PLC、FCS、DCS三大控制系統(tǒng)區(qū)別

FCS是由DCS與PLC發(fā)展而來，F(xiàn)CS不僅具備DCS與PLC的特點，而且跨出了革命的一步，而目前，新型的DCS與新型的PLC都有向對方靠攏的趨勢，新型的DCS已有很強的順序控制功能;而新型的PLC，在處理閉環(huán)控制方面也不差，并且兩者都能組成大型網(wǎng)絡，DCS與PLC的適用范圍，已有很大的交叉。

一、區(qū)別要點

1、DCS

DCS系統(tǒng)的關鍵是通信。也可以說數(shù)據(jù)公路是分散控制系統(tǒng)DCS的脊柱。由于它的任務是為系統(tǒng)所有部件之間提供通信網(wǎng)絡，因此，數(shù)據(jù)公路自身的設計就決定了總體的靈活性和安全性。數(shù)據(jù)公路的媒體可以是：一對絞線、同軸電纜或光纖電纜。

通過數(shù)據(jù)公路的設計參數(shù)，基本上可以了解一個特定DCS系統(tǒng)的相對優(yōu)點與弱點。

(1)系統(tǒng)能處理多少I/O信息。

(2)系統(tǒng)能處理多少與控制有關的控制回路的信息。

(3)能適應多少用戶和裝置(CRT、控制站等)。

(4)傳輸數(shù)據(jù)的完整性是怎樣徹底檢查的。

(5)數(shù)據(jù)公路的最大允許長度是多少。

(6)數(shù)據(jù)公路能支持多少支路。

(7)數(shù)據(jù)公路是否能支持由其它制造廠生產(chǎn)的硬件(可編程序控制器、計算機、數(shù)據(jù)記錄裝置等)。

為保證通信的完整，大部分DCS廠家都能提供冗余數(shù)據(jù)公路。

為了保證系統(tǒng)的安全性。使用了復雜的通信規(guī)約和檢錯技術，所謂通信規(guī)約就是一組規(guī)則，用以保證所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被接收，并且被理解的和發(fā)送的數(shù)據(jù)一樣。

目前在DCS系統(tǒng)中，一般使用兩類通信手段，即同步的和異步的，同步通信依靠一個時鐘來調節(jié)數(shù)據(jù)的傳輸和接收，異步網(wǎng)絡采用沒有時鐘的報告系統(tǒng)。

2、FCS

FCS的關鍵要點有以下三點。

(1)FCS系統(tǒng)的核心是總線協(xié)議，即總線標準。

一種類型的總線，只要其總線協(xié)議一經(jīng)確定，相關的關鍵技術與有關的設備也就被確定，就其總線協(xié)議的基本原理而言，各類總線都是一樣的，都以解決雙向串行數(shù)字化通信傳輸為基本依據(jù)。但是由于各種原因，各類總線的總線協(xié)議存在很大的差異。

為了使現(xiàn)場總線的滿足可互操作性要求，使其成為真正的開放系統(tǒng)，原IEC國際標準，現(xiàn)場總線通信協(xié)議模擬的用戶層中，就明確規(guī)定用戶層具有裝置描述功能。為了實現(xiàn)互操作，每個現(xiàn)場總線裝置都用裝置描述DD來描述。DD能夠認為是裝置的一個驅動器，它包括所有必要的參數(shù)描述和主站所需要的操作步驟。由于DD包括描述裝置通信所需要的所有信息，并且與主站無關，所以可以使現(xiàn)場裝置實現(xiàn)真正的互操作性。

實際情況是否如上述一致，回答是否定的。目前通過的現(xiàn)場總線國際標準含8種類型，而原IEC國際標準只是8種類型之一，與其它7種類型總線的地位是平等的。其它7種類型總線，不論其市場占有率有多少，每個總線協(xié)議都有一套軟件、硬件的支撐。他們能夠形成系統(tǒng)，形成產(chǎn)品。而原IEC現(xiàn)場總線國際標準，是一個既無軟件支撐也無硬件支撐的空架子。要實現(xiàn)這些總線的相互兼容和互操作，就目前狀態(tài)而言，幾乎是不可能的。

