PLC控制系统与DCS控制系统的优势分析

【摘要】PLC和DCS第三代控制系统突出代表，在诸多工业控制领域如冶金、电力、石油、化工、轻工等发展迅猛。PLC和DCS两大控制系统具有各自的特点，二者功能方面虽各有千秋，但在实际生产生活中却能结合使用，而且效果更好。

【关键词】控制系统；PLC；DCS；优势比较；应用

1.DCS系统

1.1 DCS简介

DCS在国内自控行业称之为集散控制系统。它综合了计算机、通讯、显示和控制等4C技术，其实质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，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。

1.2 DCS的结构

在结构上，DCS包括过程级、操作级和管理级三个部分。过程级是系统控制功能的主要实施部分，是由过程控制站、I/O单元和现场仪表组成。操作员站和工程师站组成了操作级，它的作用是完成系统的操作和组态。

1.3 DCS特点

高可靠性、开放性、灵活性、易于维护、协调性、控制功能齐全。DCS即为集散控制系统（Distributed Control System）。DCS是多级计算机系统，以通信网络为纽带，由过程控制级和过程监控级组成。DCS综合了计算机、通讯、显示和控制4项技术，也称为4C技术，DCS的主要思想是分散控制、分级管理、集中操作、灵活配置、组态便捷。DCS是拓扑大系统，呈树状，从上到下，通信是该系统的关键；PID在中断站里，现场仪器仪表和控制装置与计算机的连接依靠中断站；DCS是树状的拓扑结构，且结构是并行连续的链路状，也存在许多电缆由中继站并行到工程项目现场的仪器仪表；DCS系统的模拟信号由智能仪表的部件和几台计算机构成，渐渐的用数字信号来替代模拟信号，信号形式是A/D-D/A；由一台仪表与一对线连接到I/O，从控制站连接到局域网LAN；DCS控制系统是控制、操作和现场仪表的3级结构；每家企业的大的DCS控制系统不相同；主要使用于大型的连续过程控制。

2.PLC系统

2.1 PLC简介

PLC即可编程逻辑控制器，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。

2.2 PLC特点

可靠性高、抗干扰能力强、功能强适用面广、编程简单容易掌握、使用和维护方便。

2.3 PLC的特点

PLC即为可编程逻辑控制器（Program-mable Logic Controller），是使用一种可以编程的存储器，通过所存储的程序，来进行逻辑运算，或通过用户的指令来进行顺序控制、计数、定时和算术操作，并且通过模拟式或数字的输入或输出来控制各种类型的机械生产，或控制生产的过程。PLC已经从控制开关量的阶段发展到进行顺序控制或运算处理，是从低级向高级运送处理，从下往上的运算处理；PLC具有连续不间断的HD控制等多项功能，PID在中断站里；PLC可以使用一台PC机作为主站，同种型号多台PLC作为从站，PLC也可以使用一台PLC作为主站，同种型号PLC作为从站，组成PLC网络，后者比前者的方便之处是当用户进行编程时，不需要了解通信协议，按照说明书的格式编写就行；PLC网格不但可当做独立的DCS/TDCS，同时也可以当做DCS/TDCS的子系统；PLC大系统与DCS/TDCS一致。

3.DCS与PLC的区别

DCS是集散式控制系统的一种，PLC是控制装置，所以说DCS与PLC是系统和装置的区别。不管何种装置的功能和装置之间的协调，都可由系统来实现；而PLC装置所实现的只能是这个单元所具有的功能。

3.1 安全可靠性不同

DCS的设计使用的是双冗余过程处理器、双电源和双冗余网络。如果重要控制元件有了故障，其他与之相关的冗余元件就会实时没有干扰的变成工作元件，使系统能够安全运行。但起初的PLC控制系统完全没有把冗余的设计思想引入进去，系统没有足够的安全可靠性，经过改进后，实现了双冗余控制。同时，DCS系统的硬件插拔可以带电热插拔，即当某一模块遭到破坏或发生了其它故障时，系统不需要停止运行，维修技术人员就能及时替换被损坏的硬件。而很多PLC没有上述的功能。

3.2 兼容性和可扩展性不同

当前，DCS系统的兼容性和可扩展性非常强大，尤其适用于大型的系统工程。大多数操作级的网络平台都选择了以太网络的形式，采用的是当前标准的或变形的TCP/IP协议，进而为系统的扩展提供了很大的方便。而PLC系统最原始的开发目的是针对设备控制，大多数没有或只有很少部分有兼容性和扩展性的需求，所以，如果出现两个或两个以上的系统的资源需要共享时，PLC是相当的困难。

