DCS系统与PLC系统的特点浅析

黄晓峰，林清俊，陈福利

HUANG Xiao-feng1,LIN Qing-jun1,CHEN Fu-li2

（1. 北京机械工业自动化研究所，北京 100120；2. 涿神公司 设计部电气室，涿州 072750）

0 引言

DCS与PLC 都是应用于自控领域的控制系统。随着工业技术的快速发展，工业自动化程度越来越高，对自动控制系统的可靠性、可操作性的要求越来越高。有许多人在选择控制系统时对选择DCS还是PLC，哪一种更适合自己的需求很难决定。以下针对这种情况，对DCS 与PLC 系统的发展、基本结构、配置、应用等进行比较和分析。

1）集散控制系统DCS（Distributed Control System）是基于“4C”技术（Computer Control Communication CRT）在20 世纪70 年代中期出现的新型工业控制系统。采用分布式的计算机系统结构，目的是为了减少风险，提高系统可靠性。它将整个控制系统按照区域、功能和回路作适当分解，再通过总线或通讯网络将它们连接为有机整体。1975 年Honeywell 公司推出了第一套DCS控制系统，首先被应用于石油化工行业。

2）可编程控制器PLC（Programmable Logic Controller）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下使用而设计的。工业生产过程中大量的开关量的顺序控制按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制及大量离散量的数据采集，这些功能传统上是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。

1 结构及特点

1）DCS 是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合的产物。从结构上划分，DCS 包括过程级、操作级和管理级。过程级主要由过程控制站、I/ O 单元和现场仪表组成，是系统控制功能的主要实施部分。操作级包括：操作员站和工程师站，完成系统的操作和组态。管理级主要是指工厂管理信息系统（MIS系统），作为DCS更高层次的应用，目前国内应用这一系统的行业较少。

DCS 的关键技术在于网络，从上到下是树状拓扑和并行连续的链路结构，中间站联接计算机、现场仪器仪表和控制装置。

PLC从结构上分为固定式和组合式（模块式）2 种。固定式PLC 包括CPU板、I/ O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU 模块、I/ O 模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

PLC的关键技术在于其内部固化了一个能解释梯形图语言的程序及辅助通讯程序，梯形图语言的解释程序的效率决定了PLC 的性能，通讯程序决定了PLC 与外界交换信息的难易。对于简单的应用，通常以独立控制器的方式运作，不需与外界交换信息，只需内部固化有能解释梯形图语言的程序即可。

2）在网络方面DCS 网络是整个系统的中枢神经，和利时公司的MACS 系统中的系统网采用的是双冗余的100Mbps的工业以太网，采用国际标准协议TCP/ IP。它是安全可靠双冗余的高速通讯网络，系统的拓展性与开放性更好。而PLC 因为基本上都为个体工作，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，网络协议也经常与国际标准不符。在网络安全上PLC 没有很好的保护措施。

3）DCS 整体考虑方案。操作员站都具备工程师站的功能，站与站之间在运行方案程序下装后是一种紧密联合的关系，任何站、任何功能、任何被控装置之间都是相互连锁控制协调控制的。DCS 可以控制和监视工艺全过程，对自身进行诊断、维护和组态。但是，由于自身的致命弱点，其I/ O 信号采用传统的模拟量信号，因此，它无法在DCS 工程师站上对现场仪表（比如变送器、执行器等）进行远方诊断、维护和组态。当采用现场总线仪表时才能通过现场测控站对现场仪表进行诊断和维护。

原来单用PLC 互相连接构成的系统，其站与站（PLC 与PLC）之间的联系是一种松散的连接方式，做不出协调控制的功能。现在的PLC 可以采用共同的上位机，使用PLC 网络（如Siemens 公司的SINEC - L1、SINEC - H1、S4、S5、S6、S7等，GE 公司的GENET、三菱公司的MELSEC - NET、MELSEC- NET/MINI 等）来协调控制。

4）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。缺点是成本高，各公司产品不能互换，不能相互操作。DCS系统是各家不同的，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。

5）在安全性上DCS 系统为保证控制设备的安全可靠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动的切换为工作单元，保证整个系统的安全可靠连续工作。PLC 所搭接的系统基本没有冗余的概念，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 系统安全可靠性更高。

6）系统软件。对各种工艺控制方案进行更新是DCS的一项最基本的功能。当某个方案发生变化后，工程师只需要在工程师站上将更改过的方案编译后执行下装命令就可以了。下装过程是由系统自动完成的，不影响原控制方案运行。对于PLC 构成的系统来说，工作量极其庞大，首先需要确定所要编辑更新的是哪个PLC，然后要用与之对应的编译器进行程序编译，最后再用专用的机器（读写器）专门一对一的将程序传送给这个PLC。在系统调试期间，调试时间长和调试成本高，而且极其不利于日后的维护，在控制精度上也相差甚远。因此在大中型控制项目中（500 点以上）基本不采用全部由PLC 所连接而成的系统。

7）模块DCS 系统所有I/ O 模块都带有CPU，可以实现对采集及输出信号品质的判断与标量变换，故障带电插拔，随机更换。而PLC 模块只是简单电气转换单元，没有智能芯片，发生故障后相应单元全部瘫痪。

