PLCPLC、DCSDCS、FCSFCS 三大控制系统的特点和差异三大控制系统的特点和差异摘摘 要要：本文对 PLC、DCS、FCS 三大控制系统的特点和差异进行了分析，指出了 三种控制系统之间的渊源及发展方向。 关键词关键词：可编程序控制器（PLC） 分散控制系统（DCS） 现场总线控制系统 （FCS）1.前言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。2PLC、DCS、FCS 三大控制系统的基本特点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，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 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）等。22 DCS 或或 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/DD/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）、Westinghouse（美）、HITACH（日）、 LEEDS & NORTHRMP（美）、SIEMENS（德）、Foxboro（美）、ABB （瑞士）、 Hartmann & Braun（德）、Yokogawa（日）、Honeywell（美国）、Taylor（美） 等。23 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、 GECAlsthom 、Schneider、 processData、 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、CAN bus；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。31 差异要点差异要点DCSDCSDCS 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。FCSFCSFCS 的关键要点有三点（1 1）FCSFCS 系统的核心是总线协议，即总线标准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(2)FCS 系统的基础是数字智能现场装置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)(3) FCSFCS 系统的本质是信息处理现场化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。32 典型系统比较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。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 420mA 信号，每个现场装 置到接线盒的双绞线仍然可以使用，但