摘? 要：以DCS和PLC在歷史沿革、技術特點、適用領域等方面進行的對比，說明DCS和PLC技術的特點和發(fā)展規(guī)律。
關鍵詞：DCS;PLC;NT6000

在火電廠熱工自動化領域，DCS和PLC是兩個完全不同而又有著千絲萬縷聯系的概念。DCS和PLC都是計算機技術與工業(yè)控制技術相結合的產物，火電廠主機控制系統" title="控制系統">控制系統用的是DCS，而PLC主要應用在電廠輔助車間。DCS和PLC都有操作員站提供人機交互" title="人機交互">人機交互的手段、都依靠基于計算機技術的控制器完成控制運算、都通過I/O" title="I/O">I/O卡件完成與一次元件和執(zhí)行裝置的數據交換、都具備稱之為網絡的通信系統。DCS和PLC如此相似，為什么會有完全不同的概念，我們在工程實踐中如何進行選擇？本文從歷史沿革、技術特點、發(fā)展方向等幾個方面作一綜述，希望能夠對熱工專業(yè)人員有所借鑒。其中的DCS的情況以科遠的NT6000為例，力求例舉詳實闡述清晰。

1、DCS和PLC的歷史沿革及核心概念

DCS為分散控制系統的英文（TOTAL DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM）簡稱。指的是危險分散、數據集中。70年代中期進入市場，完成模擬量控制，代替以PID運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，當時主要應用于化工行業(yè)。而PLC于60年代末研制成功，稱作邏輯運算" title="邏輯運算">邏輯運算的可編程序控制器（Programmable Logic Controller），簡稱PLC。主要應用于汽車制造業(yè)。

DCS和PLC的設計原理區(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只有開關量" title="開關量">開關量邏輯控制。它以存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數和運算等操作的指令；并通過數字輸入和輸出操作，來控制各類機械或生產過程。用戶編制的控制程序表達了生產過程的工藝要求。將其存入PLC的用戶程序存儲器，運行時按存儲程序的內容逐條執(zhí)行，以完成工藝流程要求的操作。

DCS是在運算放大器的基礎上得以發(fā)展的。把所有的函數、各過程變量之間的關系都設計成功能塊。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量和模擬量的運算上，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除邏輯運算外，也增加了一些控制回路算法，但要完成一些復雜運算還是比較困難，PLC用梯形圖編程，模擬量的運算在編程時不太直觀，編程比較麻煩。但在解算邏輯方面，表現出快速的優(yōu)點。而DCS使用功能塊封裝模擬運算和邏輯運算，無論是邏輯運算還是復雜模擬運算的表達形式都非常清晰，但相對PLC來說邏輯運算的表達效率較低。

DCS和PLC在歷史沿革上的差異是明顯的，對它們后續(xù)的發(fā)展產生了重大影響。然而，對后續(xù)發(fā)展影響最大的，并不是起源技術上的差別，而是其起源概念的差別。DCS的核心概念是危險分散，數據集中的計算機控制系統，因此DCS的發(fā)展過程，就是在不斷的運用計算機技術、通訊技術和控制技術的最新成果，來構建一個完整的集散控制體系，DCS給用戶提供的是一個完整的面向工業(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、計時、計數等順序控制功能，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能力指標，給用戶提供一個完善的功能靈活的控制裝置。

DCS是一個體系，PLC是一個裝置，這是兩者在概念上的根本區(qū)別。這個區(qū)別的影響是深刻，它滲透到了技術經濟的每一個方面。

2、DCS和PLC的技術特點與相互滲透

不同的概念基礎、不同的發(fā)展道路使得DCS和PLC有著各自不同的技術特點，而技術的發(fā)展也不是封閉的，相互學習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(fā)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(fā)人員根本就沒有開發(fā)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(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；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PLC執(zhí)行一個PID運算在幾個毫秒，而NT6000DCS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(yōu)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NT6000DCS的T2550控制器為例?？刂破骺梢栽O置四個不同優(yōu)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。

