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說(shuō)到控制系統(tǒng)很多人貌似說(shuō)得頭頭是道，繼續(xù)深究下去，什么是控制器，什么是PLC，什么是DCS，什么是FCS？三兩句話介紹完基本概念后，頓時(shí)語(yǔ)塞，怎么聊都感覺(jué)枯燥生硬。今天易維通來(lái)挑戰(zhàn)一下這個(gè)枯燥的話題，什么是DCS？歡迎留言拍磚。
我們首先可以明確的是：DCS是歷史悠久的典型控制系統(tǒng)形態(tài)?？刂葡到y(tǒng)分上下位機(jī)，上位機(jī)組態(tài)偏重GUI（圖形用戶界面），下位機(jī)組態(tài)偏重算法。
有朋友可能會(huì)問(wèn)什么是組態(tài)？
其實(shí)組態(tài)就是搭建系統(tǒng)軟件和硬件環(huán)境，再簡(jiǎn)單地說(shuō)，組態(tài)就是用已有的簡(jiǎn)單功能組合出更復(fù)雜的功能。
那上下位機(jī)又是什么呢？
舉個(gè)例子：設(shè)想自己開發(fā)一個(gè)控制系統(tǒng)。首先要做的是告訴計(jì)算機(jī)自己想干什么，然后由計(jì)算機(jī)通知控制器，最后控制器再告訴執(zhí)行器具體該怎么做。這里面我其實(shí)只跟計(jì)算機(jī)發(fā)生對(duì)話，這里的計(jì)算機(jī)就是上位機(jī)，接受計(jì)算機(jī)指令的控制器就是下位機(jī)。
其實(shí)計(jì)算機(jī)和控制器本質(zhì)上說(shuō)都是計(jì)算機(jī)，只是外在表現(xiàn)形式，應(yīng)用環(huán)境和編程方式的差異，導(dǎo)致我們必須采取一些便于理解的命名方式。上位機(jī)要跟人互動(dòng)，所以偏重GUI，有顯示器或觸摸屏、鼠標(biāo)和鍵盤燈外設(shè)等人機(jī)交互設(shè)備。下位機(jī)要跟執(zhí)行機(jī)構(gòu)互動(dòng)，所以偏重算法，人們要把需求編寫成可執(zhí)行的程序下載到下位機(jī)，上位機(jī)給出的指令觸發(fā)下位機(jī)程序執(zhí)行，下位機(jī)更像是一個(gè)黑盒子，執(zhí)行過(guò)程中人們無(wú)法直觀的看到每一個(gè)過(guò)程和步驟，只能對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，對(duì)不對(duì)，準(zhǔn)不準(zhǔn)，好不好。
那組態(tài)和上下位機(jī)跟DCS有什么關(guān)系呢？
Distributed Control System-->DCS（分布式控制系統(tǒng)），因?yàn)镈CS也是控制系統(tǒng)，遵循控制系統(tǒng)的基本形態(tài)，也有上下位機(jī)，也要進(jìn)行軟件和硬件組態(tài)。Distributed分布式是講DCS這個(gè)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和差異化。
因此我們要搞明白什么是DCS就要從分布式這個(gè)特點(diǎn)開始。
1 DCS的進(jìn)化史
人們普遍認(rèn)為任何事物要分析他們的特點(diǎn)和差異化，就要回答兩個(gè)哲學(xué)問(wèn)題。
1）從哪里來(lái)？2）到哪里去？
同理，我們想知道什么是DCS，什么是分布式，就離不開DCS的進(jìn)化史和發(fā)展方向。
接下來(lái)我們從四次工業(yè)革命對(duì)過(guò)程工業(yè)控制系統(tǒng)的影響來(lái)聊一聊DCS的進(jìn)化和發(fā)展。幫助大家更深刻的理解DCS。
第一次工業(yè)革命，蒸汽時(shí)代，自動(dòng)控制只能完成很簡(jiǎn)單的功能。按物理點(diǎn)位計(jì)算，只是現(xiàn)在的DI和DO，能實(shí)現(xiàn)的功能是：開和關(guān)，也就是一臺(tái)機(jī)車的啟停而已。最多就是在一些外設(shè)機(jī)械設(shè)備參與下實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和簡(jiǎn)單的速度控制。家喻戶曉的瓦特公認(rèn)為是蒸汽機(jī)的發(fā)明者，但其實(shí)蒸汽機(jī)的出現(xiàn)比瓦特出生還要早許多，而最初期的DCS還跟蒸汽機(jī)有密切的關(guān)系，這是為什么呢？關(guān)于這段故事，易維通新上線的【4堂課丨實(shí)現(xiàn)DCS系統(tǒng)快速入門】中，DCS高級(jí)工程師文杞梓和您細(xì)細(xì)分享。
第二次工業(yè)革命，電氣化時(shí)代，諸如繼電器等電子設(shè)備普及，人們開始在現(xiàn)場(chǎng)就地控制一些大型設(shè)備。和之前對(duì)比改善在于，比如一個(gè)設(shè)備特別大，我用了就地控制就不用爬上設(shè)備去做啟停操作了。再后來(lái)，人們還覺(jué)得麻煩，因?yàn)閺倪@個(gè)設(shè)備跑到那個(gè)設(shè)備進(jìn)行操作也很麻煩。所以，就把這些需要控制的按鈕都放在一個(gè)屋子里，再裝上簡(jiǎn)單的指示燈，操作員盯著顯示屏上一大堆指示燈，隨時(shí)準(zhǔn)備按下操作臺(tái)上一排排的啟停按鈕。
