淺析DCS與PLC技術(shù)特點
不同的概念基礎(chǔ)、不同的發(fā)展道路使得DCS和PLC有著各自不同的技術(shù)特點,而技術(shù)的發(fā)展也不是封閉的,相互學(xué)習(xí)相互滲透也始終貫穿在發(fā)展過程之中。
一、控制處理能力
我們知道,一個PLC的控制器,往往能夠處理幾千個I/O點(最多可達(dá)8000多個I/O)。而DCS的控制器,一般只能處理幾百個I/O點(不超過500個I/O)。難道是DCS開發(fā)人員技術(shù)水平太差了嗎?恐怕不是。從集散體系的要求來說,不允許有控制集中的情況出現(xiàn),太多點數(shù)的控制器在實際應(yīng)用中是毫無用處的,DCS開發(fā)人員根本就沒有開發(fā)帶很多I/O點數(shù)控制器的需要驅(qū)動,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,作為一個獨立的柔性控制裝置,帶點能力越強(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指標(biāo),運算速度,在人們印象當(dāng)中PLC也比DCS要快很多。從某一個角度來看,情況也的確如此,PLC執(zhí)行邏輯運算的效率很高,執(zhí)行1K邏輯程序不到1毫秒,其控制周期(以DI輸入直接送DO輸出為例)可以控制在50ms以內(nèi);而DCS在處理邏輯運算和模擬運算時采用相同的方式,其控制周期往往在100ms以上。我們用PID算法來比較時,可以發(fā)現(xiàn)PLC執(zhí)行一個PID運算在幾個毫秒,而NETWORK6000+DCS的T2550控制器解算一個PID也需要1個毫秒,這說明PLC和DCS和實際運算能力是相當(dāng)?shù)?某此型號的DCS控制器甚至更強(qiáng)。而控制周期上的差異主要與控制器的調(diào)度設(shè)計有關(guān)。大型PLC往往使用副CPU來完成模擬量的運算,主CPU高速地完成開關(guān)量運算,所以即使模擬運算速度一般,在開關(guān)量控制方面的速度表現(xiàn)還是非常優(yōu)秀的。而DCS以同樣的速度來處理開關(guān)量和模擬量運算,控制周期的指標(biāo)確實不理想。新型的DCS控制器學(xué)習(xí)了大型PLC的設(shè)計,在控制周期方面的表現(xiàn)獲得了大幅度的提高。以NETWORK6000+DCS的T2550控制器為例??刂破骺梢栽O(shè)置四個不同優(yōu)先級的任務(wù),最小運算周期可以設(shè)為10ms,配合高速I/O卡件,控制周期能夠達(dá)到15~20ms。而模擬量運算設(shè)置在其它周期較長的任務(wù)中。
二、數(shù)據(jù)通訊交換
數(shù)據(jù)通訊交換主要是指控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及其數(shù)據(jù)交換形式。在這個方面DCS有著先天的優(yōu)勢。集散系統(tǒng)的“分散”主要體現(xiàn)在獨立的控制器上,“集中”主要體現(xiàn)在具有完整數(shù)據(jù)的人機(jī)交互裝置上,而將分散和集中連接成集散系統(tǒng)的正是網(wǎng)絡(luò)。因此,從DCS發(fā)展的早期,網(wǎng)絡(luò)就成為了DCS生產(chǎn)廠家的核心技術(shù)方向,冗余技術(shù)、窄帶傳輸技術(shù)都是DCS廠家最早研發(fā)或應(yīng)用成功的。PLC主要是按照獨立裝置來設(shè)計的,其 “網(wǎng)絡(luò)”實際上是串行通訊。
工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用,從形式上拉平了DCS和PLC網(wǎng)絡(luò)方面的差距。從表面上看很多DCS和PLC都應(yīng)用了工業(yè)以太網(wǎng),但是其實質(zhì)上的差距卻依然存在。以很多PLC采用的MODBUS-TCP以例。MODBUS是串行通訊協(xié)議,不是網(wǎng)絡(luò),大家都沒有疑問;MODBUS-TCP是網(wǎng)絡(luò)嗎?很多人就有疑問了。仔細(xì)分析,MODBUS-TCP是將MODBUS通訊協(xié)議加載到以太網(wǎng)的TCP協(xié)議之上的一種通訊方式,它雖然具有了網(wǎng)絡(luò)的外形,但依然是一主多從的管理方式,數(shù)據(jù)表的傳輸結(jié)構(gòu)。而DCS呢,以網(wǎng)絡(luò)6000+DCS的ELIN網(wǎng)為例,雖然也是基于工業(yè)以太網(wǎng)的,但其應(yīng)用層協(xié)議是歐陸公司積累了近30年的無主令牌LIN網(wǎng)協(xié)議,在1M的OLIN,2.5M和20M的ARCNET上都有長期成功的應(yīng)用。ELIN網(wǎng)上,各站平等,不存在主要管理站。而且數(shù)據(jù)通訊是以模塊為單位的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)管理能力非數(shù)據(jù)表方式可比。
以PID模塊為例,其中的基本數(shù)據(jù)有PV、SP、OP,采用數(shù)據(jù)表的傳輸方式,你必須先定義PV、SP、OP的數(shù)據(jù)地址為01、02、03,其它的站也以數(shù)據(jù)表的方式接收數(shù)據(jù),但是01是什么數(shù)據(jù)?02是什么數(shù)據(jù)?必須通過數(shù)據(jù)定義表才能還原。數(shù)據(jù)表的管理方式煩瑣易錯,一個大型系統(tǒng)的上萬點數(shù)據(jù)采用這個方式,平鋪在數(shù)據(jù)表中進(jìn)行管理,是非??膳碌摹6鳱ETWORK6000+DCS以模塊為單位的結(jié)構(gòu)化管理,將一個PID作為一個模塊進(jìn)行處理,要訪問其PV值,首先訪問其模塊,以PID.PV的形式來管理。這就將所有平鋪的數(shù)據(jù),分類歸屬集中到一個個小盒子中,按模塊.分量的方式進(jìn)行管理,管理的效率大大提高。
