PLC與DCS的工程性分析比較

1 plc的定義

plc（programmer logic controller）稱為可編程序控制器，它是按照成熟而有效的繼電器控制概念和設計思想，利用不斷發展的新技術、新電子器件，逐步形成了具有特色的各種系列產品，是一種數字運算操作的電子計算機。它是將邏輯運算，順序控制，時序和計數以及算術運算等控制程序，用一串指令的形式存放到存儲器中，然后根據存儲的控制內容，經過模擬，數字等輸入輸出部件，對生產設備和生產過程進行控制的裝置。

2 plc的發展歷程  

1969年dec公司按照gm（美國通用汽車公司）的要求研制了世界上*臺plc并且在gm公司得到成功的應用。此后gould modicon公司使plc商品化。plc是專門設計出來用于同繼電器產品競爭并逐步取代了傳統的繼電器。plc作為一種工業計算機，經歷了以下幾個發展的歷程。

1969－1972為*階段，是plc的初期階段，在該階段的各廠家的plc差別很大、沒有統一的硬件和軟件標準、功能簡單、性強，硬件主要以分離元件為主，體積較大、性能較差、可靠性不高。

1972-1987為第二階段，在該階段plc逐步演化為一種的工業計算機，可靠性大大提高，成本大幅度降低，面向過程的梯形圖和語句表語言面世，系統逐步向標準化過渡，這些都為plc的普及奠定了基礎。 1981-至今，iec正式發表了plc的標準，各廠家的plc都向規范化發展。梯形圖、語句表、sfc語言已經成熟，同時還有和編程語言的接口，其存儲能力、運算速度、對模擬量的處理功能已經大大加強，現在的大中型plc已經具有以前dcs所“*”的經典pid算法、斜坡函數、自適應算法、模糊控制等算法。

3 plc特點和功能

（1）plc的主要特點。plc的特點是：工作可靠、運行速度快、積木式結構、組合靈活、良好的兼容性、程序編制及生成簡單、豐富、網絡功能強。

（2）plc的主要功能。plc系統能很好的完成工業實時順序控制、條件控制、記數控制、步進控制等功能；能夠完成模/數（a/d）、數/模（d/a）轉換、數據處理、通訊聯網、實時監控等功能。 多年的實踐表明，plc耐用、可靠，是專為工廠設計的，具有根據工作環境要求加固的元件，實時掃描實踐及故障診斷功能，故障排除簡便，深得用戶偏愛。

plc如此可靠的原因是一個可執行繼電器邏輯、順序功能圖、功能塊、結構文本、命令目錄或其組合的實時核心或操作系統。若出現故障，其內置安全裝置能保持機械受損，且能保持有序、有預見的順序。2.4 plc的發展趨勢 由于plc有極快的邏輯運算和*的邏輯控制、順序控制能力，在離散控制中有的可靠性，方便簡單易學的編程方法，使其在以離散為主的工業自動化領域中有*的。隨著目前的plc技術的逐步發展，plc已經具備了傳統dcs所具有的pid算法、模糊控制、自適應控制等，使其具備了相當的過程控制的功能。

     plc技術發展的zui終趨勢仍然是人們所爭論的焦點之一。隨著工業控制發展的要求和其技術的不斷發展，plc正迎來其成熟期，以下功能將逐步增強：

（1）小型化。控制設備的小型化將有利于有效的活用工廠的空間，同時可以削減設備消耗的材料費、設置工數、運輸費用等成本。

（2）互換性。plc的歷史已經比較久遠，至今為止已經積累了很多硬件和軟件資產，因此，在針對用戶的要求，在改進控制器的同時，要盡可能的有效活用已有的資產。

（3）開放化。plc一般總是使用梯形圖邏輯控制程序，現在，所有類型的其他產品正在努力獲得并使用一些或者全部與iec 61131-3標準兼容的程序設計語言，包括梯形圖邏輯圖表、功能模塊圖表、順序功能圖表、結構化文本和指令表等程序設計語言。

（4）高性能化。plc的性能隨著設備技術的進步而不斷進步。以前用多個plc執行的控制，現在集中在一臺高速、大容量的plc上，以降低設備的成本，以便增強設備的競爭力，提高產品的附加價值。