第三次工業(yè)革命，信息時(shí)代，隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，控制系統(tǒng)一直發(fā)展，形成了成熟的集中控制系統(tǒng)，到現(xiàn)在CCR（Central Control Room）也可以叫做集控中心。為什么后來(lái)又分散了？因?yàn)槿藗儼l(fā)現(xiàn)集中控制會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題，當(dāng)點(diǎn)位過(guò)于集中，控制規(guī)模過(guò)大的時(shí)候，如果某一個(gè)關(guān)鍵路徑（模塊）出現(xiàn)問(wèn)題，可能導(dǎo)致很大一片控制區(qū)域癱瘓。這是中央集權(quán)制度的通病，一倒一大片。所以，人們考慮把硬件做的分散一些，并且分散到控制區(qū)域附近，增加操作員站，并且保留CCR。其中操作員站處理現(xiàn)場(chǎng)具體事務(wù)，CCR監(jiān)管整個(gè)控制區(qū)域的銜接、協(xié)調(diào)事務(wù)。人們依然在控制室里面，但整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行卻更穩(wěn)定了。
除此之外，為了提高通信效率，通過(guò)完善，又進(jìn)化出了新種族FCS（Fildebus Control System，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)）意思是說(shuō)原來(lái)你為了通信要為每一種甚至每一個(gè)控制組建配備一名類似通訊員一樣的角色，可機(jī)構(gòu)太臃腫、隊(duì)伍太龐大導(dǎo)致效率低下，所以取消一對(duì)一的通信，大家都通過(guò)指定機(jī)構(gòu)完成所有通信工作，這個(gè)指定機(jī)構(gòu)就是現(xiàn)場(chǎng)總線（Fildebus）。
第四次工業(yè)革命，物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，人們做了很多完善工作，讓控制系統(tǒng)看上去更高大上一些，更多決策輔助，更多數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析。于是分支出或添加了許多功能比如OEE、MES、ERP…
隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，最近又出來(lái)個(gè)新控制系統(tǒng)：ICS，大致思路是系統(tǒng)功能化、硬件模塊化、組織機(jī)構(gòu)扁平化…
2 DCS的系統(tǒng)構(gòu)成
以上說(shuō)了DCS的進(jìn)化史，有點(diǎn)務(wù)虛了，朋友們會(huì)問(wèn)，那現(xiàn)在DCS的基本形態(tài)和構(gòu)成是怎樣的呢？相信下面這張圖能夠很直觀的解釋DCS是什么、干什么用的。
舉個(gè)例子：因?yàn)槟硞€(gè)工藝需要，水箱液位需要保持在一定范圍內(nèi)，當(dāng)水箱液位出現(xiàn)較大波動(dòng)且超出此范圍后，可以選擇去現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)調(diào)節(jié)控制水位的閥門，也可以通過(guò)DCS發(fā)出指令去調(diào)節(jié)。
就如下圖所示，DCS相當(dāng)于大腦，對(duì)眼睛看到的情況（即現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)，如水位降低）做出反應(yīng)（即發(fā)出指令，如增大進(jìn)水閥開度），現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行設(shè)備接受到指令做出相應(yīng)的動(dòng)作（如增大進(jìn)水閥門開度，保持水位在一定范圍）。
舉了的這些個(gè)例子，好像都是過(guò)程工業(yè)范疇的，那么例如汽車等離散制造業(yè)呢？在那里有另外一個(gè)明星產(chǎn)品PLC。下一次，我們就來(lái)談一談什么是PLC。
PLC和DCS在工業(yè)自動(dòng)化控制中占有舉足輕重的地位，而工業(yè)自動(dòng)化控制是國(guó)家工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的核心。PLC以及DCS在工業(yè)控制的各個(gè)環(huán)節(jié)中不斷的升級(jí)、完善，已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)制造中不可或缺的工具。