PLC數(shù)據(jù)通訊交換的問題,主要源于PLC長期以來做為一個獨立裝置在發(fā)展,沒有系統(tǒng)概念;而且主要應(yīng)用在小型控制系統(tǒng)中,問題暴露得并不明顯,所以發(fā)展較慢。目前也有一些大型PLC在這個方面有所提高,但是要達(dá)到DCS的水平還需要一個相當(dāng)長的過程。
三、組態(tài)維護(hù)功能
組態(tài)維護(hù)功能包括邏輯組態(tài)、下載修改、運行調(diào)試、遠(yuǎn)程診斷等。
早期,PLC以梯形圖為主,DCS以模塊功能圖為主。經(jīng)過多年的發(fā)展,國際電工委員會通過IEC1131-3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了五種編程語言,目前主流的DCS和PLC都表示符合這個標(biāo)準(zhǔn),支持其中的幾種或全部編程語言。從開發(fā)效率和程序可讀性來考慮,模塊功能圖和順序功能圖越來越成為主要的編程方式,梯形邏輯和結(jié)構(gòu)化文本成為了自定義模塊的開發(fā)工具。大型PLC在組態(tài)方式上越來越像DCS,差距在逐漸縮小,而小型PLC仍然以梯形圖為主。
DCS經(jīng)過多年的發(fā)展,積累了大量的高級算法模塊。例如NETWORK6000+具有的設(shè)備級模塊,在一個模塊中集中完成了面向設(shè)備的基本控制和故障報警功能,在網(wǎng)絡(luò)通訊中也已此模塊為單位進(jìn)行傳遞,大大提高了軟件開發(fā)的效率。一個設(shè)備極模塊相當(dāng)于0.5K的梯形圖邏輯量,PLC要完成同樣的功能,就要煩瑣得多了。
在下載修改、運行調(diào)試、遠(yuǎn)程診斷方面,PLC缺乏解決方案。而DCS從一設(shè)計之初就是從系統(tǒng)需要的角度出發(fā)的,有著多年積累的完善的解決方案。以NETWORK6000+DCS為例,系統(tǒng)既可以在線修改控制策略,也可以在線下載控制策略,修改和下載過程中,對系統(tǒng)的正常運行沒有影響。NETWORK6000+DCS有完善的虛擬DCS功能,不但可以用于組態(tài)邏輯的驗證,而且能夠構(gòu)建成完整的虛擬DCS與模型相連,完成系統(tǒng)的仿真調(diào)試。NETWORK6000+DCS具有完善的安全措施,提供基于廣域網(wǎng)的遠(yuǎn)程調(diào)試方案。
四、硬件封裝結(jié)構(gòu)
PLC一般為大底版式機(jī)架,封閉式I/O模件,封閉式結(jié)構(gòu)有利與提高I/O模件的可靠性,抗射頻、抗靜電、抗損傷。PLC模件的I/O點數(shù)有8點、16點、32點。
DCS大部分為19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱加插件式I/O模件,I/O模件為裸露式結(jié)構(gòu)。每個模件的I/O點數(shù)有8點和16點,很少使用32點模件。
DCS的這種結(jié)構(gòu)源于其使用領(lǐng)域主要在大型控制對象,19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱便于密集布置,較少的I/O點數(shù)則是由于對分散度的要求。PLC的大底版式機(jī)架,封閉式模件結(jié)構(gòu)在管理和配置上更加靈活,單個設(shè)備的可靠性更高。因此,不少DCS也吸收了PLC在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點,采用了和PLC相似的封裝結(jié)構(gòu),如I/A采用金屬外殼, NETWORK-6000+采用導(dǎo)電塑料外殼。
五、人機(jī)交互裝置
在早期,DCS作為一個系統(tǒng),其人機(jī)交互裝置是DCS廠家提供的專用裝置。而PLC廠家一般不提供人機(jī)交互裝置,往往由工程商自主采用通用的監(jiān)控軟件來完成(如ifix、intouch、組態(tài)王)。DCS集成的人機(jī)交互裝置往往有著功能較專業(yè)、穩(wěn)定性較好的特點,但是其價格也很高。隨著PC技術(shù)的快速發(fā)展,一些通用監(jiān)控軟件發(fā)展很快,功能和性能逐漸超過了DCS廠家提供的專用裝置。因此不少DCS廠家逐步放棄了專用的人機(jī)交互裝置,轉(zhuǎn)而和PLC一樣也使用了通用的監(jiān)控軟件。DCS廠家使用通用監(jiān)控軟件并不是簡單地拼裝,而是在通用監(jiān)控軟件的基礎(chǔ)上,通過合作開發(fā),將自已多年積累的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、系統(tǒng)自診斷技術(shù)以專用軟件包的形式保留和繼承下來了。
例如,NETWORK-6000+早期曾經(jīng)使用過基于專用操作系統(tǒng)的T1000人機(jī)交互系統(tǒng),而目前主要使用基于FIX/IFIX或INTOUCH的T3500人機(jī)交互系統(tǒng)。其中的LINPOLL網(wǎng)絡(luò)通訊包是由歐陸公司開發(fā)集成的。
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