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三大控制系统PLC、DCS、FCS的特点及差异目录前言11. PLC、DCS、FCS三大控制系统的基本特点11.1. 1.PLC21.2. DCS或TDCS21.3. FCS42.三大控制系统之间的差异52. 1.前述52.2.FCS和DCS的差异52. 2.1.FCS和DCS的经济上的具体比较：72. 3.PLe和DCS的差异82.3.1.概述92.3.2.DCS和PLC的定义102.3.3.DCS和PLC控制器的差别112.3.4.DCS和PLC的控制处理能力112.3.5.PLC和DCS的系统可扩展性和兼容性112.3.6.PLC和DCS的数据库122.3.7.PLC和DCS的时间调度122.3.8.PLC和DCS的网络结构122.3.9.PLC和DCS的应用对象规模13前言首先我们先来简单的谈谈三者的中文含义：DCS,集散控制系统，又称分布式控制系统；FCS,现场总线控制系统；PLC,可编程逻辑控制器。下面就来具体讲讲FCS、DCS、PLC的特点及区别。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。本文就PLC、DCS、FCS三大控制系统的特点和差异逐一分析，指出它们之间的渊源及发展方向。1.PLCvDCSxFCS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：1.1.PLC图IPLC照片(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、CENTUMCSWDPFI、MOD300o(7)PLC网络如SiemenS公司的SINEC-L1、SlNECHl、S4、S5、S6、S7等，GE公司的GENET、三菱公司的MELSECNET、MELSEC-NET/MINIo(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)、MrrSUBISH1(日)、SiemenS(德)等。1.2. DCS或TDCS集散控制系统(DiStribUtedCOntroISyStem)又称计算机分布式控制系统，它是20世纪70年代中期迅速发展起来的，它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，它把控制技术、计算机技术、图像显示技术以及通信技术结合起来，实现对生产过程的监视、控制和管理。它既打破了常规控制仪表功能的局限，又较好的解决了早期计算机系统对于信息、管理和控制作用过于集中带来的危险性。它主要用于大规模的连续过程控制系统中，如石化、电力等。其核心是通信，即数据公路。它的基本要点是：1）分散控制系统：DCS与集散控制系统TDCS是集4C（Communication,Computer,ControkCRT）技术于一身的监控技术。2）从上到下的树状系统，其中通信是关键。3）PID在中断站中，中断站联结计算机与现场仪器仪表与控制装。；4）是树状拓扑和并行连续的链路结构，有大量电缆从中继站并行到现场仪器仪表。5）信号系统包括开关量信号和模拟信号。6） 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。7）从上到下的树状拓扑大系统，其中通信（CommUniCatiOn）是关键。8）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。9）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。10）模拟信号，A/D-D/A,带微处理器的混合。11）一台仪表一对线接到I/O,由控制站挂到局域网LANo12）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。13）缺点是成本高，各公司产品不能互换，不能互操作，DCS系统是各家不同的。14）用于大规模的连续过程控制，如石化等。15）制造商:Bailey（美）、WeStinghoUS（美HlTACH（日）、LEEDS&NORTHRMP（美）、SIEMENS（德）、FoXboro（美）、ABB（瑞士）、Hartmann&BraUn（德）、YokogaWa（日卜HOneWeII（美国）、Taylor（美）等。1.3.FCSFieldbusControlSyStem(简称FCS)即现场总线控制系统，它是用现场总线这一开放的、具有互操作性的网络将现场各个控制器和仪表及仪表设备互联，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维修费用。因此，FCS实质上是一种开放的、具有互操作性的、彻底分散的分布式控制系统，有望成为21世纪控制系统的主流产品。现场总线控制系统的核心是总线协议，基础是数字智能现场设备，本质是信息处理现场化。FCS的要点是：(I)FCS是3C技术(CommUniCaTlon,Computer,Control)的融合。它适用于本质(本征)安全、危险区域、易变过程、难于对付的非常环境。(2)现场设备高度智能化，提供全数字信号；一条总线连接所有的设备。(3)从控制室到现场设备的双向数字通信总线，是互联的、双向的、串行多节点、开放的数字通信系统取代单向的、单点、并行、封闭的模拟系统。(4)控制功能彻底分散。