淺析DCS與PLC技術特點
不同的概念基礎、不同的發展道路使得DCS和PLC有著各自不同的技術特點,而技術的發展也不是封閉的,相互學習相互滲透也始終貫穿在發展過程之中。
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開發人員技術水平太差了嗎?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,太多點數的控制器在實際應用中是毫無用處的,DCS開發人員根本就沒有開發帶很多I/O點數控制器的需要驅動,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,帶點能力越強當然也就代表其技術水平越高了,至于整個控制體系的應用水平呢,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。
控制處理能力的另一個指標,運算速度,在人們印象當中PLC也比DCS要快很多。從某一個角度來看,情況也的確如此,PLC執行邏輯運算的效率很高,執行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;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,可以發現PLC執行一個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的,某此型號的DCS控制器甚至更強。而控制周期上的差異主要與控制器的調度設計有關。大型PLC往往使用副CPU來完成模擬量的運算,主CPU高速地完成開關量運算,所以即使模擬運算速度一般,在開關量控制方面的速度表現還是非常優秀的。而DCS以同樣的速度來處理開關量和模擬量運算,控制周期的指標確實不理想。新型的DCS控制器學習了大型PLC的設計,在控制周期方面的表現獲得了大幅度的提高。以NETWORK6000+DCS的T2550控制器為例。控制器可以設置四個不同優先級的任務,最小運算周期可以設為10ms,配合高速I/O卡件,控制周期能夠達到15~20ms。而模擬量運算設置在其它周期較長的任務中。
二、數據通訊交換
數據通訊交換主要是指控制系統網絡及其數據交換形式。在這個方面DCS有著先天的優勢。集散系統的“分散”主要體現在獨立的控制器上,“集中”主要體現在具有完整數據的人機交互裝置上,而將分散和集中連接成集散系統的正是網絡。因此,從DCS發展的早期,網絡就成為了DCS生產廠家的核心技術方向,冗余技術、窄帶傳輸技術都是DCS廠家最早研發或應用成功的。PLC主要是按照獨立裝置來設計的,其 “網絡”實際上是串行通訊。
工業以太網技術的發展和廣泛應用,從形式上拉平了DCS和PLC網絡方面的差距。從表面上看很多DCS和PLC都應用了工業以太網,但是其實質上的差距卻依然存在。以很多PLC采用的MODBUS-TCP以例。MODBUS是串行通訊協議,不是網絡,大家都沒有疑問;MODBUS-TCP是網絡嗎?很多人就有疑問了。仔細分析,MODBUS-TCP是將MODBUS通訊協議加載到以太網的TCP協議之上的一種通訊方式,它雖然具有了網絡的外形,但依然是一主多從的管理方式,數據表的傳輸結構。而DCS呢,以網絡6000+DCS的ELIN網為例,雖然也是基于工業以太網的,但其應用層協議是歐陸公司積累了近30年的無主令牌LIN網協議,在1M的OLIN,2.5M和20M的ARCNET上都有長期成功的應用。ELIN網上,各站平等,不存在主要管理站。而且數據通訊是以模塊為單位的結構化數據,數據管理能力非數據表方式可比。
以PID模塊為例,其中的基本數據有PV、SP、OP,采用數據表的傳輸方式,你必須先定義PV、SP、OP的數據地址為01、02、03,其它的站也以數據表的方式接收數據,但是01是什么數據?02是什么數據?必須通過數據定義表才能還原。數據表的管理方式煩瑣易錯,一個大型系統的上萬點數據采用這個方式,平鋪在數據表中進行管理,是非常可怕的。而NETWORK6000+DCS以模塊為單位的結構化管理,將一個PID作為一個模塊進行處理,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據,分類歸屬集中到一個個小盒子中,按模塊.分量的方式進行管理,管理的效率大大提高。
PLC數據通訊交換的問題,主要源于PLC長期以來做為一個獨立裝置在發展,沒有系統概念;而且主要應用在小型控制系統中,問題暴露得并不明顯,所以發展較慢。目前也有一些大型PLC在這個方面有所提高,但是要達到DCS的水平還需要一個相當長的過程。
三、組態維護功能
組態維護功能包括邏輯組態、下載修改、運行調試、遠程診斷等。
早期,PLC以梯形圖為主,DCS以模塊功能圖為主。經過多年的發展,國際電工委員會通過IEC1131-3標準規定了五種編程語言,目前主流的DCS和PLC都表示符合這個標準,支持其中的幾種或全部編程語言。從開發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,梯形邏輯和結構化文本成為了自定義模塊的開發工具。大型PLC在組態方式上越來越像DCS,差距在逐漸縮小,而小型PLC仍然以梯形圖為主。
DCS經過多年的發展,積累了大量的高級算法模塊。例如NETWORK6000+具有的設備級模塊,在一個模塊中集中完成了面向設備的基本控制和故障報警功能,在網絡通訊中也已此模塊為單位進行傳遞,大大提高了軟件開發的效率。一個設備極模塊相當于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、運行調試、遠程診斷方面,PLC缺乏解決方案。而DCS從一設計之初就是從系統需要的角度出發的,有著多年積累的完善的解決方案。以NETWORK6000+DCS為例,系統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,不但可以用于組態邏輯的驗證,而且能夠構建成完整的虛擬DCS與模型相連,完成系統的仿真調試。NETWORK6000+DCS具有完善的安全措施,提供基于廣域網的遠程調試方案。
四、硬件封裝結構
PLC一般為大底版式機架,封閉式I/O模件,封閉式結構有利與提高I/O模件的可靠性,抗射頻、抗靜電、抗損傷。PLC模件的I/O點數有8點、16點、32點。
DCS大部分為19英寸標準機箱加插件式I/O模件,I/O模件為裸露式結構。每個模件的I/O點數有8點和16點,很少使用32點模件。
DCS的這種結構源于其使用領域主要在大型控制對象,19英寸標準機箱便于密集布置,較少的I/O點數則是由于對分散度的要求。PLC的大底版式機架,封閉式模件結構在管理和配置上更加靈活,單個設備的可靠性更高。因此,不少DCS也吸收了PLC在結構上的優點,采用了和PLC相似的封裝結構,如I/A采用金屬外殼, NETWORK-6000+采用導電塑料外殼。
五、人機交互裝置
在早期,DCS作為一個系統,其人機交互裝置是DCS廠家提供的專用裝置。而PLC廠家一般不提供人機交互裝置,往往由工程商自主采用通用的監控軟件來完成(如ifix、intouch、組態王)。DCS集成的人機交互裝置往往有著功能較專業、穩定性較好的特點,但是其價格也很高。隨著PC技術的快速發展,一些通用監控軟件發展很快,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交互裝置,轉而和PLC一樣也使用了通用的監控軟件。DCS廠家使用通用監控軟件并不是簡單地拼裝,而是在通用監控軟件的基礎上,通過合作開發,將自已多年積累的網絡通訊技術、系統自診斷技術以專用軟件包的形式保留和繼承下來了。
例如,NETWORK-6000+早期曾經使用過基于專用操作系統的T1000人機交互系統,而目前主要使用基于FIX/IFIX或INTOUCH的T3500人機交互系統。其中的LINPOLL網絡通訊包是由歐陸公司開發集成的。
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