通過上述，我們是否可以得出這樣一種映象：開放的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的互操作性，就一個特定類型的現(xiàn)場總線而言，只要遵循該類型現(xiàn)場總線的總線協(xié)議，對其產(chǎn)品是開放的，并具有互操作性，換句話說，不論什么廠家的產(chǎn)品，也不一定是該現(xiàn)場總線公司的產(chǎn)品，只要遵循該總線的總線協(xié)議，產(chǎn)品之間是開放的，并具有互操作性，就可以組成總線網(wǎng)絡。

(2)FCS系統(tǒng)的基礎是數(shù)字智能現(xiàn)場裝置。

數(shù)字智能現(xiàn)場裝置是FCS系統(tǒng)的硬件支撐，是基礎，道理很簡單，F(xiàn)CS系統(tǒng)執(zhí)行的是自動控制裝置與現(xiàn)場裝置之間的雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號制。如果現(xiàn)場裝置不遵循統(tǒng)一的總線協(xié)議，即相關的通信規(guī)約，不具備數(shù)字通信功能，那么所謂雙向數(shù)字通信只是一句空話，也不能稱之為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。再一點，現(xiàn)場總線的一大特點就是要增加現(xiàn)場一級控制功能。如果現(xiàn)場裝置不是多功能智能化的產(chǎn)品，那么現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)的特點也就不存在了，所謂簡化系統(tǒng)、方便設計、利于維護等優(yōu)越性也是虛的。

(3)FCS系統(tǒng)的本質是信息處理現(xiàn)場化。

對于一個控制系統(tǒng)，無論是采用DCS還是采用現(xiàn)場總線，系統(tǒng)需要處理的信息量至少是一樣多的，實際上，采用現(xiàn)場總線后，可以從現(xiàn)場得到更多的信息。現(xiàn)場總線系統(tǒng)的信息量沒有減少，甚至增加了，而傳輸信息的線纜卻大大減少了。這就要求一方面要大大提高線纜傳輸信息的能力，另一方面讓大量信息在現(xiàn)場就地完成處理，減少現(xiàn)場與控制機房之間的信息往返。可以說現(xiàn)場總線的本質就是信息處理的現(xiàn)場化。

減少信息往返是網(wǎng)絡設計和系統(tǒng)組態(tài)的一條重要原則。減少信息往返常?？蓭砀纳葡到y(tǒng)響應時間的好處。因此。網(wǎng)絡設計時應優(yōu)先將相互間信息交換量大的節(jié)點，放在同一條支路里。

減少信息往返與減少系統(tǒng)的線纜有時會相互矛盾。這時仍應以節(jié)省投資為原則來做為選擇。如果所選擇系統(tǒng)的響應時間允許的話，應選節(jié)省線纜的方案。如所選系統(tǒng)的響應時間比較緊張，稍微減少一點信息的傳輸就夠用了，那就應選減少信息傳輸?shù)姆桨浮?/p>

現(xiàn)在一些帶現(xiàn)場總線的現(xiàn)場儀表本身裝了許多功能塊，雖然不同產(chǎn)品同種功能塊在性能上會稍有差別，但一個網(wǎng)絡支路上有許多功能雷同功能塊的情況是客觀存在。選用哪一個現(xiàn)場儀表上的功能，是系統(tǒng)組態(tài)要解決的問題。

考慮這個問題的原則是：盡量減少總線上的信息往返。一般可以選擇與該功能有關的信息輸出最多的那臺儀表上的功能塊。

二、典型系統(tǒng)比較

通過使用現(xiàn)場總線，用戶可以大量減少現(xiàn)場接線，用單個現(xiàn)場儀表可以實現(xiàn)多變量通信，不同制造廠生產(chǎn)的裝置間可以完全互操作，增加現(xiàn)場一級的控制功能，系統(tǒng)集成大大簡化，并且維護十分簡便。傳統(tǒng)的過程控制系統(tǒng)中，每個現(xiàn)場裝置到控制室都需使用一對專用的雙絞線，以傳送4-20mA信號，現(xiàn)場總線系統(tǒng)中，每個現(xiàn)場裝置到接線盒雙絞線仍然可以使用，但是從現(xiàn)場接線盒到中央控制室僅用一根雙絞線完成數(shù)字通信。

