisher Rosemount、 AB/Rockwell、 Elsag Bailey 、 Foxboro 、Y

7、amatake、日 Yokogawa、欧 Siemens、GECAlsthom、Schneider、procesData、ABB 等。(12) 3 类 FCS 的典型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，典型产品是 FF、 World FIP、 ProfibusPA；2) 分立的工艺动作自动控制如汽车制造机器人、汽车，典型产品是 ProfibusDP、 CANbus；3) 多点控制如楼宇自动化，典型产品是 LON Work、 ProfibusFMS。从上述基本要点的描述中，我们是否注意到一点，用于过程控制的三大系统，没有一个是针对电站而 开发的，或者说，在

8、他们开发的初期，都并非以电站做系统的首选控制对象。而在这些系统的使用说明中 也绝不把电站做为首选适用范围，有的在适用范围中根本就不提电站。现在奇怪的是，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。3三大控制系统之间的差异我们已经知道，FCS是由DCS与PLC发展而来，FCS不仅具备DCS与PLC的特点，而且跨出了革 命性的一步。而目前，新型的DCS与新型的PLC,都有向对方靠拢的趋势。新型的DCS已有很强的顺序 控制功能；而新型的PLC，在处理闭环控制方面也不差，并且两者都能组成大型网络，DCS与PLC的适用 范围，已有很大的交叉。下一节就仅以DCS与FC

9、S进行比较。在前面的章节中，实际上已涉及到DCS与 FCS 的差异，下面将就体系结构、投资、设计、使用等方面进行叙述。31 差异要点 DCSDCS系统的关键是通信。也可以说数据公路是分散控制系统DCS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。通过数据公路的设计参数，基本上可以了解一个特定DCS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

10、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 所传输的数据被接收，并且被理解得和发送的数据一样。目前在 DCS 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。 FCSFCS 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

11、前面的章节已经叙述，一种类型的总线，只要其总线协议一经确定，相关的关键技术与有关的设备也就被确定。就其总线协议的基本原理而言，各类总线都是一样的，都以解决双向串行数字化通讯传输为基 本依据。但由于各种原因，各类总线的总线协议存在很大的差异。为了使现场总线满足可互操作性要求，使其成为真正的开放系统，在 IEC 国际标准，现场总线通讯协 议模型的用户层中，就明确规定用户层具有装置描述功能。为了实现互操作，每个现场总线装置都用装置 描述DD来描述。DD能够认为是装置的一个驱动器，它包括所有必要的参数描述和主站所需的操作步骤。 由于DD包括描述装置通信所需的所有信息，并且与主站无关，所以可以使现场装置

12、实现真正的互操作性。实际情况是否如上述一致，回答是否定的。目前通过的现场总线国际标准含8种类型，而原IEO国际 标准只是8种类型之一，与其它7种类型总线的地位是平等的。其它7种总线，不论其市场占有率有多少， 每个总线协议都有一套软件、硬件的支撑。它们能够形成系统，形成产品，而原IEC现场总线国际标准， 是一个既无软件支撑也无硬件支撑的空架子。所以，要实现这些总线的相互兼容和互操作，就目前状态而 言，几乎是不可能的。通过上述，我们是否可以得出这样一种映象：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，只要遵循该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

13、 不论什么厂家的产品，也不一家是该现场总线公司的产品，只要遵循该总线的总线协议，产品之间是开放 的，并具有互操作性，就可以组成总线网络。(2) FCS 系统的基础是数字智能现场装置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。如果现场装置不遵循统一的总线协议，即相关的通讯规约， 不具备数字通信功能，那么所谓双向数字通信只是一句空话，也不能称之为现场总线控制系统。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。如果现场装置不是多功能智能化的产品，那么现场总 线控制系统的特点也就不存在了，所谓简化系统

14、、方便设计、利于维护等优越性也是虚的。(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。减少信息往返是网络设计和系统组态的一条重要原则。减少信息往返常常可带来改善系统响应时间的 好处。因此，网络设计时应优先将相互间信息交换量大的

15、节点，放在同一条支路里。减少信息往返与减少系统的线缆有时会相互矛盾。这时仍应以节省投资为原则来做选择。如果所选择 系统的响应时间允许的话，应选节省线缆的方案。如所选系统的响应时间比较紧张，稍微减少一点信息的 传输就够用了，那就应选减少信息传输的方案。现在一些带现场总线的现场仪表本身装了许多功能块，虽然不同产品同种功能块在性能上会稍有差 别，但一个网络支路上有许多功能雷同功能块的情况是客观存在的。选用哪一个现场仪表上的功能块，是 系统组态要解决的问题。考虑这个问题的原则是：尽量减少总线上的信息往返。一般可以选择与该功能有关的信息输出最多的 那台仪表上的功能块。3 2 典型系统比较通过使用现场总线

16、，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。3.3 设计、投资及使用比较的前题是DCS系统与典型的、理想的FCS系统进行比较。为什么要做如此的假设。做为DCS系 统发展到今天，开发初期提出的技术要求却已满足并得到了完善，目前的状况是进一步提高，因此也就不 存在典型、理想的说法。而作为FCS系统，90年代刚进入实用化，作为开发初期的技术要求：兼容开放， 双向数字通信、数字智能现场装置、高速总线等，目前还不理想有待完善。这种状态与现场总线国际标准 的制定不能说没有关系。过去的十多年，

17、各总线组织都忙于制定标准，开发产品，占领更多的市场，目的 就是要挤身于国际标准，合法的占领更大的市场。现在有关国际标准的争战已告一段落，各大公司组织都 已意识到，要真正占领市场，就得完善系统及相关产品。我们可以做这样的预测，不久的将来，完善的现 场总线系统及相关产品必须成为世界现场总线技术的主流。具体比较：（1）DCS 系统是个大系统，其控制器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

