PLC的应用领域，为什么要用PLC
分析了PLC、DCS和FCS的特点和区别，指出了三种控制系统的起源和发展方向。
关键词:可编程逻辑控制器(PLC)，分布式控制系统(DCS)和现场总线控制系统(FCS)
1.介绍
20世纪90年代投入实际应用的现场总线控制系统，发展势头迅猛，是世界上最新的控制系统。现场总线控制系统是当前自动化技术的一个热点，越来越受到国内外自动化设备制造商和用户的关注。现场总线控制系统的出现将给自动化领域带来又一次革命，其深度和广度将超过历史上的任何时期，从而开创自动化的新时代。
在某些行业，FCS是由PLC发展而来的；在其他行业，FCS是由DCS发展而来的，所以FCS与PLC、DCS有着千丝万缕的联系，有着本质的区别。本文试图分析PLC、DCS和FCS的特点和区别，指出它们的来源和发展方向。
2.2的基本特征。PLC、DCS和FCS。
目前，在连续过程生产自动控制(PA)或工业过程控制中，有三种主要的控制系统，即PLC、DCS和FCS。它们的基本特征如下:
2.1 PLC
(1)从通断控制到顺序控制和输送处理的发展是自下而上的。
(2)连续PID控制等多功能，中断站带PID。
(3)一台PC机可作为主站，多台同类型PLC可作为从站。
(4)一个PLC也可以作为主站，多个同类型的PLC可以作为从站，组成一个PLC网络。这比用PC做主站方便多了:有用户编程的时候，不需要知道通信协议，按照指令格式写就行了。
(5)PLC电网可以作为独立的DCS/TDCS，也可以作为DCS/TDCS的子系统。
(6)大型系统同DCS/TDCS，如TDC3000、CENTUMCS、WDPFI、MOD300。
(7)PLC网络如西门子的SINEC-L1、SINEC-H1、S4、S5、S6、S7、GE的GENET、三菱的MELSEC-NET、MELSEC-NET/MINI。
(8)主要用于工业过程中的顺序控制，新型PLC还具有闭环控制功能。
(9)制造商:古尔德(美国)、AB(美国)、GE(美国)、欧姆龙(日本)、三菱(日本)、西门子(德国)等。
2.2跟单信用证或TDCS
(1)分散控制系统DCS和分散控制系统TDCS是集4C(通信、计算机、控制、CRT)技术于一体的监控技术。
(2)自上而下的树状拓扑大系统，其中通信是关键。
(3)PID在中断站中，中断站与计算机、现场仪表和控制装置相连。
(4)是树形拓扑，是平行连续的链路结构，从中继站到现场仪表也有大量电缆并行运行。
(5)模拟信号，A/D-D/A，与微处理器混合。
(6)仪器的一对线连接到I/O，仪器由控制站挂到局域网LAN。
(7)DCS是控制(工程师站)、操作(操作员站)和现场仪表(现场测控站)三级结构。
(8)缺点是成本高，各公司产品不能互通互操作，大型DCS系统各公司不一样。
(9)用于大规模连续过程控制，如石油化工。
(10)厂商:贝利(美国)、威斯汀豪斯(美国)、HITACH(日本)、利兹&；诺斯罗普(美国)、西门子(德国)、福克斯波罗(美国)、ABB(瑞士)、哈特曼& amp；博朗(德国)、横河(日本)、Honewell(美国)、泰勒(美国)等。
2.3 FCS
(1)的基本任务是:本质安全、危险区域、多变过程、困难超常环境。
(2)全数字化、智能化和多功能化，取代模拟单一功能的仪器、仪表和控制装置。
(3)使用两根导线连接分散的现场仪表、控制装置、PID和控制中心，而不是每台仪表使用两根导线。
(4) PID等于总线上的仪器、仪表和控制装置。
(5)多变量、多节点、串行和数字通信系统取代了单变量、单点、并行和模拟系统。
(6)它是互联的、双向的、开放的，而不是单向的、封闭的。
(7)用分散虚拟控制站代替集中控制站。
(8)由现场计算机控制，也可以连接到上位计算机和同一总线上的上一级计算机。
(9)局域网，可与互联网连接。
(10)将传统的信号标准、通信标准、系统标准转变为企业管理网络。