(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、PlD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。(II)制造商：美HOneyWen、Smar、Fisher-Rosemount>ABRockwelRElsag一BaileyFoxboro、Yamatake、日Yokogawa欧Siemens>GEC一Alsthom、Schneider>proces一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、WorldFIPProfibus-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PrOfibUsDP、CANbus;3)多点控制如楼宇自动化，典型产品是LoNWork、Profibus-FMS.2.三大控制系统之间的差异2.1.前述我们已经知道，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。2.2.FCS和DCS的差异FCS和DCS的技术上的比较传统方式：现场级设备与控制器之间连接采用一对一I/O连线方式图2工厂控制网络1现场总线技术：使用一根电缆连接所有现场设备图3工厂控制网络2现场总线 现场总线表1FCS和DCS的详细对比结构一对多:一对传输线接多台仪表，双向传输多个信号.一对一：一对传输线接一台仪表，单向传输一个信号。可靠性可靠性好：数字信号传输抗干扰能力强，耦度高。可靠性差：模拟信号传输不仅精度低，而且容易受干扰。失控状态操作员在控制室既可以了解现场设咨过现场仪表的工作情况，也能对设备进行参数调整，还可以预测或寻找故障，使设备始终处于操作员的过程监控与可控状态之中。操作员在控制室既不了解模拟仪表的工作情况，也不能对其进行参数调整，更不能预测故渣,导致操作员对仪表处于“失控”状态。控制控制功能分散在各个智能仪器中。所有的控制功能集中在控制站中。互换性用户可以自由选择不同制造商提供的性能价格比最优的现场设备和仪表，并将不同品牌的仪表互连，实现"即插即用”。尽管横拟仪表统一了信号标准(420mADC),可是大部分技术参数仍由制造厂自定，致使不同品牌的仪表互换性差。仪表智能仪表除了具有模拟仪表的检测、变换、补偿等功能外，还具有数字通信能力，并且具有控制和运算能力。横拟仪表只具有检测、变换、补偿等功能。、；&俱凯及控制2.2.1.FCS和DCS的经济上的具体比较: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±05%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、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在设计开发中应重点考虑的问题。10）要求总线本安防爆功能，而且是头等重要的。11）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。12）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。13）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Hl的设计完善。2.3.PLC和DCS的差异2.3.1.概述DCS,侧重于系统控制JIolOlo1U/100011101010;01010101010001*)000000111111111HOIOIolOlOlOI(TIOIOllIoIOIOlC50101010"而PLC,侧重于逻辑控制谕渺这是为啥呢？这特么谁规定的？为啥这么划分呢？PLC系统与DCS系统的结构差异不大，只是在功能的着重点上的不同，DCS着重于闭环控制及数据处理。PLC着重于逻辑控制及开关量的控制，也可实现模拟量控制。DCS或PLC系统的关键是通信。也可以说数据公路是分散控制系统DCS及PLC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。DCS的特点是：(1)控制功能强。可实现复杂的控制规律，如串级、前馈、解耦、自适应、最优和非线性控制等。也可实现顺序控制；(2)系统可靠性高；(3)采用CRT操作站有良好的人机界面；(4)软硬件采用模块化积木式结构；(5)系统容易开发；(6)用组态软件，编程简单，操作方便；(7)有良好的性价比。通过数据公路的设计参数，基本上可以了解一个特定DCS或PLC系统的相对优点与弱点。目前在DCS和PLC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。2.3.2.DCS和PLC的定义DCS控制系统，在国内自控行业又称之为集散控制系统。即所谓的分布式控制系统，是相对于集中控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中控制系统的基础上发展、演变而来的。DCS作为一个集过程控制和过程监控为一体的计算机综合系统，在通信网络的不断带动下，DCS系统已经成为了一个综合计算机，通信、显示和控制等4C技术的完整体系。其主要特点是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。现如今的DCS系统可以广泛地用于工业装置的生产控制和经营管理，在化工、电力、冶金等流程自动化领域的应用已经十分普及。