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三大控制系統(tǒng)之間的差異
1. 差異
1.1 DCS或PLC
PLC系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)差異不大，只是在功能的著重點(diǎn)上的不同，DCS著重于閉環(huán)控制及數(shù)據(jù)處理。PLC著重于邏輯控制及開關(guān)量的控制，也可實(shí)現(xiàn)模擬量控制。
DCS或PLC系統(tǒng)的關(guān)鍵是通信。也可以說數(shù)據(jù)公路是分散控制系統(tǒng)DCS及PLC的脊柱。由于它的任務(wù)是為系統(tǒng)所有部件之間提供通信網(wǎng)絡(luò)，因此，數(shù)據(jù)公路自身的設(shè)計(jì)就決定了總體的靈活性和安全性。數(shù)據(jù)公路的媒體可以是：一對(duì)絞線、同軸電纜或光纖電纜。
DCS的特點(diǎn)是：(1)控制功能強(qiáng)�？蓪�(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，如串級(jí)、前饋、解耦、自適應(yīng)、最優(yōu)和非線性控制等。也可實(shí)現(xiàn)順序控制。(2)系統(tǒng)可靠性高。(3)采用CRT操作站有良好的人機(jī)界面。(4)軟硬件采用模塊化積木式結(jié)構(gòu)。(5)系統(tǒng)容易開發(fā)。(6)用組態(tài)軟件，編程簡單，操作方便。(7)有良好的性價(jià)比。
通過數(shù)據(jù)公路的設(shè)計(jì)參數(shù)，基本上可以了解一個(gè)特定DCS或PLC系統(tǒng)的相對(duì)優(yōu)點(diǎn)與弱點(diǎn)。
(1)系統(tǒng)能處理多少I/O信息。
(2)系統(tǒng)能處理多少與控制有關(guān)的控制回路的信息。
(3)能適應(yīng)多少用戶和裝置(CRT、控制站等)。
(4)傳輸數(shù)據(jù)的完整性是怎樣徹底檢查的。
(5)數(shù)據(jù)公路的最大允許長度是多少。
(6)數(shù)據(jù)公路能支持多少支路。
(7)數(shù)據(jù)公路是否能支持由其它制造廠生產(chǎn)的硬件(可編程序控制器、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)記錄裝置等)。為保證通信的完整，大部分DCS或PLC廠家都能提供冗余數(shù)據(jù)公路。
為了保證系統(tǒng)的安全性，使用了復(fù)雜的通信規(guī)約和檢錯(cuò)技術(shù)。所謂通信規(guī)約就是一組規(guī)則，用以保證所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)接收與發(fā)送。
目前在DCS和PLC系統(tǒng)中一般使用兩類通信手段，即同步的和異步的，同步通信依靠一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)來調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)的傳輸和接收，異步網(wǎng)絡(luò)采用沒有時(shí)鐘的報(bào)告系統(tǒng)。
1.2 FCS
FCS具有(1)很好的開放性、互操作性和互換性。(2)全數(shù)字通信。(3)智能化與功能自治性。(4)高度分散性。(5)很強(qiáng)的適用性。
FCS的關(guān)鍵要點(diǎn)有三點(diǎn)：
(1)FCS系統(tǒng)的核心是總線協(xié)議，即總線標(biāo)準(zhǔn)。
采用雙絞線、光纜或無線電方式傳輸數(shù)字信號(hào)，減少大量導(dǎo)線，提高了可靠性和抗干擾能力。FCS從傳感器、變送器到調(diào)節(jié)器一直是數(shù)字信號(hào)，這就使我們很容易地處理更復(fù)雜、更精確的信號(hào)，同時(shí)數(shù)字通信的差錯(cuò)功能可檢出傳輸中的誤碼。
FCS可以將PID控制徹底分散到現(xiàn)場設(shè)備(Field Device)中�；诂F(xiàn)場總線的FCS又是全分散、全數(shù)字化、全開放和可互操作的新一代生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)，它將取代現(xiàn)場一對(duì)一的4～20mA模擬信號(hào)線，給傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)帶來革命性的變化。
根據(jù)IEC61158的定義，現(xiàn)場總線是安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)�，F(xiàn)場總線使測控設(shè)備具備了數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力，提高了信號(hào)的測量、傳輸和控制精度，提高了系統(tǒng)與設(shè)備的功能、性能。IEC/TC65的SC65C/WG6工作組于1984年開始致力于推出世界上單一的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)工作，走過了16年的艱難歷程，于1993年推出了IEC61158-2，之后的標(biāo)準(zhǔn)制定就陷于混亂。2000年初公布的IEC61158現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)子集有八種，分別為：
