三大工业控制系统FCS与PLC及DCS有什么关联及本质区别

随着工业技术的快速发展,相继出现了集散控制系统和现场总线控制系统, 一些行业当中有的人认为FCS 是由PLC发展而来的;另一些行业的人认为FCS又是由DCS发展而来的。FCS与 PLC及DCS之间既有密不可分的关联, 又存在着本质的区别。

在工业过程控制中的三大控制系统,分别是PLC、DCS、FCS。

PLC控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为工业环境下的应用而设计。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,并通过数字式或模拟式输入或输出,控制各种类型的机械或生产过程。

DCS集散控制系统，又叫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,也称作4C技术，实现了对生产过程的监视、控制和管理。它既打破了常规控制仪表功能的局限性,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。

FCS 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。

大型 PLC 构成的过程控制系统的基本特点

(1) 从上到下的结构,PLC 既可以作为独立的 DCS, 也可以作为DCS的子系统。(2) PID 放在控制站中,可实现连续 PID 控制等各种功能。

(3) 可用一台 PC 为主站,多台同类型 PLC为从站; 也可用一台 PLC 为主站,多台同类型 PLC 为从站, 构成PLC网络。 

(4) 主要用于工控中的顺序控制,新型PLC也兼有闭环控制功能。

DCS控制系统的基本特点

(1) 从上到下的树状系统,其中通信是关键。 

(2) 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。

(3) 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。 

(4) 信号系统包括开关量信号和模拟信号。 

(5) DCS是控制(工程师站)、操作(操作员站)、现场 仪表(现场测控站)的三级结构。

FCS 控制系统的基本特点

(1)FCS是3C技术的融合。它适用于本质安全、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。

DCS控制系统与PLC控制系统的比较

DCS是一种“分散式控制系统”,而 PLC 只是一 种控制“装置”,两者是“系统”与“装 置”的区别。系统可以实现任何装置的功能与协调, PLC 装置只实现本单元所具备的功能。网络方面, 网络是控制系统的中枢神经。

DCS 系统如 HOLLiAS MACS 系统的网络,由上至下分为系统网络和控制网络两个层次,系统网络实现现场控制站与 系统操作员站的互连,控制网络实现现场控制站与智能 I/O 单元的通讯,信息传输实时可靠。

而 PLC 因为基本上都为个体工作,其在与别的 PLC 或上位机进行通讯时,所采用的网络形式基本都是单网结构。在网络安全上,PLC 没有很好的保护措施。 

DCS 在整个设计上留有大量的可扩展性接口,外接 系统或扩展系统都十分方便,PLC 所搭接的整个系统完成后,想随意的增加或减少操作员站都是很难实现的。DCS 安全性为保证 DCS 控制设备的安全可靠, DCS 采用了双冗余的控制单元,当重要控制单元出现故 障时,都会有相关的冗余单元实时无扰的切换为工作单 元,保证整个系统的安全可靠。

PLC 所搭接的系统基本没有冗余的概念,就更谈不上冗余控制策略。特别是当其某个PLC 单元发生故障时,不得不将整个系统停下来,才能进行更换维护并需重新编程。所以DCS系统要比PLC安全可靠性上高一个等级。DCS 与 PLC 硬件可靠性差不多。PLC 的优势在于软件方面，PLC 采用的是顺序扫描机制,PLC 在高速的顺序控制中占主导地位。PLC的循环周期在10ms 秒左右, 而DCS 控制站在500ms 左右。

DCS 实现顺序联锁功能 相对于PLC来讲是弱势,且逻辑执行速度不如 PLC。相对而言,PLC 构成的系统成本更低。DCS 的现场控制站层通常采用集中式控制,尽管支持远程分布式 I/O,但由于成本原因,很少采用。而PLC 基于现场总线的远程分 布式 I/O 体积小更灵活易用,能有效地节省接线成本。

FCS控制系统与DCS控制系统的比较

可以说FCS 兼备了DCS 与 PLC的特点,而且跨出 了革命性的一步。

1) FCS是全开放的系统,其技术标准也是全开放的, FCS 的现场设备具有互操作性,装置互相兼容,因此用户 可以选择不同厂商、不同品牌的产品,达到最佳的系统集成;DCS 系统是封闭的,各厂家的产品互不兼容。

2) FCS 的信号传输实现了全数字化,其通信可以从最底层的传感器和执行器直到最高层,为企业的MES 和 ERP 提供强有力的支持,更重要的是它还可以对现场装 置进行远程诊断、维护和组态;DCS 的通信功能受到很 大限制,虽然它也可以连接到 Internet,但它连不到底 层, 它提供的信息量也是有限的, 它不能对现场设备进 行远程操作。

3）FCS 的结构为全分散式,它废弃了 DCS 中的 I /O 单元和控制站,把控制功能下放到现场设备,实现了彻底的分散,系统扩展也变得十分容易;DCS 的分散只是到控制器一级, 它强调控制器的功能, 数据公路更是其关键。

4) FCS 的全数字化,控制系统精度高,可以达到土0.1％;而DCS 的信号系统是二进制或模拟式的,必须有A /D 、D/ A环节, 所以其控制精度为土 0.5 ％。

5) FCS 可以将PID闭环功能放到现场的变送器或执行器中,加上数字通信,所以缩短了采样和控制周期, 目前可以从 DCS 的每秒2-5次,提高到每秒10-20 次,从而改善了调节性能。

6) 由于 FCS 省去了大量的硬件设备、电缆和电缆安装辅助设备, 节约了大量的安装和调试费用, 所以它的造价要远低于DCS。

FCS是一个开放的、完全分布式的、智能控制的系统。但传统DCS、PLC系统已经被使用了几十年来,发展成为一个实用型的、可靠性高的系统。随着它们各自的发展,都有向对方靠拢的趋势。像新型的 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弱，并且两者都能组成大型控制网络。