1、DCS和PLC的定義
DCS控制系統(tǒng)，在國(guó)內(nèi)自控行業(yè)又稱之為集散控制系統(tǒng)。即所謂的分布式控制系統(tǒng)，是相對(duì)于集中控制系統(tǒng)而言的一種新型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，它是在集中控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展、演變而來(lái)的。
DCS作為一個(gè)集過(guò)程控制和過(guò)程監(jiān)控為一體的計(jì)算機(jī)綜合系統(tǒng)，在通信網(wǎng)絡(luò)的不斷帶動(dòng)下，DCS系統(tǒng)已經(jīng)成為了一個(gè)綜合計(jì)算機(jī)，通信、顯示和控制等4C技術(shù)的完整體系。其主要特點(diǎn)是分散控制、集中操作、分級(jí)管理、配置靈活以及組態(tài)方便。
現(xiàn)如今的DCS系統(tǒng)可以廣泛地用于工業(yè)裝置的生產(chǎn)控制和經(jīng)營(yíng)管理，在化工、電力、冶金等流程自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)十分普及。
PLC，即邏輯可編程控制器，是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程，是工業(yè)控制的核心部分。
2、DCS和PLC控制器的差別
DCS和PLC控制器的主要差別是在開關(guān)量和模擬量的運(yùn)算上，即使后來(lái)兩者相互有些滲透，但是仍然有區(qū)別。80年代以后，PLC除邏輯運(yùn)算外，也增加了一些控制回路算法，但要完成一些復(fù)雜運(yùn)算還是比較困難，PLC用梯形圖編程，模擬量的運(yùn)算在編程時(shí)不太直觀，編程比較麻煩。但在解算邏輯方面，表現(xiàn)出快速的優(yōu)點(diǎn)。而DCS使用功能塊封裝模擬運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，無(wú)論是邏輯運(yùn)算還是復(fù)雜模擬運(yùn)算的表達(dá)形式都非常清晰，但相對(duì)PLC來(lái)說(shuō)邏輯運(yùn)算的表達(dá)效率較低。
3、DCS和PLC在火電廠的應(yīng)用
在火電廠熱工自動(dòng)化領(lǐng)域，DCS和PLC是兩個(gè)完全不同而又有著千絲萬(wàn)縷聯(lián)系的概念。DCS和PLC都是計(jì)算機(jī)技術(shù)與工業(yè)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，火電廠主機(jī)控制系統(tǒng)用的是DCS，而PLC主要應(yīng)用在電廠輔助車間。DCS和PLC都有操作員站提供人機(jī)交互的手段、都依靠基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的控制器完成控制運(yùn)算、都通過(guò)I/O卡件完成與一次元件和執(zhí)行裝置的數(shù)據(jù)交換、都具備稱之為網(wǎng)絡(luò)的通信系統(tǒng)。
隨著國(guó)內(nèi)電廠裝機(jī)容量的不斷擴(kuò)大及電力系統(tǒng)改革的推進(jìn)，對(duì)輔助車間控制的要求也不斷提高，在這個(gè)大環(huán)境，DCS系統(tǒng)進(jìn)入輔助車間控制已成為趨勢(shì)。NT6000DCS因其綜合的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)并將繼續(xù)在輔助車間控制方面發(fā)揮越來(lái)越大的作用。
在輔助車間應(yīng)用廣泛的PLC也并不會(huì)就此退出熱工自動(dòng)化的歷史舞臺(tái)，前所未有的競(jìng)爭(zhēng)壓力，將會(huì)促使PLC廠商在技術(shù)上向DCS標(biāo)準(zhǔn)靠攏，在價(jià)格上作出更大的努力。DCS和PLC市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果，將會(huì)使用戶獲得更大的利益。
4、DCS和PLC的控制處理能力
一個(gè)PLC的控制器，往往能夠處理幾千個(gè)I/O點(diǎn)（最多可達(dá)8000多個(gè)I/O）。而DCS的控制器，一般只能處理幾百個(gè)I/O點(diǎn)（不超過(guò)500個(gè)I/O）。