（5）開放式網絡系統。根據生產目的，沒有浪費的系統構成，對于設備的變更和擴張可以迅速的做出反應的工廠柔性系統構造非常必要。

將控制系統和信息系統有機的結合在一起，無論從那里都能自由的訪問的無縫網絡顯得格外重要。 工業計算機控制領域，圍繞開放與再開放過程控制系統、開放式過程控制軟件、開放性數據通信協議，已經發生巨大變革，幾乎到處都有plc，但這種趨勢也許不會繼續發展下去。隨著軟plc(softplc)控制組態軟件技術的誕生與進一步完善和發展，安裝有softplc組態軟件和基于工業pc控制系統的*正在逐步得到增長，這些事實使傳統plc供應商在思想上已經發生了戲劇性的變化，他們必須面對現實，在傳統plc的技術發展與提高方面做出更加開放的高姿態。對于控制軟件來講，這是plc控制器的核心，plc供應商正在向工業用戶提供開放式的編程組態工具軟件，而且對于工業用戶表現得非常積極。此外，開放式通信網絡技術也得到了突破，其結果是將plc融入更加開放的工業控制行業。

（6）過程控制和管理功能。隨著plc、dcs和ipc（工業現場控制用計算機）之間的競爭逐步加強，各plc廠家正在逐步將傳統dcs所*的過程控制功能逐步移植到plc中，使其在過程控制領域能夠與dcs進行競爭，這方面plc已經取得了很大的成果。為了滿足生產管理的需要,各plc廠家也在其軟件開發上增加了管理軟件，通過與其plc 的實時通訊采集現場數據并通過相應的軟件完成生產管理所需要的管理功能。

dcs體系結構

1 dcs的定義

dcs是分布式控制系統（distributed control system）的簡稱，亦稱為集散控制系統，它是由回路儀表控制系統發展而來，是在計算機、通訊、控制和crt技術迅速發展的基礎上產生的。

2 dcs的發展歷程

20世紀60年代以后，隨著生產工程的大型化和復雜化，誕生了計算機集中監視和控制的集中控制系統。集中控制方便了監視、操作和管理，同樣也使危險性高度集中，系統一旦故障，對裝置造成的影響和危險性都是非常大的。隨著微處理機的誕生，為新型控制系統的開放創造了無比*的條件。1975年，隨著計算機、通訊、控制和crt 4c技術的不斷發展和完善，美國honeywell向推出了分散控制系統tdc-2000，從*套dcs誕生至今，dcs系統已經經歷了3個發展階段。

1975至1980年為初創階段。由于軟硬件技術的限制，此時的dcs系統性能還不十分完善，硬件結構還不十分成熟。

1981至1987年為第2個階段。這一時期容錯、冗余技術已經成熟使用，系統可靠性很高，性能十分*，各種控制功能十分豐富。在該階段dcs從單純的工業過程自動化控制向生產管理自動化發展。這一代的dcs主要將lan（local area network）技術引入，使dcs的網絡功能大大加強。1987至今為第3個發展階段。各廠家采用標準化組織（iso）開放系統互連（osi）結構基礎上產生制造自動化協議（map）標準來解決不同機型的互連問題。 dcs系統在硬件上使用了更*的cpu及冗余技術，存儲容量及通訊速度大幅度提高，軟件上采用通用操作系統。在該階段dcs將控制、監督和管理調度有機結合起來，實現了各種生產經營信息的自動化管理。

3 dcs的特點和功能

（1）dcs的主要特點。dcs具有以下主要特點：控制與顯示分離；采用網絡通信技術；完備的開放系統；可靠性高；具有綜合性和專業性；實現了人機對話技術；系統擴展靈活；管理能力強。

（2）dcs的主要功能。dcs系統能很好的完成工業連續控制、回路儀表控制等，dcs多年的實踐表明，其在連續控制領域已經成為一種成熟的技術和完善的控制系統，同時其友好的人機界面、建立在冗余技術上的可靠性、強大的網絡功能、單一的數據庫、組態靈活等特點得到了廣大用戶的好評。