3.3 数据库不同

DCS系统具有比较统一的数据库，也就是说在任何情况下都可以引用DCS系统中的某一已经存在于数据库原始数据。但PLC系统的数据库就不是这样了，相比较而言它没有DCS统一，例如监控软件和组态软件抑或是归档软件都有各自的数据库。

3.4 时间调度和任务的处理方式不同

由于DCS系统已经实现了集散控制，因此它可以先灵活地设定任务周期，进而轻松的处理多个任务。但PLC的程序与之不同，大都不能按原来设定的周期进行循环运行。

3.5 网络结构不同

DCS网络是DCS系统的中枢神经，通常包括两层网络结构，而采用单网结构的PLc网络形式基本上是为个体而工作。TCP/IP协议是标准的以太网协议，是双冗余设计，具有很好的开放性与拓展性。而且PLC系统的网络安全也相对较差。

3.6 系统软件功能不同

DCS应用于化工、电力等大工业的过程控制更有优势，因为DCS的软件包功能强大，有配方的功能，不同的行业有不同的专家软件，简化了用户的组态编程工作。DCS的基本功能是对各种工艺进行控制，如果某一方案有了变化，技术人员只需在操作台就能更改方案，不影响原来的控制方案正常运行，它通过编译就可执行命令，然后由系统自动运行。PLC系统不利于维护，它的工作进程是先确定哪个PLC需要编译，然后再进行程序的编译，最后再一对一传送程序。

4.PLC与DCS比较及优势分析

目前工业控制领域效果最令人满意和最广泛使用的两种控制技术就包括可编程序控制器（PLC）及集散控制系统（DCS），同时它们各自的优势及劣势也是很明显的，如在高速的顺序控制中PLC占主导地位，而且PLC体积小，使用灵活，价格相对较低，而在复杂的过程控制中DCS占优势，但体积大，价格相对较高。但在通讯功能及管理能力方面PLC不及DCS，DCS通讯及管理能力较强。如果按从弱至强将PLC与DCS的性能划分为1至10个等级，则可将它们的对比列于表1。

数字量的顺序控制是早期的PLC主要的发展方向。但随着PLC技术的不断发展，PLC扩增了模拟量控制功能、通讯联网功能、PID调节功能及分级控制功能等，当前，即使是在过去DCS占统治地位的化工、冶金等行业PLC控制系统也能发挥巨大的作用。但PLC有一个弊端即难以组成大型、复杂、综合的系统，由于技术原因，如果过多的plc通过网络与过多的PLC通讯，则可能导致瓶颈现象及计时上的困难。

DCS的诸多优势使它在控制系统的高端市场仍占主流地位。DCS控制系统最初是由模拟仪表发展而来的，因此它初期的功能以回路调节为主，之后又扩展了顺序控制的功能。集中地操作管理，分散控制以提高整个系统的可靠性及管理能力是DCS的设计思想。但DCS比PLC价位稍高，因此国内一些资金有限的中小型企业有时难以承受DCS控制系统。

5.PLC与DCS系统的综合应用：混合式控制系统结构

随着当前计算机技术的进步与发展，通过研究人员多年的研究与开发，DCS与PLC两大系统除了保留有各自自身的特点之外，二者还能互相补充，形成新的控制系统。二者在很多领域可以并存，可以通过弥补对方的不足，形成新的控制系统。当前，越来越多的以PC+PLC组成DCS系统的工程应用逐渐广泛。

图1所示为混合式控制系统。该系统主要以DCS的设计思想为基础，综合PLC与DCS的各自优势。它主要由系统网络、操作员工作站、中央服务器、控制器及输入/输出（I/O）模块等部分组成。

5.1 系统网络

整个DCS系统的基础和核心就是系统网络，整个系统的实时性、可靠性和可扩充性都与系统网络息息相关。它的重要性对于混合式控制系统同样重要。

如图1所示，HCS是包括操作管理和过程控制在内的两级式控制系统。N1网连接的操作员工作站及中央服务器构成了操作管理级。N1网是一局域网（LAN），可以选用以太网，传输介质可使用双绞线、同轴电缆或光纤，它要能较快地传输大量的数据。星形、总线形、混合形等网络拓扑结构都可供N1网来选择。当前，工业控制网常用的网络结构是总线结构。因为它有成熟的网络技术，简单的施工过程，而且节点的加入退出时不需要中止网络运行。

