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。

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