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三大控制系统之间的差异

我们已经知道，FCS是由DCS与PLC发展而来，FCS不仅具备DCS与PLC的特点，而且跨出了革命性的一步。而目前，新型的DCS与新型的PLC，都有向对方靠拢的趋势。新型的DCS已有很强的顺序控制功能；而新型的PLC，在处理闭环控制方面也不差，并且两者都能组成大型网络，DCS与PLC的适用范围，已有很大的交叉。下一节就仅以DCS与FCS进行比较。在前面的章节中，实际上已涉及到DCS与FCS的差异，下面将就体系结构、投资、设计、使用等方面进行叙述。

1 差异要点

·DCS

DCS系统的关键是通信。也可以说数据公路是分散控制系统DCS的脊柱。由于它的任务是为系统所有部件之间提供通信网络，因此，数据公路自身的设计就决定了总体的灵活性和安全性。数据公路的媒体可以是：一对绞线、同轴电缆或光纤电缆。

通过数据公路的设计参数，基本上可以了解一个特定DCS系统的相对优点与弱点。

（1）系统能处理多少I/O信息。

（2）系统能处理多少与控制有关的控制回路的信息。

（3）能适应多少用户和装置（CRT、控制站等）。

（4）传输数据的完整性是怎样彻底检查的。

（5）数据公路的较大允许长度是多少。

（6）数据公路能支持多少支路。

（7）数据公路是否能支持由其它制造厂生产的硬件（可编程序控制器、计算机、数据记录装置等）。

为保证通信的完整，大部分DCS厂家都能提供冗余数据公路。

为了保证系统的安全性，使用了复杂的通信规约和检错技术。所谓通信规约就是一组规则，用以保证所传输的数据被接收，并且被理解得和发送的数据一样。

目前在DCS系统中一般使用两类通信手段，即同步的和异步的，同步通信依靠一个时钟信号来调节数据的传输和接收，异步网络采用没有时钟的报告系统。

·

6ES7 211-0AA23-0XB0    CPU221 DC/DC/DC,6输入/4输出

6ES7 211-0BA23-0XB0    CPU221 继电器输出,6输入/4输出

6ES7 212-1AB23-0XB8    CPU222 DC/DC/DC,8输入/6输出

6ES7 212-1BB23-0XB8    CPU222 继电器输出,8输入/6输出

6ES7 214-1AD23-0XB8    CPU224 DC/DC/DC,14输入/10输出

6ES7 214-1BD23-0XB8    CPU224 继电器输出,14输入/10输出

6ES7 214-2AD23-0XB8    CPU224XP DC/DC/DC,14DI/10DO,2AI/1AO(PNP)

6ES7 214-2AS23-0XB8    CPU224XPsi DC/DC/DC,14DI/10DO,2AI/1AO(NPN)

6ES7 214-2BD23-0XB8    CPU224XP 继电器输出,14DI/10DO,2AI/1AO

6ES7 216-2AD23-0XB8    CPU226 DC/DC/DC,24输入/16输出

6ES7 216-2BD23-0XB8    CPU226 继电器输出,24输入/16输出

扩展模块    

6ES7 221-1BH22-0XA8    EM221 16入 24VDC，开关量

6ES7 221-1BF22-0XA8    EM221 8入 24VDC，开关量

6ES7 221-1EF22-0XA0    EM221 8入 120/230VAC，开关量

6ES7 222-1BF22-0XA8    EM222 8出 24VDC，开关量

6ES7 222-1EF22-0XA0    EM222 8出 120V/230VAC，0.5A 开关量

6ES7 222-1HF22-0XA8    EM222 8出 继电器

6ES7 222-1BD22-0XA0     

FCS

FCS的关键要点有三点

（1）FCS系统的核心是总线协议，即总线标准

前面的章节已经叙述，一种类型的总线，只要其总线协议一经确定，相关的关键技术与有关的设备也就被确定。就其总线协议的基本原理而言，各类总线都是一样的，都以解决双向串行数字化通讯传输为基本依据。但由于各种原因，各类总线的总线协议存在很大的差异。

为了使现场总线满足可互操作性要求，使其成为真正的开放系统，在IEC国际标准，现场总线通讯协议模型的用户层中，就明确规定用户层具有装置描述功能。为了实现互操作，每个现场总线装置都用装置描述DD来描述。DD能够认为是装置的一个驱动器，它包括所有必要的参数描述和主站所需的操作步骤。由于DD包括描述装置通信所需的所有信息，并且与主站无关，所以可以使现场装置实现真正的互操作性。

实际情况是否如上述一致，回答是否定的。目前通过的现场总线国际标准含8种类型，而原IEO国际标准只是8种类型之一，与其它7种类型总线的地位是平等的。其它7种总线，不论其市场占有率有多少，每个总线协议都有一套软件、硬件的支撑。它们能够形成系统，形成产品，而原IEC现场总线国际标准，是一个既无软件支撑也无硬件支撑的空架子。所以，要实现某些总线的相互兼容和互操作，就目前状态而言，几乎是不可能的。

通过上述，我们是否可以得出这样一种映象：开放的现场总线控制系统的互操作性，就一个特定类型的现场总线而言，只要遵循该类型现场总线的总线协议，对其产品是开放的，并具有互操作性。换句话说，不论什么厂家的产品，也不一家是该现场总线公司的产品，只要遵循该总线的总线协议，产品之间是开放的，并具有互操作性，就可以组成总线网络。

(2)FCS系统的基础是数字智能现场装置

数字智能现场装置是FCS系统的硬件支撑，是基础，道理很简单，FCS系统执行的是自动控制装置与现场装置之间的双向数字通信现场总线信号制。如果现场装置不遵循统一的总线协议，即相关的通讯规约，不具备数字通信功能，那么所谓双向数字通信只是一句空话，也不能称之为现场总线控制系统。再一点，现场总线的一大特点就是要增加现场一级控制功能。如果现场装置不是多功能智能化的产品，那么现场总线控制系统的特点也就不存在了，所谓简化系统、方便设计、利于维护等优越性也是虚的。