(11)制造商:霍尼韦尔、Smar、Fisher— Rosemount、AB/Rockwell、Elsag— Bailey、Foxboro、Yamatake、日本横河、欧洲西门子、GEC—阿尔斯通、施耐德、Proceedings-Data、ABB等。
典型的(12)3级现场总线
1)连续过程自动控制，如石油化工，其中“本质安全防爆”技术绝对重要，典型产品有FF、世界FIP、PROFIBUS-PA；
2)过程动作的离散自动控制，如汽车制造机器人、汽车，典型产品有PROFIBUS-DP、CANbus；
3)多点控制如楼宇自动化，典型产品有LON Work和Profibus—FMS。
从以上基本点的描述中，我们是否注意到用于过程控制的三个系统都不是为电厂开发的，或者说在它们开发的早期，电厂并不是系统控制的首选。在这些系统的操作说明中，从来不把电站作为首选的适用范围，有的根本不提电站。奇怪的是，这三种控制系统，尤其是DCS和PLC，已经在电站广泛使用，效果也很好。
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3.三种控制系统之间的差异
我们已经知道FCS是由DCS和PLC发展而来的。FCS不仅具有DCS和PLC的特点，而且迈出了革命性的一步。目前，新的区议会和新的临立会都趋向彼此靠拢。新型DCS具有强大的顺序控制功能；新的PLC在处理闭环控制方面还不错，两者可以组成一个大网络。DCS和PLC的应用范围有了很大的交叉。下一节只比较DCS和FCS。在前面的章节中，DCS和FCS的区别实际上已经涉及到了，下面将描述架构、投资、设计和使用。
3.1个差异点
文件（documents的缩写） 分布式控制系统（Distributed Control System）
DCS系统的关键是通信。也可以说，数据高速公路是集散控制系统DCS的主干。因为它的任务是在系统的所有组件之间提供通信网络，所以数据高速公路本身的设计决定了整体的灵活性和安全性。数据高速公路的介质可以是一对双绞线、同轴电缆或光缆。
通过数据高速公路的设计参数，我们可以基本了解一个具体DCS系统的相对优缺点。
(1)系统能处理多少I/O信息？
(2)系统能处理多少控制回路信息？
(3)有多少用户和设备(CRT、控制站等。)它能适应吗。
(4)如何彻底检查传输数据的完整性。
(5)数据高速公路的最大允许长度是多少？
(6)数据高速公路能支持多少分支？
(7)数据高速公路能否支持硬件(可编程控制器、计算机、数据记录设备等)。)其他厂家生产的。
为了保证通信的完整性，大多数DCS厂商都可以提供冗余的数据高速公路。
为了保证系统的安全性，使用了复杂的通信协议和错误检测技术。所谓通信协议，就是一套规则，保证传输的数据被接收并理解为传输的数据。
目前，DCS系统一般采用两种通信方式，即同步和异步。同步通信依靠一个时钟信号来调整数据的发送和接收，异步网络采用一个没有时钟的报告系统。
火控系统(Fire Control System)
功能界别有三个要点。
(1)FCS系统的核心是总线协议，即总线标准。
如前一章所述，一旦确定了一种类型的总线协议，相关的关键技术和相关设备也就确定了。就其总线协议的基本原理而言，各种总线都是一样的，都是基于解决双向串行数字通信传输。但是由于各种原因，各种总线的总线协议差别很大。
为了使现场总线满足互操作性的要求，使其成为真正开放的系统，在IEC国际标准和现场总线通信协议模型的用户层中，明确规定了用户层具有设备描述的功能。为了实现互操作性，每个现场总线设备都由设备描述DD来描述。DD可以看作是设备的一个驱动，包含了主站需要的所有必要的参数描述和操作步骤。由于DD包含了描述设备通信所需的所有信息，与主站无关，因此可以使现场设备实现真正的互操作。
实际情况是否和上面一样，答案是否定的，目前采用的现场总线国际标准包含八种类型，而原来的IEO国际标准只是这八种类型中的一种，和其他七种类型的总线是平等的。其他七种总线，不论其市场份额，每种总线协议都有一套软硬件支持。他们可以形成系统和产品，而原来的IEC现场总线国际标准是一个空架子，既没有软件支持，也没有硬件支持。因此，目前要实现这些总线的相互兼容和互操作几乎是不可能的。