從集散體系的要求來(lái)說(shuō)，不允許有控制集中的情況出現(xiàn)，太多點(diǎn)數(shù)的控制器在實(shí)際應(yīng)用中是毫無(wú)用處的，DCS開發(fā)人員根本就沒(méi)有開發(fā)帶很多I/O點(diǎn)數(shù)控制器的需要驅(qū)動(dòng)，他們的主要精力在于提供體系的可靠性和靈活性。而PLC不一樣，作為一個(gè)獨(dú)立的柔性控制裝置，帶點(diǎn)能力越強(qiáng)當(dāng)然也就代表其技術(shù)水平越高了，至于整個(gè)控制體系的應(yīng)用水平呢，這主要是工程商和用戶的事情，而不是PLC制造商的核心目標(biāo)。控制處理能力的另一個(gè)指標(biāo)，運(yùn)算速度，在人們印象當(dāng)中PLC也比DCS要快很多。
新型的DCS控制器學(xué)習(xí)了大型PLC的設(shè)計(jì)，在控制周期方面的表現(xiàn)獲得了大幅度的提高。以NT6000DCS的T2550控制器為例。控制器可以設(shè)置四個(gè)不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，最小運(yùn)算周期可以設(shè)為10ms，配合高速I/O卡件，控制周期能夠達(dá)到15~20ms。而模擬量運(yùn)算設(shè)置在其它周期較長(zhǎng)的任務(wù)中。
5、DCS和PLC的市場(chǎng)情況和發(fā)展方向
在熱工自動(dòng)化領(lǐng)域，主廠房控制系統(tǒng)基本上毫無(wú)例外地使用DCS。而在輔助車間才使用PLC。其主要原因是早期的DCS系統(tǒng)非常昂貴，人們認(rèn)為輔助車間的運(yùn)行可以間斷，可靠性要求不是很高，且模擬量控制要求較少，從降低成本的角度出發(fā)，往往選擇PLC來(lái)構(gòu)建控制系統(tǒng)。而鍋爐、汽機(jī)和發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)，要求長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，信號(hào)中含有相當(dāng)比例的模擬量，從系統(tǒng)的性能出發(fā)，人們不得不選擇了昂貴的DCS。
另外，分析一下主廠房DCS和輔助車間控制系統(tǒng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)情況，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象。主廠房DCS的競(jìng)爭(zhēng)往往在不同品牌的供應(yīng)商或代理商之間展開，競(jìng)爭(zhēng)激烈，DCS的價(jià)格不斷下調(diào)。而輔助車間控制系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)往往在同一品牌PLC的各個(gè)工程商之間進(jìn)行，門檻較低，競(jìng)爭(zhēng)更加激烈，但是PLC的價(jià)格下調(diào)幅度卻并不如DCS明顯。主要原因是DCS的生產(chǎn)商直接參與競(jìng)爭(zhēng)，在巨大的市場(chǎng)壓力下，不斷下調(diào)設(shè)備制造費(fèi)用和工程實(shí)施費(fèi)用。而PLC的生產(chǎn)商不直接參與競(jìng)爭(zhēng)，各個(gè)工程商只能下調(diào)自身有限的工程費(fèi)用，空間有限。從現(xiàn)在情況看來(lái)，DCS與高檔PLC的價(jià)格差距已不明顯，輔助車間仍然較多地采用PLC，是市場(chǎng)的慣性使然。
PLC和DCS產(chǎn)品市場(chǎng)可謂風(fēng)起云涌、競(jìng)爭(zhēng)激烈?？v觀PLC市場(chǎng)群星璀璨：世界上有200多家公司生產(chǎn)400多個(gè)品種系列的PLC，應(yīng)用于電力、石油石化、冶金、材料、包裝、造紙、汽車和市政各個(gè)行業(yè)。從行業(yè)角度來(lái)看，國(guó)外廠商占山為王，有著屬于各自的勢(shì)力范圍。
DCS市場(chǎng)與PLC相差無(wú)幾，基本由國(guó)外業(yè)內(nèi)強(qiáng)者所把持，可喜的是一批本土廠商如Hollysys、Supcon、Xinhua等企業(yè)逐漸發(fā)展壯大。由于DCS技術(shù)含量高，很多對(duì)產(chǎn)品的需求都建立在項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，這樣對(duì)DCS的需求也將是一個(gè)周期性較長(zhǎng)的過(guò)程，因此DCS市場(chǎng)格局短時(shí)間內(nèi)難有較大改變。當(dāng)然，由于行業(yè)發(fā)展速度的不規(guī)律性，側(cè)重行業(yè)不同的公司可能會(huì)因此而發(fā)生一些變化。
在今后的控制系統(tǒng)的發(fā)展中，我們將會(huì)看到DCS和PLC技術(shù)逐漸融合的局面，這對(duì)它們各自的發(fā)展以及各行各業(yè)的發(fā)展都有種促進(jìn)的作用。
