PLC与DCS的工业自动化工程性分析比较

1 引言：

     作为工业自动化的基本技术平台级别体系结构，PLC与dcs各有所长，虽然在传统上各有强项和领地，但随着计算机技术、通讯技术的发展，双方的界限越来越模糊了，这就需要plc和dcs制造商深入的研究市场需求和对方的长处、特点，使产品性能不断的提高，才能在日益激烈的市场竞争中利于不败之地。

2 plc体系结构

2.1 plc的定义

        plc（programmer logic controller）称为可编程序控制器，它是按照成熟而有效的继电器控制概念和设计思想，利用不断发展的新技术、新电子器件，逐步形成了具有特色的各种系列产品，是一种数字运算操作的专用电子计算机。它是将逻辑运算，顺序控制，时序和计数以及算术运算等控制程序，用一串指令的形式存放到存储器中，然后根据存储的控制内容，经过模拟，数字等输入输出部件，对生产设备和生产过程进行控制的装置。

2.2 plc的发展历程

        1969年dec公司按照gm（美国通用汽车公司）的要求研制了世界上第一台plc并且在gm公司得到成功的应用。此后gould modicon公司使plc商品化。plc是专门设计出来用于同继电器产品竞争并逐步取代了传统的继电器。plc作为一种工业专用计算机，经历了以下几个发展的历程。

        1969－1972为第一阶段，是plc的初期阶段，在该阶段的各厂家的plc差别很大、没有统一的硬件和软件标准、功能简单、专用性强，硬件主要以分离元件为主，体积较大、性能较差、可靠性不高。

        1972-1987为第二阶段，在该阶段plc逐步演化为一种专用的工业计算机，可靠性大大提高，成本大幅度降低，面向过程的梯形图和语句表语言面世，系统逐步向标准化过渡，这些都为plc的普及奠定了基础。

        1981-至今，iec正式发表了plc的标准，各厂家的plc都向规范化发展。梯形图、语句表、sfc语言已经成熟，同时还有和高级编程语言的接口，其存储能力、运算速度、对模拟量的处理功能已经大大加强，现在的大中型plc已经具有以前dcs所“特有”的经典pid算法、斜坡函数、自适应算法、模糊控制等算法。

2.3 plc特点和功能

（1）plc的主要特点。plc的特点是：工作可靠、运行速度快、积木式结构、组合灵活、良好的兼容性、程序编制及生成简单、丰富、网络功能强。

（2）plc的主要功能。plc系统能很好的完成工业实时顺序控制、条件控制、记数控制、步进控制等功能；能够完成模/数（a/d）、数/模（d/a）转换、数据处理、通讯联网、实时监控等功能。

        多年的实践表明，plc耐用、可靠，是专为工厂设计的，具有根据工作环境要求加固的元件，实时扫描实践及故障诊断功能，故障排除简便，深得用户偏爱。

        plc如此可靠的原因是一个可执行继电器逻辑、顺序功能图、功能块、结构文本、命令目录或其组合的实时核心或操作系统。若出现故障，其内置安全装置能保持机械受损，且能保持有序、有预见的顺序。

2.4 plc的发展趋势

        由于plc有极快的逻辑运算和极强的逻辑控制、顺序控制能力，在离散控制中有无与伦比的可靠性，方便简单易学的编程方法，使其在以离散为主的工业自动化领域中有无可争议的领导地位。随着目前的plc技术的逐步发展，plc已经具备了传统dcs所具有的pid算法、模糊控制、自适应控制等，使其具备了相当的过程控制的功能。

        plc技术发展的最终趋势仍然是人们所争论的焦点之一。随着工业控制发展的要求和其技术的不断发展，plc正迎来其成熟期，以下功能将逐步增强：

（1）小型化。控制设备的小型化将有利于有效的活用工厂的空间，同时可以削减设备消耗的材料费、设置工数、运输费用等成本。

（2）互换性。plc的历史已经比较久远，至今为止已经积累了很多硬件和软件资产，因此，在针对用户的要求，在改进控制器的同时，要尽可能的有效活用已有的资产。

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（3）开放化。plc一般总是使用梯形图逻辑控制程序，现在，所有类型的其他产品正在努力获得并使用一些或者全部与iec 61131-3标准兼容的程序设计语言，包括梯形图逻辑图表、功能模块图表、顺序功能图表、结构化文本和指令表等程序设计语言。

