自動化控制系統(tǒng)的比較分析

【摘要】自動化控制系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，在提高生產(chǎn)效率，提升安全生產(chǎn)水平，降低運行人員勞動強度方面發(fā)揮著重要作用。自動化控制系統(tǒng)涉及的范圍很廣，本文主要介紹可編程邏輯控制器（PLC）、分布式控制系統(tǒng)（DCS）和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）。

【關(guān)鍵詞】PLC；DCS；FCS

自動化控制系統(tǒng)伴隨著工廠的建立便投入到生產(chǎn)中的各個環(huán)節(jié)。比較常見的有可編程邏輯控制器（以下簡稱PLC）、分布式控制系統(tǒng)（以下簡稱DCS）和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（以下簡稱FCS）。各個系統(tǒng)的品牌廠家眾多，但功能大體相同。通過獲取生產(chǎn)的實時數(shù)據(jù)作為輸入，經(jīng)過預(yù)先設(shè)定好的流程進行計算，輸出的值使設(shè)備、機器按照我們想要的狀態(tài)運行。

1三種控制系統(tǒng)簡介

PLC，正如其名稱所示，常用于順序邏輯控制的工業(yè)領(lǐng)域。在PLC出現(xiàn)之前繼電器在工業(yè)控制領(lǐng)域占主導(dǎo)地位，但繼電器有著明顯的缺點：體積大、耗電多、速度慢、適應(yīng)性差。一般要使用成百上千的繼電器、定時器和計數(shù)器才能組成具有與PLC相同功能的控制系統(tǒng)，PLC的出現(xiàn)開創(chuàng)了工業(yè)控制的新時代。PLC控制系統(tǒng)可大可小，通過增加輸入輸出模塊來增加控制系統(tǒng)點數(shù)。在日常中與HMI人機界面或者上位機軟件搭配使用。DCS，是對生產(chǎn)過程進行集中管理和分散控制的計算機控制系統(tǒng)。控制器分布在生產(chǎn)的各個系統(tǒng)中，而在控制室集中監(jiān)視和操作。DCS隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)快速發(fā)展應(yīng)運而生，已在石油、化工、電力、冶金以及智能建筑等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。DCS通常使用訂制的處理器作為控制器，并使用專用或者標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進行通信，搭配廠家各自的組態(tài)軟件構(gòu)成整個系統(tǒng)。FCS，是建立在全數(shù)字通信基礎(chǔ)上，是一種完全分散的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有開放性、分散性的技術(shù)特點，被稱為繼PLC，DCS之后新一代的控制系統(tǒng)。在FCS技術(shù)中，每個現(xiàn)場設(shè)備都智能化、能夠相互通信的設(shè)備。目前，國際上有幾十種現(xiàn)場總線類型，比較典型的有：FF，Profibus，LONworks，CAN，HART，CC-LINK等。FCS在國內(nèi)市場的應(yīng)用并不如PLC、DCS那樣廣泛。

2三種控制系統(tǒng)的比較

三種控制系統(tǒng)從總體上來說都是由CPU，指令及數(shù)據(jù)存儲器、輸入輸出模塊、電源模塊等組成。但具體來說有以下幾個方面不同：

2.1整體結(jié)構(gòu)上的差異

PLC通常由控制器，電源模塊，通訊模塊，輸入輸出模塊等構(gòu)成。所占空間較小，安裝位置靈活。沒有固定使用的上位機軟件，可隨用戶需要選擇。DCS除了PLC具有的上述模塊外，一般有控制器、電源模塊、通訊模塊等冗余配置。上位機軟件由廠商提供，用戶無法選擇。有多臺操作員站、工程師站，全部集中在控制室。而FCS把絕大部分的控制功能全權(quán)交給現(xiàn)場總線儀表，高級控制功能在控制室。FCS不像DCS那樣有大量模擬數(shù)字輸入輸出模塊，比DCS結(jié)構(gòu)更加簡單，反而現(xiàn)場儀表的任務(wù)加重了。