18、、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，用户可以选择不 同厂商、不同品牌的各种设备连入现场总线，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，必须有D/A与A/D转换。而FCS系统是全 数字化，就免去了 D/A与A/D变换，高集成化高性能，使精度可以从0.5%提高到0.1%。（4）FCS系统可以将PID闭环控制功能装入变送器或执行器中，缩短了控制周期，目前可以从DCS 的每秒25 次，提高到 FCS 的每秒1020次，从而改善调节性能。（5）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

19、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oFCS的这点优越性是DCS无法比 拟的。（6）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。有专家认

20、为可以省去60%。（7）与（6）同样理由，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。有专家认为可以节省 66%。对于（6）、（7）两点应补充说明的是，采用FCS系统，节省投资的效果是不用怀疑的，但是否如有的 专家所说达6066%。这些数字在多篇文章中出现，编者认为这是相互转摘的结果，目前还未找到这些数字 的原始出处，因此，读者在引用这些数字时要慎重。（8）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。（9）用于过程控制的FCS设计开发要点。这一点并不作为与DCS的比较，只是说明用于过程控制或 者说用于模拟连续过程类的 FCS

21、 在设计开发中应重点考虑的问题。1）要求总线本安防爆功能，而且是头等重要的。2）基本监控如流量、料位、温度、压力等的变化是缓慢的，而且还有滞后效应，因此，节点监控并 不需要快电子学的响应时间，但要求有复杂的模拟量处理能力。这一物理特征决定了系统基本上多采用主 一从之间的集中轮询制，这在技术上是合理的，在经济上是有利的。3 ）流量、料位、温度、压力等参数的测量，其物理原理是古典的，但传感器、变送器及控制器应向 数字智能化发展。4）作为针对连续过程类及其仪器仪表而开发的FCS,应侧重于低速总线H1的设计完善。4PLC 与 DCS 的前景我们已经知道有的FCS是由PLC发展而来，而有的FCS是由DC

22、S发展而来，那么，今天FCS已走 向实用化，PLC与DCS前景又将如何。PLC于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，并开发了模拟量闭 环控制功能。PLC在FCS系统中的地位似乎已被确定并无多少争论。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。编者以为

23、，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。自 1973 年提出第一台以微处理器为基础的控制器以来，它逐步完善，并最终形成功能齐全、安全可 靠的数字式分散控制系统DCS。它的性能大大优于以住任何一种控制系统。可以满足火电厂DAS、MCS、 SCS和APS各系统的各种要求，目前还可以通过工业以太网建立管理层网络，以满足火电厂呼声越来越高 的加强管理的要求。可以这样说，DCS系统的监控可以复盖大型火电机组的工艺全过程。但是，自从有了 FCS,并于90年代走向实用化以来，不断有如下论点在公开刊物上发表，即：“从现 在起，新的现场总线控

24、制系统FCS将逐步取代传统的DCS”； “当调节功能下放到现场去以后，传统的DCS 就没有存在的必要而会自动消失”； “今后十年，传统的 420mA 模拟信号制将逐步被双向数字通信现场总 线信号制所取代，模拟与数字的分散型控制系统DCS将更新换代为全数字现场总线控制系统FCS”.。 这些论点归纳为一句话：FCS将取代DCS，DCS从此将消亡。上述论点皆出自于权威专家之口，确实不无道理。数字通讯是一种趋势，它代表了技术进步，是任何 人阻挡不了的。双向数字通信现场总线信号制以及由它而产生的巨大的推动力，加速现场装置与控制仪表 的变革，开发出越来越多的功能完善的数字智能现场装置。这些都是DCS系统所

25、不具备的，而由此产生的 优越性以及给火电厂的设计、配置、组态、运行、维护、管理等方面带来的效益也是DCS系统所不及的。 再则，FCS是由DCS以及PLC发展而来，它保留了 DCS的特点，或者说FCS吸收了 DCS多年开发研究 以及现场实践的经验，当然也包括教训。由此而得出结论，“FCS将取代DCS”，似乎也是顺理成章之事。同时我们也应看到， DCS 系统发展也近30年，在火电厂的应用如此广泛。它的设计思想、组态配置、 功能匹配等已达十分完善的程度（当然，DCS也存在进一步发展的需求，例如高级软件开发，以满足信息 集成的要求），已渗透到火电厂控制系统的各个领域，并且在 FCS 系统中也有些体现。

26、从这个角度来看， DCS系统似乎不能说从此消亡。再则，从前面的章节叙述中已经谈到，对那些FCS系统不能充分发挥其特 点及优越性的领域， DCS 系统仍有用武之地。我们似乎没有必要在文字上做过多的争论，一定要强调谁取代谁。正如目前的 DCS 与新型的 PLC， 由于多年的开发研究，在各自保留自身原有的特点外，又相互补充，形成新的系统，现在的DCS已不是当 初的DCS，同样如此，新型的PLC也不是开发初期的PLC。我们能够说是DCS取代了 PLC或者说是PLC 取代了 DCS，显然都是不合适的。5 结论从上述分析论述中，我们可以得出以下简单的结论：现场总线控制系统FCS的出现，数字式分散控制 DCS并不会消亡，而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。也可以这样 说，DCS处于控制系统中心地位的局面从此将被打破。今后火电厂的控制系统将会是：FCS处于控制系统 中心地位，兼有 DCS 系统哲学的一种新型控制系统。