（1）PLC 响应速度快；DCS 响应速度慢。

（2）DCS 要作复杂的运算，内存较大；PLC一般不做复杂运算，内存小。

（3）DCS 的数据库统一，可以应用工位号管理；PLC 的数据库不统一，必须以地址为基础管理。

（4）冗余功能DCS 更容易实现。

8）DCS 与PLC 的系统内核的实现形式不同。因为DCS 的控制程序编译以后的代码是采用程序调用运行的，而PLC 的程序是采用编译后对语句代码的顺序扫描实现的。这就是为什么PLC 至今对模拟量的处理不如DCS 功能强大。而DCS 对开关量的处理不如PLC 快速的原因。至于Siemens等公司现在推出的PCS7 等一体化系统都是在他们的CPU 模块中采用双CPU 进行处理，分别完成模拟量和开关量的处理。表面上看似一个系统，实际是双系统的整合。

2 主要制造商和产品

1）自1975 年以来，第四代DCS 产品已推上市场。主要生产厂家及产品有美国的Honeywell公司（TDC2000、TDC3000、TPS、PKS）、Westinghous 公司（WDPF、Ovation）、日本的横河公司、日立公司、山武霍尼威尔公司、德国SIEMENS公司、Hartmann &Braun 公司、EURO公司、瑞士的ABB公司（N90、INDUSTRIAL IT、INFI90）；国内主要有北京安控科技发展有限公司、北京和利时有限公司（MACS、FOCS）、浙大中自（JX300X、JX500）、新华公司（XDPS - 400）等。

2）PLC 在全世界有大约200 家生产厂家。主要厂家及产品有施耐德公司（Quantum、Premium、Momentum 等）、AB公 司（SLC、MicroLogix、ControlLogix 等） 、西门子公司（SIMAT2IC S7 -400/ 300/ 200 系列）、GE公司、日本欧姆龙、三菱、富士、松下等。国内PLC 生产厂约30 家，但没有形成颇具规模的生产能力和名牌产品，还有一部分是以仿制、来件组装或贴牌方式生产。

3 应用状况

1）自1975 年Honeywell 公司推出第一套DCS以后，全世界有60 余家公司生产了1500 余种产品，目前约有10000套DCS 在运行。我国DCS发展较晚，大约在20 世纪80 年代末才开始逐渐普及。目前还处在从大型工程逐步向中、小型工程，从主要应用领域（如石化、化工、电力、冶金等行业） 逐步向全工业范围（如市政、食品、建材、环保、交通等）扩展阶段，市场远没有饱和。特别在最近一段时期，将会有大量的国内企业采用先进的DCS 来改造传统产业，它们的技术改造为DCS 提供了十分巨大的市场空间。

目前，我国国民经济的主要领域使用DCS 系统已经十分普遍，不但大型、中型工程项目采用，不少小型项目也开始采用。DCS 现在是流程工业自控系统最主要的产品。石化是DCS 使用比较早和普遍的领域，石化领域采购DCS 的金额占设备采购总金额的13.6 %。该领域几乎全部大型工程都是采用国外系统，其中Honeywell 公司、日本横河电机株式会社处于领先地位。

化工领域也是DCS 的主要应用领域，大约占设备采购总金额的20.3%。在化工领域国产DCS已经取得较大的业绩，但该领域销售额最高的目前还是日本横河，其次是Honeywell、浙大中自、Emerson 以及北京和利时等公司。

火电站是DCS 的大用户，每年占DCS 市场总额的34.9 %（含核电和热电系统）。现在除60万千瓦机组和部分30万千瓦新建机组外，30万千瓦改造机组和30 万千瓦以下的新建机组已经大量采用国产DCS。

冶金领域随着技术的发展以及该行业自身的特殊要求，DCS 的使用量正在逐步减小而被PLC系统所替代。目前， DCS的金额大约占设备采购总金额的12%，ABB和Siemens 在冶金领域名列前茅。

食品行业以酿酒行业使用最多，Siemens 由于与丹麦一家啤酒厂合作开发了一套专用系统，在中国市场占有率最高，其次为Honeywell。

2）PLC技术自二十世纪80 年代走向成熟以来，产品的网络能力、模拟量处理能力、运算速度、内存、复杂运算能力均大大增强，不再局限于逻辑控制的应用，而越来越应用于过程控制方面。目前世界上有200 多个厂家生产300 多种PLC 产品，应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%） 、化学/制药（14.6%） 、金属/矿山（11.5%） 、纸浆/造纸（11. 3%） 等行业。

4 发展前景

随着DCS与PLC功能的不断发展和完善，新型的DCS与新型的PLC都有向对方靠拢的趋势。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性能较好，而且无论在控制器方面还是网络方面都能做到冗余。二者能组成大型网络，适用范围已有很大的交叉，技术上相互融合，并在此基础上集成了全数字化的FCS（现场总线控制系统）。FCS 系统在我国工控领域已得到广泛应用，但还没成为主流控制，并且在我国还存在一些问题有待进一步完善。所以用户对FCS 的接受和认可还需要一个过程。

5 结论

随着计算机技术和微电子技术的快速发展，DCS与PLC除各自保留自身原有的特点外，又相互补充形成了新的系统。新型的DCS和PLC功能上已没有多大的差别。如果说它们有什么区别的话，就是设计原理不同。PLC是基于开关量控制而开发、发展起来的，而DCS 起源于模拟量控制系统。PLC 的优势是顺序控制，DCS 的优势是模拟量控制。若控制回路较多、模拟量的采集量较大，尤其是在热电阻、热电偶的采集量较多的情况下应选用DCS。若都是逻辑控制应选用PLC。介于二者之间的，按投资预算决定。若投资预算比较充分，就可以决定采用DCS。因为DCS 不仅在完成模拟量控制方面比较擅长，而且有几种PLC 经现场使用证明它们的热电阻的输入模块和DCS 的输入模块的价格基本一样，从调试的角度看，PLC 的信号输入卡没有DCS 的好用，有时在调试时还容易损坏。