4 dcs的發展趨勢

dcs在連續控制領域有這極其重要的地位，到目前為止，對于dcs未來發展問題有許多爭論，但下面的幾個問題是大多數認識認為dcs急需解決的問題；

（1）開放性。關于開放性，這個問題是制約dcs發展的一個很大的因素，由于dcs各廠家對于自己的網絡協議和系統軟件采取嚴格的保密措施，這就造成了如果別的廠家的plc或其它的控制設備就不可能很好的無縫的接入dcs控制系統，往往需要經過復雜的協議轉換，得到的通訊速率和通訊能力都很不理想，例如honeywell公司的tps系統和ab公司的plc5系列的plc進行通訊就需要通過串口并加上雙方為通訊開發出來的輔助設備來實現，但當通訊量較大時，其實時性就大大降低，這個問題就阻礙了dcs的應用領域和競爭力。目前一些dcs廠家已經意識到該問題的嚴重性，目前honeywell公司主推的pks控制系統就采取了controlnet的通訊網絡，舍棄了傳統的lcn網，且采用了服務器結構的形式，使其開放性大大加強。除去通信問題以外，操作系統、數據庫、人機界面、控制策略的組態等方面，都有開放性問題，所以隨著技術進步，dcs的開放性需要逐漸加強，而且還應發揮其特色，使分散型計算機控制系統，從傳統dcs中解放出來，使dcs與cips系統的調度層、管理層、決策層（輔助決策層）進行無縫連接，將dcs的相關信息上傳，使其實時數據庫、歷史數據庫為上述３層所共用，避免重復建庫，為*控制和優化建好平臺，與上層的關系數據庫共享數據，真正實現管控一體化。

（2）價格。關于價格，當然應從性能價格比、產品生命周期及用戶根據實際生產裝置的自控要求對dcs進行選型、工程費用、維修費用等方面綜合考慮。更重要的是目前plc系統、工控機系統（ipc）的價格都是以廉價著稱，所以dcs廠商在這方面面臨的形勢很嚴峻，今后dcs應在降低成本、減少維修費用、發展遠程診斷和維護及完善服務體系等方面多下功夫，應對plc和ipc與之的競爭。

4.plc與dcs的工程性分析比較

dcs和plc的設計原理區別較大，plc是由繼電器控制原理發展起來的，它以存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和運算等操作的指令；并通過數字輸入和輸出操作，來控制各類機械或生產過程。用戶編制的控制程序表達了生產過程的工藝要求，并事先存入plc的用戶程序存儲器中。運行時按存儲程序的內容逐條執行，以完成工藝流程要求的操作。plc的cpu內有指示程序步存儲地址的程序計數器，在程序運行過程中，執行一步該計數器自動加1，程序從起始步（步序號為零）起依次執行到zui終步（通常為end指令），然后再返回起始步循環運算。plc每完成一次循環操作所需的時間稱為一個掃描周期。不同型號的plc，循環掃描周期在1微秒到幾十微秒之間。程序計數器這樣的循環操作，這是dcs所沒有的。這也是使plc的冗余不如dcs的原因。dcs是在運算放大器的基礎上得以發展的。把所有的函數和過程變量之間的關系都做成功能塊（有的dcs系統稱為膨化塊）。dcs和plc的表現的主要差別是在開關量的邏輯解算和模擬量的運算上，即使后來兩者相互有些滲透，但是還是有區別。80年代以后，plc除邏輯運算外，控制回路用的算法已經大大加強，但 plc用梯形圖編程，模擬量的運算在編程時不太直觀，編程比較麻煩。但在解算邏輯方面，表現出快速的優點，在微秒量級，解算1k邏輯程序不到1毫秒。它把所有的輸入都當成開關量來處理，16位（也有32位的）為一個模擬量。而dcs把所有輸入都當成模擬量，1位就是開關量。解算一個邏輯是在幾百微秒至幾毫秒量級。對于plc解算一個pid運算在幾十毫秒，這與dcs的運算時間不相上下。

在接地電阻方面，對plc也許要求不高，但對dcs一定要在幾歐姆以下（通常在4歐姆以下）。模擬量隔離也是非常重要的。

相同i/o點數的系統，用plc比用dcs，其成本要低一些（大約能省40%左右）。plc沒有操作站，它用的軟件和硬件都是通用的，所以維護成本比dcs要低很多。如果被控對象主要是設備連鎖、回路相對很少，采用plc較為合適。如果主要是模擬量控制、并且函數運算很多，采用dcs。dcs在控制器、i/o板、通訊網絡等的冗余方面，一些運算、行業的特殊要求方面都要比plc好的多。plc由于采用通用監控軟件，在設計企業的管理信息系統方面，要容易一些。

5.結束語

plc和dcs都已經成為工業控制系統的主流。plc和dcs都是在計算機技術、通訊技術、電子技術基礎上產生的，其可靠性高、編程方便、運行簡單等優點，使它們已經成為工業控制的主流。

在目前市場經濟的前提下，無論什么控制系統都要遵循開放的原則，plc在開放性方面遠遠走在dcs的前面，其網絡協議的相對開放、界面軟件的通用等已經成為plc競爭的一大優勢，而且目前plc的過程控制能力和管理功能大大加強，大有取代dcs的勢頭。dcs由于歷史原因，其開放性遠遠不能滿足目前客戶所提出的要求，如果dcs不在該方面快速發展，等到plc發展到一定的程度，dcs的命運可想而知！