2.2功能上的不同

PLC通常是單機運行，功能相對單一，適用于那些系統(tǒng)規(guī)模較小對擴展沒有太大需求的小型工程。DCS通常將控制器分散在生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)，而且系統(tǒng)集成歷史數(shù)據(jù)庫、流線型的報警管理等功能，并提供通用的接口，易于信息共享。主要應(yīng)用于生產(chǎn)過程連續(xù)和比較大的工廠。FCS與DCS在功能方面相比較，DCS更依賴于控制站，不是完全分散控制，而FCS的控制分散到了現(xiàn)場數(shù)字化儀表和智能設(shè)備，因此在控制功能方面徹底分散。

2.3擴展方式的不同

PLC進行擴展，需要增加更多的輸入輸出模塊，甚至是增加控制器。過程比較耗時和費力，而且容易出現(xiàn)錯誤。DCS擴展來說相對簡單，一般只需要增加輸入輸出模塊，擴展規(guī)模較大時需要增加擴展柜或者遠(yuǎn)程站，由于系統(tǒng)集成了上位機組態(tài)軟件，配置過程相對容易。而FCS只需要把多臺現(xiàn)場儀表都接在總線上，比DCS用線更少，安裝簡單，費用也低，配置更加方便。

3三種系統(tǒng)如何選擇

PLC、DCS、FCS各有各的特點，在選擇的時候還要具體問題具體分析。主要考慮系統(tǒng)規(guī)模大小，功能需要，前期建設(shè)成本和后期維護成本。如果系統(tǒng)較小，輸入輸出點小于300點，而且預(yù)算較少，考慮PLC就比較適合。PLC的控制功能并不輸于DCS，而且并不需要專門的控制室，與HMI人機接口搭配使用，現(xiàn)場便能操作。PLC也可以用于大型系統(tǒng)中，但隨著PLC的增多，后期集成維護也是一件麻煩事。想要將DCS系統(tǒng)應(yīng)用到小規(guī)模系統(tǒng)上也并不容易，DCS的控制柜需要占用空間較大，需要專門的控制室安置工程師站和操作員站，相較于PLC前期投入成本也較高，在小規(guī)模系統(tǒng)中并不具備性價比。相反，在大系統(tǒng)應(yīng)用中更能發(fā)揮其功能。DCS采取冗余設(shè)計，可以在線進行模塊更換，而且控制功能分散，不會因為系統(tǒng)的某一部分發(fā)生故障，而引起整個系統(tǒng)的癱瘓，有更高的安全性。由于集成了上位機軟件，在邏輯組態(tài)和畫面組態(tài)上也更加方便，易于變更維護。FCS的每個現(xiàn)場設(shè)備之間的聯(lián)系均通過現(xiàn)場總線來實現(xiàn)，比DCS在系統(tǒng)安裝和擴展上更具優(yōu)勢。并且采用標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，在不同廠家設(shè)備之間的數(shù)據(jù)匯集和共享不存在障礙，這是PLC和DCS無法比擬的。但FCS采用的都是現(xiàn)場總線儀表設(shè)備，在國內(nèi)市場并不多見，可選擇的余地少，價格較高。由于采用了許多新的技術(shù)，對后期運行維護人員也提出了很高的技術(shù)要求。前期投入和后期維護成本高，給FCS的大規(guī)模應(yīng)用帶來了困難。FCS屬于未來，但現(xiàn)在還有很長的路要走。

參考文獻(xiàn)

[1]姜建芳.西門子S7-300/400PLC工程應(yīng)用技術(shù).機械工業(yè)出版社，2012.

[2]李占英.分散控制系統(tǒng)（DCS）和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）及其工程設(shè)計[J].電子工業(yè)出版社，2015.

[3]高培林.程良鴻.FCS技術(shù)國內(nèi)應(yīng)用的現(xiàn)狀及存在的問題[J].儀表技術(shù)，2005（4）：68-69.

作者：吳岫巖 單位：唐山開灤電力工程有限責(zé)任公司