从上面可以得到这样一个形象的说法:一个开放的现场总线控制系统的互操作性，就某一特定类型的现场总线而言，只要遵循该类型现场总线的总线协议，就对其产品开放，具有互操作性。换句话说，无论什么厂商的产品，都不是现场总线公司的产品。只要遵循总线的总线协议，产品具有开放性和互操作性，就可以形成一个总线网络。
(2)FCS系统基于数字化智能现场设备。
数字化智能现场设备是FCS系统的硬件支持和基础。原因很简单。FCS系统实现自动控制设备和现场设备之间的双向数字通信现场总线信号系统。如果现场设备不遵循统一的总线协议，即相关的通信协议，不具备数字通信功能，那么所谓的双向数字通信就只是一句空话，不能称之为现场总线控制系统。此外，现场总线的一大特点是增加了现场级控制功能。如果现场设备不是多功能、智能化的产品，现场总线控制系统的特性就不存在，所谓简化系统、方便设计、方便维护的优势也是虚无缥缈的。
(FCS系统的本质是现场信息处理。
对于一个控制系统，无论是使用DCS还是现场总线，系统都需要处理至少相同数量的信息。事实上，采用现场总线后，可以从现场获得更多的信息。现场总线系统的信息量没有减少，甚至没有增加，而传输信息的电缆却大大减少了。这就要求一方面要大大提高电缆传输信息的能力，另一方面要在现场处理大量的信息，减少现场与控制室之间的信息往返。可以说现场总线的本质是信息处理的场景。
减少信息往返是网络设计和系统配置中的一个重要原则。减少信息往返通常可以带来改善系统响应时间的好处。所以在网络设计中，信息交换量大的节点要放在同一个分支中。
减少信息往返和减少系统电缆有时是相互矛盾的。这个时候选择还是应该以节省投资为原则。如果所选系统的响应时间允许，应选择节省电缆方案。如果所选系统的响应时间比较紧，稍微减少信息传输就足够了，那么就应该选择减少信息传输的方案。
目前，一些具有现场总线的现场仪表配备了许多功能块。虽然不同产品的同一个功能块的性能会略有不同，但是一个网络分支上有很多功能相同的功能块是客观存在的。在现场仪表上选择哪个功能块是系统组态中需要解决的问题。
考虑这个问题的原则是尽量减少公交车上的信息往返。通常，可以选择仪器上与该功能相关的信息输出最多的功能块。
3.2典型系统的比较
通过使用现场总线，用户可以大大减少现场布线，单个现场仪表可以实现多变量通信，不同厂家生产的设备可以完全互操作，现场级控制功能增加，系统集成大大简化，维护非常简单。典型的现场总线系统框图如图1所示。从图1可以看出，在传统的过程控制仪表系统中，每个现场设备需要使用一对专用双绞线来传输4~20mA信号。在图2所示的现场总线系统中，从每个现场设备到接线盒的双绞线仍然可以使用，但只有一个双绞线用于完成从现场接线盒到中央控制室的数字通信。
图1:传统过程控制系统
采用现场总线控制系统可以节省多少电缆，编辑没有计算过。但是，从与自动控制系统相关的DCS系统的电厂使用的电缆公里数中，我们看不到电缆在基建投资中所占的份额。
一座电厂，2×300MW燃煤机组。热力系统是一个单位系统。每台机组设置一座集控楼，集控楼采用机、炉、电集中控制方式。单元控制室标高为12.6米，与操作层标高一致。DCS采用wdpf-ⅱ，每台机组的设计I/O点为4500点。
图2:现场总线控制系统
电缆敷设采用EC软件，完成电缆敷设设计任务需要8人1.5个月；主厂房每台300MW机组自动化专业电缆数量为4038根；主厂房每台300MW机组自动化专业电缆长度为350km上述电缆的数量和长度不包括工厂提供的火灾报警电缆和全厂辅助生产车间的电缆；电缆桥架的立柱、桥架、小盒均采用镀锌钢，每台约95吨。其他电缆桥架，包括直通、弯通、三通、四通、盖板、终端头、调宽板、直板，均为铝合金材质，每台300MW机组约55吨。桥架配有附件(如螺栓和螺母)。
一座电厂，4×MW燃油燃气电站。热力系统是一个单位系统。集散控制系统采用TELEPERM-XP。每台机组的设计I/O点数为5804点。