2．2、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(yōu)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(fā)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(fā)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(yè)以太網技術的發(fā)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(yè)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NT6000的ELIN網為例，雖然也是基于工業(yè)以太網的，但其應用層協議是積累了近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?？膳碌?。而NT6000DCS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(fā)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(fā)展較慢。目前也有一些大型PLC在這個方面有所提高，但是要達到DCS的水平還需要一個相當長的過程。

2．3、組態(tài)維護功能

組態(tài)維護功能包括邏輯組態(tài)、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(fā)展，國際電工委員會通過IEC1131-3標準規(guī)定了五種編程語言,目前主流的DCS和 PLC都表示符合這個標準，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，梯形邏輯和結構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經過多年的發(fā)展，積累了大量的高級算法模塊。例如NT6000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(fā)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(fā)的，有著多年積累的完善的解決方案。以 NT6000DCS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。NT6000DCS有完善的虛擬DCS功能，不但可以用于組態(tài)邏輯的驗證，而且能夠構建成完整的虛擬DCS與模型相連，完成系統的仿真調試。NT6000DCS具有完善的安全措施，提供基于廣域網的遠程調試方案。

2．4、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(yōu)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。

2．5、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(jiān)控軟件來完成(如ifix、intouch、組態(tài)王)。DCS集成的人機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交互裝置，轉而和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)控軟件的基礎上，通過合作開發(fā)，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，NT6000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網絡通訊包是開發(fā)集成的。

3、DCS和PLC的市場情況和發(fā)展方向

在熱工自動化領域，主廠房控制系統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系統非常昂貴，人們認為輔助車間的運行可以間斷，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來構建控制系統。而鍋爐、汽機和發(fā)電機的控制系統，要求長期穩(wěn)定可靠地運行，信號中含有相當比例的模擬量，從系統的性能出發(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的市場競爭情況，我們會發(fā)現一個有趣的現象。主廠房DCS的競爭往往在不同品牌的供應商或代理商之間展開，競爭激烈,DCS的價格不斷下調。而輔助車間控制系統的競爭往往在同一品牌PLC的各個工程商之間進行，門檻較低，競爭更加激烈，但是PLC的價格下調幅度卻并不如DCS明顯。主要原因是DCS的生產商直接參與競爭，在巨大的市場壓力下，不斷下調設備制造費用和工程實施費用。而PLC的生產商不直接參與競爭，各個工程商只能下調自身有限的工程費用，空間有限。從現在情況看來，DCS與高檔PLC的價格差距已不明顯，輔助車間仍然較多地采用PLC，是市場的慣性使然。

隨著國內電廠裝機容量的不斷擴大及電力系統改革的推進，對輔助車間控制的要求也不斷提高，在這個大環(huán)境，DCS系統進入輔助車間控制已成為趨勢。NT6000DCS因其綜合的技術經濟優(yōu)勢，已經并將繼續(xù)在輔助車間控制方面發(fā)揮越來越大的作用。

在輔助車間應用廣泛的PLC也并不會就此退出熱工自動化的歷史舞臺，前所未有的競爭壓力，將會促使PLC廠商在技術上向DCS標準靠攏，在價格上作出更大的努力。 市場競爭的結果，將使用戶獲獲得更大的利益。

4、結論

DCS和PLC作為計算機技術和控制技術結合的產物，為火電廠熱工自動化水平的提高都作出了各自的貢獻。由于兩者在應用上有較大的相通性，在不同的時期，其各自的技術或價格優(yōu)勢，都會直接影響到其市場地位。而市場的反應也會或快或慢地反映到各自的技術發(fā)展和價格調整上。從總的趨勢來看，DCS和PLC在技術上的融合和促進將會是競爭的主流，而在性價比方面，你來我往地不斷攀升，也將是發(fā)展的主旋律。