PLC,即逻辑可编程控制器，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，是工业控制的核心部分。2.3.3.DCS和PLC控制器的差别DCS和PLC控制器的主要差别是在开关量和模拟量的运算上，即使后来两者相互有些渗透，但是仍然有区别。80年代以后，PLC除逻辑运算外，也增加了一些控制回路算法，但要完成一些复杂运算还是比较困难，PLC用梯形图编程，模拟量的运算在编程时不太直观，编程比较麻烦。但在解算逻辑方面，表现出快速的优点。而DCS使用功能块封装模拟运算和逻辑运算，无论是逻辑运算还是复杂模拟运算的表达形式都非常清晰，但相对PLC来说逻辑运算的表达效率较低。2.3.4.DCS和PLC的控制处理能力一个PLC的控制器，往往能够处理几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）O而DCS的控制器，一般只能处理几百个I/O点（不超过500个I/O）。从集散体系的要求来说，不允许有控制集中的情况出现，太多点数的控制器在实际应用中是毫无用处的，DCS开发人员根本就没有开发带很多I/O点数控制器的需要驱动，他们的主要精力在于提供体系的可靠性和灵活性。而PLC不一样，作为一个独立的柔性控制装置，带点能力越强当然也就代表其技术水平越高了，至于整个控制体系的应用水平呢，这主要是工程商和用户的事情，而不是PLC制造商的核心目标。控制处理能力的另一个指标，运算速度，在人们印象当中PLC也比DCS要快很多。新型的DCS控制器学习了大型PLC的设计，在控制周期方面的表现获得了大幅度的提高。以NT600ODCS的T2550控制器为例。控制器可以设置四个不同优先级的任务，最小运算周期可以设为IOms,配合高速I/O卡件，控制周期能够达到1520ms。而模拟量运算设置在其它周期较长的任务中。2.3.5.PLC和DCS的系统可扩展性和兼容性市场上控制类产品繁多，无论DCS还是PLC,均有很多厂商在生产和销售。对于PLC系统来说，一般没有或很少有扩展的需求，因为PLC系统一般针对于设备来使用。一般来讲，PLC也很少有兼容性的要求，比如两个或以上的系统要求资源共享，对PLC来讲也是很困难的事。而且PLC一般都采用专用的网络结构，比如西门子的MPl总线性网络，甚至增加一台操作员站都不容易或成本很高。DCS在发展的过程中也是各厂家自成体系，但大部分的DCS系统，比如横河YOKoGAWA、霍尼维尔、ABB等等，虽说系统内部（过程级）的通讯协议不尽相同，但操作级的网络平台不约而同的选择了以太网络，采用标准或变形的TCP/IP协议。这样就提供了很方便的可扩展能力。在这种网络中，控制器、计算机均作为一个节点存在，只要网络到达的地方，就可以随意增减节点数量和布置节点位置。另外，基于WindOWS系统的OPC、DDE等开放协议，各系统也可很方便的通讯，以实现资源共享。2.3.6.PLC和DCS的数据库DCS一般都提供统一的数据库。换句话说，在DCS系统中一旦一个数据存在于数据库中，就可在任何情况下引用，比如在组态软件中，在监控软件中，在趋势图中，在报表中而PLC系统的数据库通常都不是统一的，组态软件和监控软件甚至归档软件都有自己的数据库。为什么常说西门子的S7400要到了414以上才称为DCS?因为西门子的PCS7系统才使用统一的数据库，而PCS7要求控制器起码到S7414-3以上的型号。2.3.7.PLC和DCS的时间调度PLC的程序一般不能按事先设定的循环周期运行。PLC程序是从头到尾执行一次后又从头开始执行；（现在一些新型PLC有所改进，不过对任务周期的数量还是有限制）而DCS可以设定任务周期。比如，快速任务等。同样是传感器的采样，压力传感器的变化时间很短，我们可以用200ms的任务周期采样，而温度传感器的滞后时间很大，我们可以用2s的任务周期采样。这样，DCS可以合理的调度控制器的资源。2.3.8.PLC和DCS的网络结构一般来讲，DCS惯常使用两层网络结构，一层为过程级网络，大部分DCS使用自己的总线协议，比如横河的Modbus.西门子和ABB的Profibus.ABB的CANbUS等，这些协议均建立在标准串口传输协议RS232或RS485协议的基础上。现场IO模块，特别是模拟量的采样数据（机器代码，213/扫描周期）十分庞大，同时现场干扰因素较多，因此应该采用数据吞吐量大、抗干扰能力强的网络标准。基于RS485串口异步通讯方式的总线结构，符合现场通讯的要求。IO的采样数据经CPU转换后变为整形数据或实形数据，在操作级网络（第二层网络）上传输。因此操作级网络可以采用数据吞吐量适中、传输速度快、连接方便的网络标准，同时因操作级网络一般布置在控制室内，对抗干扰的要求相对较低。因此采用标准以太网是最佳选择。TCP/IP协议是一种标准以太网协,议，一般我们采用100Mbit/s的通讯速度。PLC系统的工作任务相对简单，因此需要传输的数据量一般不会太大，所以常见的PLC系统为一层网络结构。过程级网络和操作级网络要么合并在一起，要不过程级网络简化成模件之间的内部连接。PLC不会或很少使用以太网。2.3.9.PLC和DCS的应用对象规模PLC一般应用在小型自控场所，比如设备的控制或少量的模拟量的控制及联锁，而大型的应用一般都是DCS。当然，这个概念不太准确，但很直观，习惯上我们把大于600点的系统称为DCS,小于这个规模叫做PLC。我们的热泵及QCS、横向产品配套的控制系统一般就是称为PLC。