①類型1 IEC技術(shù)報(bào)告(FFH1);②類型2 Control-NET(美國Rockwell公司支持);③類型3 Profibus(德國Siemens公司支持);④類型4 P-NET(丹麥Process Data公司支持);⑤類型5 FFHSE(原FFH2)高速以太網(wǎng)(美國Fisher Rosemount公司支持);⑥類型6 Swift-Net(美國波音公司支持);⑦類型7 WORLDFIP(法國Alsto公司支持);⑧類型8 Interbus(美國Phoenix Contact公司支持)。
除了IEC61158的8種現(xiàn)場總線外，IEC TC17B通過了三種總線標(biāo)準(zhǔn)：SDS(Smart Distributed System);ASI(Actuator Sensor Interface);Device NET。另外，ISO公布了ISO 11898 CAN標(biāo)準(zhǔn)。其中Device NET于2002年10月8日被中國批準(zhǔn)為國家標(biāo)準(zhǔn)，并于2003年4月1日開始實(shí)施。
所以，要實(shí)現(xiàn)這些總線類型的相互兼容和互操作，就目前狀態(tài)而言，幾乎是不可能的。開放的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的互操作性，就一個(gè)特定類型的現(xiàn)場總線而言，只要遵循同一類型現(xiàn)場總線的總線協(xié)議，對(duì)其產(chǎn)品是開放的，并具有互操作性。換句話說，不論什么廠家的產(chǎn)品，也不一家是該現(xiàn)場總線公司的產(chǎn)品，只要遵循同一類型總線的總線協(xié)議，產(chǎn)品之間是開放的，并具有互操作性，就可以組成總線網(wǎng)絡(luò)。
另外，F(xiàn)CS還可以通過網(wǎng)關(guān)和企業(yè)的上級(jí)管理網(wǎng)絡(luò)相連，以便管理者掌握第一手資料，為決策提供依據(jù)。所以現(xiàn)場總線具有開放性、互操作性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性、靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、現(xiàn)場設(shè)備的高度智能化、對(duì)環(huán)境的高度適應(yīng)性等諸多突出特點(diǎn)。
(2)FCS系統(tǒng)的基礎(chǔ)是數(shù)字智能現(xiàn)場裝置
控制功能下放到現(xiàn)場儀表中，控制室內(nèi)儀表裝置主要完成數(shù)據(jù)處理、監(jiān)督控制、優(yōu)化控制、協(xié)調(diào)控制和管理自動(dòng)化等功能。
數(shù)字智能現(xiàn)場裝置是FCS系統(tǒng)的硬件支撐，是基礎(chǔ);道理很簡單，F(xiàn)CS系統(tǒng)執(zhí)行的是自動(dòng)控制裝置與現(xiàn)場裝置之間的雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號(hào)制。現(xiàn)場裝置必須遵循統(tǒng)一的總線協(xié)議，即相關(guān)的通訊規(guī)約，具備數(shù)字通信功能，能實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)字通。再一點(diǎn)，現(xiàn)場總線的一大特點(diǎn)就是要增加現(xiàn)場一級(jí)控制功能。
(3)FCS系統(tǒng)的本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場化
對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)，無論是采用DCS還是采用現(xiàn)場總線，系統(tǒng)需要處理的信息量至少是一樣多的。實(shí)際上，采用現(xiàn)場總線后，可以從現(xiàn)場得到更多的信息�，F(xiàn)場總線系統(tǒng)的信息量沒有減少，甚至增加了，而傳輸信息的線纜卻大大減少了。這就要求一方面要大大提高線纜傳輸信息的能力，另一方面要讓大量信息在現(xiàn)場就地完成處理，減少現(xiàn)場與控制機(jī)房之間的信息往返�？梢哉f現(xiàn)場總線的本質(zhì)就是信息處理的現(xiàn)場化。