电缆敷设采用EC软件，完成电缆敷设设计任务需要12人2.5个月；主厂房每台325MW机组自动化专业电缆数量为4413；主厂房每台235MW机组自动化专业电缆长度为360公里；每个单元由镀锌钢电缆槽制成，其重量约为200吨。电站中的电缆可分为六大类:高压电力电缆、低压电力电缆、控制电缆、热控电缆、弱电电缆(主要是计算机电缆)和其他电缆。如果两台300MW机组同时敷设电缆，自动化专业电缆数量约为8500根。其中，热控电缆和弱电电缆将超过5000根，约占60%(以电缆数量衡量)。
第3.3页设计、投资和使用
以上比较纯属技术层面，以下比较意在加入经济因素。
比较的前提是将DCS系统与典型的、理想的FCS系统进行比较。你为什么做出这样的假设？作为一个DCS系统，开发初期提出的技术要求已经得到了满足和完善，目前的情况是进一步完善，所以没有典型和理想的说法。作为FCS系统，在90年代才刚刚投入实际使用。作为开发初期的技术要求，还是不太理想，需要改进。这种状态与现场总线国际标准的制定无关。近十年来，公交组织一直忙于制定标准，开发产品，占领更多市场，目的是挤进国际标准，合法占领更大的市场。现在国际标准之争已经告一段落，各大公司和组织都意识到，要想真正占领市场，必须完善自己的系统和相关产品。我们可以预测，在不久的将来，完善的现场总线系统和相关产品必将成为世界现场总线技术的主流。
具体对比:
(1)DCS系统是一个大系统，其控制器功能强大，在系统中起着重要作用，而数据高速公路是系统的关键。所以整体投资必须一步到位，之后很难再扩大。然而，FCS功能的彻底分散化、现场信息处理以及数字化智能现场设备的广泛采用，使得控制器的功能和重要性相对弱化。因此，FCS系统投资起点低，可使用、可扩展、可投入运行。
(2)DCS系统是一个封闭系统，各公司产品基本不兼容。FCS系统是一个开放的系统，用户可以选择不同制造商和品牌的各种设备连接到现场总线，以实现最佳的系统集成。
(3)3)DCS系统的信息全部由二进制或模拟信号形成，必须有D/A和A/D转换。FCS系统是全数字化的，省去了D/A和A/D转换，具有高集成度和高性能，使精度从0.5%提高到0.1%。
(4)FCS系统可以将PID闭环控制功能放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2~5次提高到FCS的每秒10~20次，从而提高调节性能。
(5)DCS能控制和监视整个过程，并能自我诊断、维护和配置。但由于其自身的致命弱点，其I/O信号采用传统的模拟信号，因此无法在DCS工程师站上对现场仪表(包括变送器和执行器)进行远程诊断、维护和配置。FCS采用全数字化技术，数字化智能现场设备发送多元信息，不仅仅是单变量信息，还具有检测信息错误的功能。FCS采用双向数字通信现场总线信号系统。因此，它可以远程诊断、维护和配置现场设备(包括变送器和执行器)。FCS的这种优势是DCS无法比拟的。
(6)与DCS相比，FCS可以节省相当数量的隔离器、端子柜、I/O端子、I/O卡、I/O文件和I/O柜，还可以节省I/O设备和设备间的空间和占地面积。有专家认为60%是可以挽救的。
(7)和(6)的原因一样，FCS可以减少大量的电缆和铺设电缆的桥架，也可以节省设计、安装和维护费用。有专家认为可以节省66%。
对于第(6)点和第(7)点，需要补充的是，采用FCS系统节省投资的效果毋庸置疑，但是否如一些专家所说的达到60~66%。这些数字出现在很多文章中，编辑认为这是相互翻译的结果。目前还没有找到这些数字的原始出处，所以读者在引用这些数字时要慎重。
(8)与DCS相比，FCS配置简单，由于其标准化的结构和性能，易于安装、操作和维护。
(9)过程控制的FCS设计和开发要点。这不是作为与DCS的比较，而只是为了解释在用于过程控制或连续过程模拟的FCS的设计和开发中应该考虑的关键问题。
1)要求母线的本质安全防爆功能，而且是首要的。
2)流量、料位、温度、压力等基础监测变化缓慢，存在滞后效应。因此，节点监测不需要快速的电子响应时间，但需要复杂的模拟处理能力。这一物理特性决定了系统基本采用主从集中轮询制，技术上合理，经济上有利。