通過采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，到底能節(jié)省多少電纜，編者尚未做此計算。但是，我們可以采用DCS系統(tǒng)的電廠中與自動控制系統(tǒng)有關的所用電纜公里數(shù)看出，電纜在基建投資中所占份額。

1、某電廠，2×300MW燃煤機組

熱力系統(tǒng)為單元制。每臺機組設置一座集中控制樓，采用機、爐、電單元集中控制方式。單元控制室的標高為12.6m，與運行層標高一致。DCS采用WDPF-Ⅱ，每臺機組設計的I/O點為4500點。

電纜敷設采用俄EC元件，8個人用1.5個月時間完成敷設的設計任務。

主廠房內每臺300MW機組自動化專業(yè)的電纜根數(shù)為4038根。

主廠房內每臺300MW機組自動化專業(yè)電纜長度為350公里。

以上電纜的根數(shù)及長度均不包括全廠火災報警的廠供電纜和全廠各輔助生產(chǎn)車間的電纜。

電纜橋架的立柱、橋架及小槽盒全部選用鋼制鍍鋅，每臺機組約95t.

其他電纜橋架包括直通、彎通、三通、四通、蓋板、終端封頭、調寬片、直接片等選用鋁合金材質，每臺300MW機組約為55t.

附件隨橋架提供(如螺栓，螺母)。

2、某電廠，4×325MW燃油燃氣電站

熱力系統(tǒng)為單元制。DCS采用TELEPERM——XP.每臺機組設計I/O點為5804點。

電纜敷設采用EC軟件，12個人用2.5個月時間完成電纜敷設的設計任務。

主廠房內每臺325MW機組自動化專業(yè)的電纜根數(shù)為4413根。

主廠房內每臺325MW機組自動化裝業(yè)的電纜長度為360km.

每臺機組全部選用鋼制鍍鋅電纜橋架，其質量約為250t.

3、電站的電纜可以分為六大類：高壓電力電纜、低壓電力電纜、控制電纜、熱控電纜、弱電電纜(主要指計算機用電纜)、其他電纜。若兩臺300MW機組同時做電纜敷設，自動化專業(yè)電纜的數(shù)量大約有8500根左右。其中熱控電纜和弱電電纜將大于500根，及約占60%左右(以根數(shù)計量)。

三、設計、投資及使用

上述的比較偏重于純技術性的比較，以下比較擬加入經(jīng)濟因素。

比較的前提是DCS系統(tǒng)與典型的，理想的FCS系統(tǒng)進行比較。為什么要做如此的假設?作為DCS系統(tǒng)發(fā)展到今天，開發(fā)初期提出的技術要求已滿足并得到了完善，目前的狀況是進一步提高，因此也就不存在典型、理想的說法。而作為FCS系統(tǒng)，20世紀90年代剛進入實用化，作為開發(fā)初期的技術要求：兼容開放、雙向數(shù)字通信、數(shù)字智能現(xiàn)場裝置、高速總線等，目前還不理想，有待完善。這種狀態(tài)與現(xiàn)場總線國際標準的制定不能說沒有關系。過去的十多年，各總線組織都忙于制定標準，開發(fā)產(chǎn)品，占領更多的市場，目的就是要擠身國際標準，合法的占領更多的市場，現(xiàn)在有關國際標準的爭戰(zhàn)已告一段落，各大公司組織都已意識到，要真正占領市場，就得完善系統(tǒng)及相關產(chǎn)品。我們可以做這樣的預測，不久的將來，完善的現(xiàn)場總線系統(tǒng)及相關產(chǎn)品必將成為世界現(xiàn)場總線技術的主流。