由現(xiàn)場智能儀表完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制運(yùn)算和數(shù)據(jù)輸出等功能�，F(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)(包括采集的數(shù)據(jù)和診斷數(shù)據(jù))通過現(xiàn)場總線傳送到控制室的控制設(shè)備上，控制室的控制設(shè)備用來監(jiān)視各個(gè)現(xiàn)場儀表的運(yùn)行狀態(tài)，保存智能儀表上傳的數(shù)據(jù)，同時(shí)完成少量現(xiàn)場儀表無法完成的高級(jí)控制功能。
2. 典型系統(tǒng)比較
通過使用現(xiàn)場總線，用戶可以大量減少現(xiàn)場接線，用單個(gè)現(xiàn)場儀表可實(shí)現(xiàn)多變量通信，不同制造廠生產(chǎn)的裝置間可以完全互操作，增加現(xiàn)場一級(jí)的控制功能，系統(tǒng)集成大大簡化，并且維護(hù)十分簡便。典型的現(xiàn)場總線系統(tǒng)框圖示于圖1。
傳統(tǒng)的過程控制儀表系統(tǒng)每個(gè)現(xiàn)場裝置到控制室都需使用一對(duì)專用的電纜或雙絞線，以傳送4mA~20mA信號(hào)�，F(xiàn)場總線系統(tǒng)中，每個(gè)現(xiàn)場裝置到接線盒的雙絞線仍然可以使用，但是從現(xiàn)場接線盒到中央控制室僅用一根雙絞線完成數(shù)字通信。
通過采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，到底能節(jié)省多少電纜，編者就不作詳細(xì)的計(jì)算。
3.應(yīng)用差異
上述的比較是偏重于純技術(shù)性的比較，下面就DCS與FCS系統(tǒng)在具體應(yīng)用方面進(jìn)行比較。前題是DCS系統(tǒng)與典型的、理想的FCS系統(tǒng)進(jìn)行比較。
具體比較：
(1)DCS系統(tǒng)是個(gè)大系統(tǒng)，其控制器的功能強(qiáng)而且在系統(tǒng)中的作用十分重要，數(shù)據(jù)公路更是系統(tǒng)的關(guān)鍵，所以，必須整體投資一步到位，事后的擴(kuò)容難度較大。而FCS功能下放較徹底，信息處理現(xiàn)場化，數(shù)字智能現(xiàn)場裝置的廣泛采用，使得控制器功能與重要性相對(duì)減弱。因此，F(xiàn)CS系統(tǒng)投資起點(diǎn)低，可以邊用、邊擴(kuò)、邊投運(yùn)。
(2)DCS系統(tǒng)是封閉式系統(tǒng)，各公司產(chǎn)品基本不兼容。而FCS系統(tǒng)是開放式系統(tǒng)，不同廠商、不同品牌的各種產(chǎn)品基本能同時(shí)連入同一現(xiàn)場總線，達(dá)到最佳的系統(tǒng)集成。
(3)DCS系統(tǒng)的信息全都是二進(jìn)制或模擬信號(hào)形成的，必須通過D/A與A/D轉(zhuǎn)換。而FCS系統(tǒng)將D/A與A/D轉(zhuǎn)換在現(xiàn)場一次表完成，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化通信，使精度得到大的提高，可提高到0.1%。并且FCS系統(tǒng)可以將PID閉環(huán)控制功能裝入現(xiàn)場設(shè)備中，縮短了控制周期，提高運(yùn)算速度，從而改善調(diào)節(jié)性能。
(4)DCS它可以控制和監(jiān)視工藝全過程，對(duì)自身進(jìn)行診斷、維護(hù)和組態(tài)。但是，由于自身的致命弱點(diǎn)，其I/O信號(hào)采用傳統(tǒng)的模擬量信號(hào)，因此，它無法在DCS工程師站上對(duì)現(xiàn)場儀表(含變送器、執(zhí)行器等)進(jìn)行遠(yuǎn)方診斷、維護(hù)和組態(tài)。FCS采用全數(shù)字化技術(shù)，數(shù)字智能現(xiàn)場裝置發(fā)送多變量信息，而不僅僅是單變量信息，并且還具備檢測信息差錯(cuò)的功能。FCS采用的是雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號(hào)制。因此，它可以對(duì)現(xiàn)場裝置(含變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等)進(jìn)行遠(yuǎn)方診斷、維護(hù)和組態(tài)。
(5)FCS由于信息處理現(xiàn)場化，與DCS相比可以省去相當(dāng)數(shù)量的隔離器、端子柜、I/O終端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜，同時(shí)也節(jié)省了I/O裝置及裝置室的空間與占地面積。同時(shí)，F(xiàn)CS可以減少大量電纜與敷設(shè)電纜用的橋架等，同時(shí)也節(jié)省了設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)費(fèi)用。
(6)FCS相對(duì)于DCS組態(tài)簡單，由于結(jié)構(gòu)、性能標(biāo)準(zhǔn)化，便于安裝、運(yùn)行、維護(hù)。
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