3)测量流量、料位、温度、压力等参数的物理原理是经典的，但传感器、变送器、控制器要向数字化智能化发展。
4)由于FCS是为连续过程及其仪表而开发的，所以我们应该着眼于低速总线H1的设计完善。
4.4的前景。PLC和DCS
我们已经知道有些FCS是由PLC发展而来，有些FCS是由DCS发展而来。那么，在FCS已经投入实际使用的今天，PLC和DCS的未来会如何呢？
PLC最早出现于20世纪60年代末的美国，目的是代替继电器，执行逻辑、定时、计数等顺序控制功能，建立灵活的程序控制系统。1976正式命名定义:PLC是一种用于数字控制的专用电子计算机。它利用可编程存储器存储指令，执行逻辑、顺序、定时、计数和演算等功能，并通过模拟和数字输入输出元件控制各种机器或工作程序。经过30多年的发展，PLC已经非常成熟和完善，并发展了模拟闭环控制功能。PLC在FCS系统中的地位似乎已经确定，没有太多争论。见图3:3:IEC推荐的现场总线控制系统架构。作为一个站，PLC挂在高速总线上。充分发挥PLC处理开关量的优势。此外，火电厂的辅助车间，如补给水处理车间、循环水车间、除灰除渣车间、输煤车间等。，主要受顺序控制。PLC对于顺序控制有其独特的优势。编者认为辅助车间的控制系统应基于遵循现场总线通信协议的PLC或能与FCS通信和交换信息的PLC。
图3:3:IEC推荐的现场总线控制系统架构
自从1973提出第一个基于微处理器的控制器以来，它得到了逐步的改进，最终形成了一个功能齐全、安全可靠的数字分散控制系统DCS。其性能远远优于任何控制系统。能满足火电厂DAS、MCS、SCS、APS系统的要求。目前，可以通过工业以太网建立管理网络，以满足火电厂日益增长的加强管理的需求。可以说，DCS系统的监控可以覆盖大型火电机组的全过程。
然而，自20世纪90年代FCS的出现及其实际应用以来，在公开出版物上发表了以下论点:“从现在起，新型现场总线控制系统FCS将逐步取代传统的DCS”；“当调节功能下放到现场时，传统的DCS就没有必要了，会自动消失”；未来十年，传统的4~20mA模拟信号系统将逐步被双向数字通信现场总线信号系统所取代，模拟和数字DCS的分散控制系统将被全数字现场总线控制系统FCS所取代。这些争论用一句话概括就是:功能界别将取代区议会，区议会从此消亡。
以上说法都来自权威专家，真的很有道理。数字通信是一种趋势，代表着技术进步，谁也阻挡不了。双向数字通信现场总线信号系统及其巨大的推动力加速了现场设备和控制仪表的变革，开发出越来越多功能完善的数字化智能现场设备。这些都是DCS系统所不具备的，由此给火电厂的设计、配置、组态、运行、维护和管理带来的优势和好处也是DCS系统所不能及的。而且FCS是由DCS和PLC发展而来，保留了DCS的特点，或者说FCS吸收了多年来DCS发展和现场实践的经验，包括教训。“FCS将取代DCS”的结论似乎是合乎逻辑的。
同时也应该看到，DCS系统已经发展了近30年，在火电厂得到如此广泛的应用。其设计思想、配置和功能匹配都达到了非常完善的水平(当然DCS也需要进一步发展，如先进的软件开发以满足信息集成的要求)，已经渗透到火电厂控制系统的各个领域，在FCS系统中也有所体现。从这个角度来看，似乎不能说DCS系统从此消亡。此外，如前几章所述，在FCS系统不能充分发挥其特点和优势的领域，DCS系统仍有其一席之地。
我们似乎不需要过多争论文字，但一定要强调谁会取代谁。就像现在的DCS和新的PLC，由于多年的发展和研究，保持了各自原有的特点，相互补充形成了新的系统，现在的DCS不是原来的DCS，也是一样，新的PLC也不是发展初期的PLC。我们可以说，DCS代替PLC或者PLC代替DCS显然是不合适的。
5.结论
通过以上的分析和讨论，我们可以得出以下简单的结论:FCS的出现，数字分散控制DCS并不会消亡，只是把曾经作为控制系统中心的DCS搬到了现场总线上的一个站点。也可以说，DCS处于控制系统中心的局面从此将被打破。在未来，火电厂的控制系统将是以FCS为中心的控制系统和DCS系统理念的新型控制系统。