plc和dcs的區(qū)別
1、從發(fā)展的方面來(lái)說(shuō)：
DCS從傳統(tǒng)的儀表盤監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)。因此，DCS從先天性來(lái)說(shuō)較為側(cè)重儀表的控制，比如我們使用的YOKOGAWA CS3000 DCS系統(tǒng)甚至沒(méi)有PID數(shù)量的限制（PID，比例微分積分算法，是調(diào)節(jié)閥、變頻器閉環(huán)控制的標(biāo)準(zhǔn)算法，通常PID的數(shù)量決定了可以使用的調(diào)節(jié)閥數(shù)量）。 PLC從傳統(tǒng)的繼電器回路發(fā)展而來(lái)，最初的PLC甚至沒(méi)有模擬量的處理能力，因此，PLC從開始就強(qiáng)調(diào)的是邏輯運(yùn)算能力。
2、從系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和兼容性的方面來(lái)說(shuō)：
市場(chǎng)上控制類產(chǎn)品繁多，無(wú)論DCS還是PLC，均有很多廠商在生產(chǎn)和銷售。對(duì)于PLC系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一般沒(méi)有或很少有擴(kuò)展的需求，因?yàn)镻LC系統(tǒng)一般針對(duì)于設(shè)備來(lái)使用。一般來(lái)講，PLC也很少有兼容性的要求，比如兩個(gè)或以上的系統(tǒng)要求資源共享，對(duì)PLC來(lái)講也是很困難的事。而且PLC一般都采用專用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，比如西門子的MPI總線性網(wǎng)絡(luò)，甚至增加一臺(tái)操作員站都不容易或成本很高。
DCS在發(fā)展的過(guò)程中也是各廠家自成體系，但大部分的DCS系統(tǒng)，比如橫河YOKOGAWA、霍尼維爾、ABB等等，雖說(shuō)系統(tǒng)內(nèi)部（過(guò)程級(jí)）的通訊協(xié)議不盡相同，但操作級(jí)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)不約而同的選擇了以太網(wǎng)絡(luò)，采用標(biāo)準(zhǔn)或變形的TCP/IP協(xié)議。diangon.com這樣就提供了很方便的可擴(kuò)展能力。在這種網(wǎng)絡(luò)中，控制器、計(jì)算機(jī)均作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)存在，只要網(wǎng)絡(luò)到達(dá)的地方，就可以隨意增減節(jié)點(diǎn)數(shù)量和布置節(jié)點(diǎn)位置。另外，基于windows系統(tǒng)的OPC、DDE等開放協(xié)議，各系統(tǒng)也可很方便的通訊，以實(shí)現(xiàn)資源共享。
3、從數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)說(shuō)：
DCS一般都提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)。換句話說(shuō)，在DCS系統(tǒng)中一旦一個(gè)數(shù)據(jù)存在于數(shù)據(jù)庫(kù)中，就可在任何情況下引用，比如在組態(tài)軟件中，在監(jiān)控軟件中，在趨勢(shì)圖中，在報(bào)表中……而PLC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)通常都不是統(tǒng)一的，組態(tài)軟件和監(jiān)控軟件甚至歸檔軟件都有自己的數(shù)據(jù)庫(kù)。為什么常說(shuō)西門子的S7 400要到了414以上才稱為DCS？因?yàn)槲鏖T子的PCS7系統(tǒng)才使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)，而PCS7要求控制器起碼到S7 414-3以上的型號(hào)。
4、從時(shí)間調(diào)度上來(lái)說(shuō)：
PLC的程序一般不能按事先設(shè)定的循環(huán)周期運(yùn)行。PLC程序是從頭到尾執(zhí)行一次后又從頭開始執(zhí)行。（現(xiàn)在一些新型PLC有所改進(jìn)，不過(guò)對(duì)任務(wù)周期的數(shù)量還是有限制）而DCS可以設(shè)定任務(wù)周期。比如，快速任務(wù)等。同樣是傳感器的采樣，壓力傳感器的變化時(shí)間很短，我們可以用200ms的任務(wù)周期采樣，而溫度傳感器的滯
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