摘? 要：以DCS和PLC在歷史沿革、技術(shù)特點(diǎn)、適用領(lǐng)域等方面進(jìn)行的對(duì)比，說明DCS和PLC技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展規(guī)律。
關(guān)鍵詞：DCS;PLC;NT6000

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)" title="控制系統(tǒng)">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" title="人機(jī)交互">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I/O" title="I/O">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)。DCS和PLC如此相似，為什么會(huì)有完全不同的概念，我們?cè)诠こ虒?shí)踐中如何進(jìn)行選擇？本文從歷史沿革、技術(shù)特點(diǎn)、發(fā)展方向等幾個(gè)方面作一綜述，希望能夠?qū)峁I(yè)人員有所借鑒。其中的DCS的情況以科遠(yuǎn)的NT6000為例，力求例舉詳實(shí)闡述清晰。

1、DCS和PLC的歷史沿革及核心概念

DCS為分散控制系統(tǒng)的英文（TOTAL DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM）簡(jiǎn)稱。指的是危險(xiǎn)分散、數(shù)據(jù)集中。70年代中期進(jìn)入市場(chǎng)，完成模擬量控制，代替以PID運(yùn)算為主的模擬控制儀表。首先提出DCS這樣一種思想的是儀表制造廠商，當(dāng)時(shí)主要應(yīng)用于化工行業(yè)。而PLC于60年代末研制成功，稱作邏輯運(yùn)算" title="邏輯運(yùn)算">邏輯運(yùn)算的可編程序控制器（Programmable Logic Controller），簡(jiǎn)稱PLC。主要應(yīng)用于汽車制造業(yè)。

DCS和PLC的設(shè)計(jì)原理區(qū)別較大，PLC是從摸仿原繼電器控制原理發(fā)展起來的，70年代的PLC只有開關(guān)量" title="開關(guān)量">開關(guān)量邏輯控制。它以存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和運(yùn)算等操作的指令；并通過數(shù)字輸入和輸出操作，來控制各類機(jī)械或生產(chǎn)過程。用戶編制的控制程序表達(dá)了生產(chǎn)過程的工藝要求。將其存入PLC的用戶程序存儲(chǔ)器，運(yùn)行時(shí)按存儲(chǔ)程序的內(nèi)容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。

DCS是在運(yùn)算放大器的基礎(chǔ)上得以發(fā)展的。把所有的函數(shù)、各過程變量之間的關(guān)系都設(shè)計(jì)成功能塊。70年代中期的DCS只有模擬量控制。

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來說邏輯運(yùn)算的表達(dá)效率較低。

DCS和PLC在歷史沿革上的差異是明顯的，對(duì)它們后續(xù)的發(fā)展產(chǎn)生了重大影響。然而，對(duì)后續(xù)發(fā)展影響最大的，并不是起源技術(shù)上的差別，而是其起源概念的差別。DCS的核心概念是危險(xiǎn)分散，數(shù)據(jù)集中的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，因此DCS的發(fā)展過程，就是在不斷的運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)和控制技術(shù)的最新成果，來構(gòu)建一個(gè)完整的集散控制體系，DCS給用戶提供的是一個(gè)完整的面向工業(yè)控制的安全可靠高效靈活的解決方案。而PLC的核心概念是可編程序控制器，目的是用來取代繼電器，執(zhí)行邏輯、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等順序控制功能，建立柔性程序控制裝置。所以，PLC不斷發(fā)展的主線是在不斷地提高各項(xiàng)能力指標(biāo)，給用戶提供一個(gè)完善的功能靈活的控制裝置。

DCS是一個(gè)體系，PLC是一個(gè)裝置，這是兩者在概念上的根本區(qū)別。這個(gè)區(qū)別的影響是深刻，它滲透到了技術(shù)經(jīng)濟(jì)的每一個(gè)方面。

2、DCS和PLC的技術(shù)特點(diǎn)與相互滲透

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(diǎn)，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。

2．1、控制處理能力

我們知道，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 500個(gè)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(diǎn)數(shù)的控制器在實(shí)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(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。從某一個(gè)角度來看，情況也的確如此，PLC執(zhí)行邏輯運(yùn)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(yùn)算和模擬運(yùn)算時(shí)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(shí)，可以發(fā)現(xiàn)PLC執(zhí)行一個(gè)PID運(yùn)算在幾個(gè)毫秒，而NT6000DCS的T2550控制器解算一個(gè) PID也需要1個(gè)毫秒，這說明PLC和DCS和實(shí)際運(yùn)算能力是相當(dāng)?shù)?某此型號(hào)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(jì)有關(guān)。大型PLC往往使用副CPU來完成模擬量的運(yùn)算，主CPU高速地完成開關(guān)量運(yùn)算，所以即使模擬運(yùn)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(yùn)算，控制周期的指標(biāo)確實(shí)不理想。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?？刂破骺梢栽O(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。

2．2、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(gè)方面DCS有著先天的優(yōu)勢(shì)。集散系統(tǒng)的“分散”主要體現(xiàn)在獨(dú)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(dú)立裝置來設(shè)計(jì)的，其 “網(wǎng)絡(luò)”實(shí)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(shí)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NT6000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(zhǎng)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(cuò),一個(gè)大型系統(tǒng)的上萬點(diǎn)數(shù)據(jù)采用這個(gè)方式,平鋪在數(shù)據(jù)表中進(jìn)行管理，是非?？膳碌?。而NT6000DCS以模塊為單位的結(jié)構(gòu)化管理，將一個(gè)PID作為一個(gè)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(gè)個(gè)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(zhǎng)期以來做為一個(gè)獨(dú)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(gè)方面有所提高，但是要達(dá)到DCS的水平還需要一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的過程。

2．3、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(yùn)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(huì)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(gè)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(jí)算法模塊。例如NT6000具有的設(shè)備級(jí)模塊，在一個(gè)模塊中集中完成了面向設(shè)備的基本控制和故障報(bào)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(gè)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(yùn)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(jì)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 NT6000DCS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(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行沒有影響。NT6000DCS有完善的虛擬DCS功能，不但可以用于組態(tài)邏輯的驗(yàn)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。NT6000DCS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。

2．4、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(diǎn)數(shù)有8點(diǎn)、16點(diǎn)、32點(diǎn)。

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(gè)模件的I/O點(diǎn)數(shù)有8點(diǎn)和16點(diǎn)，很少使用32點(diǎn)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(duì)象，19英寸標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱便于密集布置，較少的I/O點(diǎn)數(shù)則是由于對(duì)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(gè)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(diǎn)，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。

2．5、人機(jī)交互裝置

在早期，DCS作為一個(gè)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(diǎn)，但是其價(jià)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(jiǎn)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，NT6000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)通訊包是開發(fā)集成的。

3、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，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。

隨著國內(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。 市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果，將使用戶獲獲得更大的利益。

4、結(jié)論

DCS和PLC作為計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，為火電廠熱工自動(dòng)化水平的提高都作出了各自的貢獻(xiàn)。由于兩者在應(yīng)用上有較大的相通性，在不同的時(shí)期，其各自的技術(shù)或價(jià)格優(yōu)勢(shì)，都會(huì)直接影響到其市場(chǎng)地位。而市場(chǎng)的反應(yīng)也會(huì)或快或慢地反映到各自的技術(shù)發(fā)展和價(jià)格調(diào)整上。從總的趨勢(shì)來看，DCS和PLC在技術(shù)上的融合和促進(jìn)將會(huì)是競(jìng)爭(zhēng)的主流，而在性價(jià)比方面，你來我往地不斷攀升，也將是發(fā)展的主旋律。