N2网要具有实时性，这对实时性很强的过程控制十分重要。为了实现数据共享，一旦N2网上某节点发送数据，则该网络上所连接的各节点要能够同时接收到该数据。N2网的作用是将过程控制级的控制器与中央服务器相连，并且使控制器与远程I/O、远程I/O与远程I/O连接起来并中央服务器连接起来。

5.2 操作员工作站

操作员工作站能够完成HCS与用户间信息交换，它的功能主要有3个：（1）对生产过程进行调节和控制；（2）为运行操作人员提供人机界面；（3）便于操作人员及时全面地了解系统运行情况。现在操作员工作站主要由PC机承担，因为微型计算机性能在不断提高。

5.3 中央服务器

中央服务器用Windows NT为操作系统，配以系统应用软件，在部分行业还可与企业管理系统相连。它主要用来实现信息集中管理，如所有的系统信息、报告及总数据库。

5.4 控制器

自动控制系统中的控制中枢就是控制器。由HCS可组成较大型的分散的控制系统，这是因为每个HCS可支持多个控制器，而每个控制器又可支持多达上百个控制回路。HCS控制器体积比DCS小得多，与PLC一样采用了主要包括处理器、内存、I/O接口，外加通讯接口在内典型的计算机结构，它的框架沿袭了传统PLC的框架尺寸结构。从尺寸与外形上看，HCS控制器与PLC有许多相似之处，但它绝不是简单翻版PLC的，它有许多自己独特的特征和风格。HCS控制器在过程控制中能胜任DCS所承担的过程控制任务，它主要执行闭环及顺序控制。

5.5 输入/输出（I/O）模块

HCS提供了能与工业生产现场I/O信号直接相连的各种规格的I/O模块，如模拟量/数字量、直流/交流、电压/电流及不同电压等级的I/O模块等。这些I/O模块可与工业现场的按钮、变送器、传感器、电磁阀门及马达控制器等设备元件直接相连，使用灵活方便。

6.新型混合式控制系统特点

6.1 控制分级分散，管理集中

HCS的某些优势和DCS是一致的，比如它也具有信息集中，控制分散的优势。系统具有包括操作管理级及过程控制级在内的垂直的2级功能，并且在各级之间既有分工，又有联系，在系统的统一协调下平稳运行。在实际方面采用该分散控制结构，也就是将多个控制器及I/O框架分散后进行联网，这样设计的优点是：（1）避免因个别设备出现故障殃及整个系统而造成的危险，提高可靠性。（2）可将生产过程的全部信息通过网络传送至中央服务器以实现信息集中。

6.2 高灵活性、强可扩展性

HCS采用的结构形式是模块化及积木化，这样的话用户可选择不同数量、不同规格的单元设备以组成不同要求、不同规模的硬件系统，进而满足自身实际需要。组装上，灵活的组装方式使系统扩展变得容易，整个系统采用分级分散的网络结构形式，使增加或去除某些单元不会影响整个系统的性能，这有利于工厂按当前规模配置系统，使设备的利用效率全面提高。

6.3 可靠性高

（1）冗余技术

为了避免由于某个部件失效而影响整个系统运行，HCS允许用户在任何需要的关键部分扩充冗余部件。如将冗余的处理器、传输介质、中央服务器等加在控制器中，提升整个系统性能。

（2）自我诊断功效

HCS系统软件可整个系统的软硬件状态进行在线监视，如果有异常情况发生时，系统可立即自行采取有效措施，自行运行，使故障得到有效解决。

（3）断电保护功能

在HCS控制器的处理器模块内装有新型锂电池，因此在外部突然断电的情况下数据也不会丢失。

7.结束语

在未来，工业过程控制系统向智能化、开放性、网络化、信息化发展。同时，DCS及PLC系统将会更加完善，更多的应用于社会生产的各个环节。

参考文献

[1]夏晓莉.PLC、DCS两大控制系统的分析[J].中国新技术新产品,2009(9).

[2]童伟.集成PLC与DCS的新型过程控制系统[J].江西化工,2007(2).

[3]周明.现场总线控制系[M].中国电力出版社,2008,3.

[4]杨长能.可编程控制器基础及应用[M].重庆大学出版社,2009,11.

作者简介：张雪莲（1979—），女，山西河津人，大学本科，工程师，现供职于山西铝厂设计院电气室，主要从事电气设计与管理工作。