PLC、DCS、FCS三大控制系统的特点和差异

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作一分析，指出它们之间的渊源及发展方向。

2．PLC、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：

2．1 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，也可作为DCS/TDCS的子系统。
（6）大系统同DCS/TDCS，如TDC3000、CENTUMCS、WDPFI、MOD300。
（7）PLC网络如Siemens公司的SINEC—L1、SINEC—H1、S4、S5、S6、S7等，GE公司的GENET、三菱公司的MELSEC—NET、MELSEC—NET/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）等。

2．2 DCS或TDCS
（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。
（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—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，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 、Yamatake 、日Yokogawa、欧 Siemens、 GEC—Alsthom 、Schneider、 proces—Data、 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、Profibus—PA；
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Profibus—DP、CANbus；
3）多点控制如楼宇自动化，典型产品是LON Work、Profibus—FMS。
　　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FCS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。
3．1 差异要点
·DCS
　　DCS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。

·FCS
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
　　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，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、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，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。从典型的现场总线系统框图可以看出，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双绞线，以传送4~20mA信号，而现场总线系统中，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，编者尚未做此计算。但是，我们不可以采用DCS系统的电厂中与自动控制系统有关的所用电缆公里数看出，电缆在基建投资中所占份额。
某电厂，2×300MW燃煤机组。热力系统为单元制。每台机组设置一座集中控制楼，采用机、炉、电单元集中控制方式。单元控制室的标高为12.6米，与运行层标高一致。DCS采用WDPF—Ⅱ，每台机组设计的I/O点为4500点。
电缆敷设采用EC软件，8个人用1.5个月时间完成电缆敷设的设计任务。
主厂房内每台300MW机组自动化专业的电缆根数为4038根。
主厂房内每台300MW机组自动化专业的电缆长度为350公里。
以上电缆的根数及长度均不包括全厂火灾报警的厂供电缆和全厂各辅助生产车间的电缆。
　　电缆桥架的立柱、桥架及小槽盒全部选用钢制镀锌，每台机组约95吨。
其它电缆桥架包括直通、弯通、三通、四通、盖板、终端封头、调宽片、直接片等选用铝合金材质，每台300MW机组约为55吨。附件随桥架提供（如螺栓、螺母）。
　　某电厂，4×MW燃油燃气电站。热力系统为单元制。DCS采用TELEPERM-XP。每台机组设计I/O点数为5804点。
电缆敷设采用EC软件，12个人用2.5个月时间完成电缆敷设的设计任务。
主厂房内每台325MW机组自动化专业的电缆根数为4413根。
主厂房内每台235MW机组自动化专业的电缆长度为360公里。
每台机组全部选用钢制镀锌电缆桥架，其重量约为200吨。
　　电站的电缆可以分为六大类：高压电力电缆、低压电力电缆、控制电缆、热控电缆、弱电电缆（主要指计算机用电缆）、其它电缆。若两台300MW机组同时做电缆敷设，自动化专业电缆的数量大约有8500根左右。其中热控电缆和弱电电缆将大于5000根，即约占60%左右（以根数计量）。
3.3 设计、投资及使用
　　上述的比较是偏重于纯技术性的比较，以下比较拟加入经济因素。
　　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，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、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2~5次，提高到FCS的每秒10~20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。FCS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60~66%。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。

4．PLC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DCS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。在IEC推荐的现场总线控制系统体系结构中，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，火力发电厂辅助车间，例如补给水处理车间、循环水车间、除灰除渣车间、输煤车间等，在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。编者以为，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4~20mA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。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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