具體比較：

(1)DCS系統(tǒng)是個大系統(tǒng)，其控制器功能強而且在系統(tǒng)中的作用十分重要，數(shù)據(jù)公路更是系統(tǒng)的關鍵，所以，必須整體投資一步到位，事后的擴容難度較大。而FCS功能下放較徹底，信息處理現(xiàn)場化，數(shù)字智能現(xiàn)場裝置的廣泛采用，使得控制器功能與重要性相對減弱。因此，F(xiàn)CS系統(tǒng)投資起點低，可以邊用、邊擴、邊投運。

(2)DCS系統(tǒng)是封閉式系統(tǒng)，各公司產(chǎn)品基本不兼容。而FCS系統(tǒng)是開放式系統(tǒng)，用戶可以選擇不同廠商、不同品牌的各種設備連入現(xiàn)場總線，達到最佳的系統(tǒng)集成。

(3)DCS系統(tǒng)的信息全都是二進制或模擬信號形成的，必須有D/A與A/D轉換。而FCS系統(tǒng)是全數(shù)字化，就免去了D/A與A/D變換，高集成化高性能，使精度可以從±0.5%提高到±0.1%.

(4)FCS系統(tǒng)可以將PID閉環(huán)控制功能裝入變送器或執(zhí)行器中，縮短了控制周期，目前可以從DCS的每秒2——5次，提高到FCS的每秒10——20次，從而改善調節(jié)性能。

(5)DCS系統(tǒng)可以控制和監(jiān)視工藝全過程，對自身進行診斷、維護和組態(tài)。但是，由于自身的致病弱點，其I/O信號采用傳統(tǒng)的模擬量信號，因此，它無法在DCS工程師站上對現(xiàn)場儀表(含變送器，執(zhí)行器等)進行遠方診斷、維護和組態(tài)。FCS系統(tǒng)采用全數(shù)字化技術，數(shù)字智能現(xiàn)場裝置發(fā)送多變量信息，而不僅僅是單變量信息，并且還具備檢測信息差錯的功能。FCS系統(tǒng)采用雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號制。因此，它可以對現(xiàn)場裝置(含變送器，執(zhí)行機構等)進行診斷、維護和組態(tài)。FCS系統(tǒng)的這點優(yōu)越性是DCS系統(tǒng)無法比擬的。

(6)FCS系統(tǒng)由于信息處理現(xiàn)場化，與DCS系統(tǒng)相比，可以省去相當數(shù)量的隔離器、端子柜、I/O終端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜。同時也節(jié)省了I/O裝置及裝置室的空間與占地面積，有專家認為可以省去60%.

(7)與(6)同樣理由，F(xiàn)CS系統(tǒng)可以減少大量電纜與敷設電纜用的橋架等，同時也省去了設計、安裝和維護費用，有專家認為可以省去66%.

對于(6)、(7)兩點應補充說明的是，采用FCS系統(tǒng)，節(jié)省投資的效果是不用懷疑的，但是否如有的專家所說達66%.這些數(shù)字在多篇文章中出現(xiàn)，編者認為這是相互轉摘的結果，目前還未找到這些數(shù)字的原始出處。因此，讀者在引用數(shù)字時要謹慎。

(8)FCS相對DCS組態(tài)簡單，由于結構、性能標準化，便于安裝、運行、維護。

(9)用于過程控制的FCS設計開發(fā)要點。這一點并不作為DCS比較，只是說明用于過程控制或者說用于模擬連續(xù)過程類的FCS在設計開發(fā)中應重點考慮的問題。

①要求總線本安防爆功能，而且是頭等重要的。

②基本監(jiān)控如流量、料位、溫度、壓力等變化是緩慢的，而且還有滯后效應，因此，節(jié)點監(jiān)控并不需要快電子學的響應時間，但要求有復雜的模擬量處理能力。這一物理特征決定了系統(tǒng)基本上多采用主——從之間的集中輪詢制，這在技術上是合理的，在經(jīng)濟上是有利的。

③流量、料位、溫度、壓力等參數(shù)的測量，其物理原理是古典的，但傳感器，變送器及控制器應向數(shù)字智能化發(fā)展。

④作為針對連續(xù)過程類及其儀器儀表而開發(fā)的FCS系統(tǒng)，應側重于低速總線H1的設計完善。