（4）高性能化。plc的性能随着设备技术的进步而不断进步。以前用多个plc执行的控制，现在集中在一台高速、大容量的plc上，以降低设备的成本，以便增强设备的竞争力，提高产品的附加价值。

（5）开放式网络系统。根据生产目的，没有浪费的系统构成，对于设备的变更和扩张可以迅速的做出反应的工厂柔性系统构造非常必要。

         将控制系统和信息系统有机的结合在一起，无论从那里都能自由的访问的无缝网络显得格外重要。

        全球工业计算机 控制领域，围绕开放与再开放过程控制系统、开放式过程控制软件、开放性数据通信协议，已经发生巨大变革，几乎到处都有PLC，但这种趋势也许不会继续发展下去。随着软plc(softplc)控制组态软件技术的诞生与进一步完善和发展，安装有softplc组态软件和基于工业pc控制系统的市场份额正在逐步得到增长，这些事实使传统plc供应商在思想上已经发生了戏剧性的变化，他们必须面对现实，在传统plc的技术发展与提高方面做出更加开放的高姿态。对于控制软件来讲，这是plc控制器的核心，plc供应商正在向工业用户提供开放式的编程组态工具软件，而且对于工业用户表现得非常积极。此外，开放式通信网络技术也得到了突破，其结果是将plc融入更加开放的工业控制行业。

（6）过程控制和管理功能。随着plc、dcs和ipc（工业现场控制用计算机）之间的竞争逐步加强，各plc厂家正在逐步将传统dcs所特有的过程控制功能逐步移植到plc中，使其在过程控制领域能够与dcs进行竞争，这方面plc已经取得了很大的成果。为了满足生产管理的需要,各plc厂家也在其软件开发上增加了管理软件，通过与其plc 的实时通讯采集现场数据并通过相应的软件完成生产管理所需要的管理功能。

3 dcs体系结构

3.1 dcs的定义

        dcs是分布式控制系统（distributed control system）的简称，亦称为集散控制系统，它是由回路仪表控制系统发展而来，是在计算机、通讯、控制和crt技术迅速发展的基础上产生的。

3.2 dcs的发展历程

        上世纪60年代以后，随着生产工程的大型化和复杂化，诞生了计算机集中监视和控制的集中控制系统。集中控制方便了监视、操作和管理，同样也使危险性高度集中，系统一旦故障，对装置造成的影响和危险性都是非常大的。随着微处理机的诞生，为新型控制系统的开放创造了无比优越的条件。1975年，随着计算机、通讯、控制和crt 4c技术的不断发展和完善，美国honeywell首次向全球推出了分散控制系统tdc-2000，从第一套dcs诞生至今，dcs系统已经经历了3个发展阶段。

       1975至1980年为初创阶段。由于软硬件技术的限制，此时的dcs系统性能还不十分完善，硬件结构还不十分成熟。

        1981至1987年为第2个阶段。这一时期容错、冗余技术已经成熟使用，系统可靠性很高，性能十分优越，各种控制功能十分丰富。在该阶段dcs从单纯的工业过程自动化控制向生产管理自动化发展。这一代的dcs主要将lan（local area network）技术引入，使dcs的网络功能大大加强。

        1987至今为第3个发展阶段。各厂家采用国际标准化组织（iso）开放系统互连（osi）结构基础上产生制造自动化协议（map）标准来解决不同机型的互连问题。 dcs系统在硬件上使用了更先进的cpu及冗余技术，存储容量及通讯速度大幅度提高，软件上采用通用操作系统。在该阶段dcs将控制、监督和管理调度有机结合起来，实现了各种生产经营信息的自动化管理。

3.3 dcs的特点和功能

（1）dcs的主要特点。dcs具有以下主要特点：控制与显示分离；采用网络通信技术；完备的开放系统；可靠性高；具有综合性和专业性；实现了人机对话技术；系统扩展灵活；管理能力强。

（2）dcs的主要功能。dcs系统能很好的完成工业连续控制、回路仪表控制等，dcs多年的实践表明，其在连续控制领域已经成为一种成熟的技术和完善的控制系统，同时其友好的人机界面、建立在冗余技术上的可靠性、强大的网络功能、单一的数据库、组态灵活等特点得到了广大用户的好评。

3.4 dcs的发展趋势

        dcs在连续控制领域有这极其重要的地位，到目前为止，对于dcs未来发展问题有许多争论，但下面的几个问题是大多数认识认为dcs急需解决的问题；

（1）开放性。关于开放性，这个问题是制约dcs发展的一个很大的因素，由于dcs各厂家对于自己的网络协议和系统软件采取严格的保密措施，这就造成了如果别的厂家的plc或其它的控制设备就不可能很好的无缝的接入dcs控制系统，往往需要经过复杂的协议转换，得到的通讯速率和通讯能力都很不理想，例如honeywell公司的tps系统和ab公司的plc5系列的plc进行通讯就需要通过串口并加上双方为通讯开发出来的辅助设备来实现，但当通讯量较大时，其实时性就大大降低，这个问题就阻碍了dcs的应用领域和竞争力。目前一些dcs厂家已经意识到该问题的严重性，目前honeywell公司主推的pks控制系统就采取了controlnet的通讯网络，舍弃了传统的lcn网，且采用了服务器结构的形式，使其开放性大大加强。除去通信问题以外，操作系统、数据库、人机界面、控制 策略的组态等方面，都有开放性问题，所以随着技术进步，dcs的开放性需要逐渐加强，而且还应发挥其特色，使分散型计算机控制系统，从传统dcs中解放出来，使dcs与cips系统的调度层、管理层、决策层（辅助决策层）进行无缝连接，将dcs的相关信息上传，使其实时数据库、历史数据库为上述３层所共用，避免重复建库，为先进控制和优化建好平台，与上层的关系数据库共享数据，真正实现管控一体化。

（2）价格。关于价格，当然应从性能价格比、产品生命周期及用户根据实际生产装置的自控要求对dcs进行选型、工程费用、维修费用等方面综合考虑。更重要的是目前PLC系统、工控机系统（ipc）的价格都是以廉价著称，所以dcs厂商在这方面面临的形势很严峻，今后dcs应在降低成本、减少维修费用、发展远程诊断和维护及完善服务体系等方面多下功夫，应对plc和ipc与之的竞争。

4 plc与dcs的工程性分析比较

        dcs和plc的设计原理区别较大，plc是由继电器控制原理发展起来的，它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入plc的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。plc的cpu内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为end指令），然后再返回起始步循环运算。plc每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的plc，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。程序计数器这样的循环操作，这是dcs所没有的。这也是使plc的冗余不如dcs的原因。dcs是在运算放大器的基础上得以发展的。把所有的函数和过程变量之间的关系都做成功能块（有的dcs系统称为膨化块）。dcs和plc的表现的主要差别是在开关量的逻辑解算和模拟量的运算上，即使后来两者相互有些渗透，但是还是有区别。80年代以后，plc除逻辑运算外，控制回路用的算法功能已经大大加强，但 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，在微秒量级，解算1k逻辑程序不到1毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。而dcs把所有输入都当成模拟量，1位就是开关量。解算一个逻辑是在几百微秒至几毫秒量级。对于plc解算一个pid运算在几十毫秒，这与dcs的运算时间不相上下。　

        在接地电阻方面，对plc也许要求不高，但对dcs一定要在几欧姆以下（通常在4欧姆以下）。模拟量隔离也是非常重要的。

       相同i/o点数的系统，用plc比用dcs，其成本要低一些（大约能省40%左右）。plc没有专用操作站，它用的软件和硬件都是通用的，所以维护成本比dcs要低很多。如果被控对象主要是设备连锁、回路相对很少，采用plc较为合适。如果主要是模拟量控制、并且函数运算很多，最好采用dcs。dcs在控制器、i/o板、通讯网络等的冗余方面，一些高级运算、行业的特殊要求方面都要比plc好的多。plc由于采用通用监控软件，在设计企业的管理信息系统方面，要容易一些。

5 结束语

        plc和dcs都已经成为工业控制系统的主流。plc和dcs都是在计算机技术、通讯技术、电子技术基础上产生的，其可靠性高、编程方便、运行简单等优点，使它们已经成为工业控制的主流。

        在目前市场经济的前提下，无论什么控制系统都要遵循开放的原则，plc在开放性方面远远走在dcs的前面，其网络协议的相对开放、界面软件的通用等已经成为plc竞争的一大优势，而且目前plc的过程控制能力和管理功能大大加强，大有取代dcs的势头。dcs由于历史原因，其开放性远远不能满足目前客户所提出的要求，如果dcs不在该方面快速发展，等到plc发展到一定的程度，dcs的命运可想而知。

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