(3) FCS系统的本质是信息处理现场化

对于一个控制系统，无论是采用DCS还是采用现场总线，系统需要处理的信息量至少是一样多的。实际上，采用现场总线后，可以从现场得到更多的信息。现场总线系统的信息量没有减少，甚至增加了，而传输信息的线缆却大大减少了。这就要求一方面要大大提高线缆传输信息的能力，另一方面要让大量信息在现场就地完成处理，减少现场与控制机房之间的信息往返。可以说现场总线的本质就是信息处理的现场化。

减少信息往返是网络设计和系统组态的一条重要原则。减少信息往返常常可带来改善系统响应时间的好处。因此，网络设计时应**将相互间信息交换量大的节点，放在同一条支路里。

减少信息往返与减少系统的线缆有时会相互矛盾。这时仍应以节省投资为原则来做选择。如果所选择系统的响应时间允许的话，应选节省线缆的方案。如所选系统的响应时间比较紧张，稍微减少一点信息的传输就够用了，那就应选减少信息传输的方案。

现在一些带现场总线的现场仪表本身装了许多功能块，虽然不同产品同种功能块在性能上会稍有差别，但一个网络支路上有许多功能雷同功能块的情况是客观存在的。选用哪一个现场仪表上的功能块，是系统组态要解决的问题。

考虑这个问题的原则是：尽量减少总线上的信息往返。一般可以选择与该功能有关的信息输出较多的那台仪表上的功能块。

2 典型系统比较

通过使用现场总线，用户可以大量减少现场接线，用单个现场仪表可实现多变量通信，不同制造厂生产的装置间可以完全互操作，增加现场一级的控制功能，系统集成大大简化，并且维护十分简便。

通过采用现场总线控制系统，到底能节省多少电缆，编者尚未做此计算。但是，我们不可以采用DCS系统的电厂中与自动控制系统有关的所用电缆公里数看出，电缆在基建投资中所占份额。

某电厂，2×300MW燃煤机组。热力系统为单元制。每台机组设置一座集中控制楼，采用机、炉、电单元集中控制方式。单元控制室的标高为12.6米，与运行层标高一致。DCS采用WDPF—Ⅱ，每台机组设计的I/O点为4500点。

电缆敷设采用EC软件，8个人用1.5个月时间完成电缆敷设的设计任务。

主厂房内每台300MW机组自动化专业的电缆根数为4038根。

主厂房内每台300MW机组自动化专业的电缆长度为350公里。

以上电缆的根数及长度均不包括全厂火灾报警的厂供电缆和全厂各辅助生产车间的电缆。

电缆桥架的立柱、桥架及小槽盒全部选用钢制镀锌，每台机组约95吨。

其它电缆桥架包括直通、弯通、三通、四通、盖板、终端封头、调宽片、直接片等选用铝合金材质，每台300MW机组约为55吨。附件随桥架提供（如螺栓、螺母）。

某电厂，4×MW燃油燃气电站。热力系统为单元制。DCS采用TELEPERM-XP。每台机组设计I/O点数为5804点。

电缆敷设采用EC软件，12个人用2.5个月时间完成电缆敷设的设计任务。

主厂房内每台325MW机组自动化专业的电缆根数为4413根。

主厂房内每台235MW机组自动化专业的电缆长度为360公里。

每台机组全部选用钢制镀锌电缆桥架，其重量约为200吨。

电站的电缆可以分为六大类：高压电力电缆、低压电力电缆、控制电缆、热控电缆、弱电电缆（主要指计算机用电缆）、其它电缆。若两台300MW机组同时做电缆敷设，自动化专业电缆的数量大约有8500根左右。其中热控电缆和弱电电缆将大于5000根，即约占60%左右（以根数计量）。

3 设计、投资及使用

上述的比较是偏重于纯技术性的比较，以下比较拟加入经济因素。

比较的前题是DCS系统与典型的、理想的FCS系统进行比较。为什么要做如此的假设。做为DCS系统发展到今天，开发初期提出的技术要求却已满足并得到了完善，目前的状况是进一步提高，因此也就不存在典型、理想的说法。而作为FCS系统，90年代刚进入实用化，作为开发初期的技术要求：兼容开放，双向数字通信、数字智能现场装置、高速总线等，目前还不理想有待完善。这种状态与现场总线国际标准的制定不能说没有关系。过去的十多年，各总线组织都忙于制定标准，开发产品，**更多的市场，目的就是要挤身于国际标准，合法的**更大的市场。现在有关国际标准的争战已告一段落，各大公司组织都已意识到，要真正**市场，就得完善系统及相关产品。我们可以做这样的预测，不久的将来，完善的现场总线系统及相关产品必须成为世界现场总线技术的主流。

具体比较：

（1）DCS系统是个大系统，其控制器功能强而且在系统中的作用十分重要，数据公路更是系统的关键，所以，必须整体投资一步到位，事后的扩容难度较大。而FCS功能下放较彻底，信息处理现场化，数字智能现场装置的广泛采用，使得控制器功能与重要性相对减弱。因此，FCS系统投资起点低，可以边用、边扩、边投运。

（2）DCS系统是封闭式系统，各公司产品基本不兼容。而FCS系统是开放式系统，用户可以选择不同厂商、不同品牌的各种设备连入现场总线，达到较佳的系统集成。

（3）DCS系统的信息全都是二进制或模拟信号形成的，必须有D/A与A/D转换。而FCS系统是全数字化，就免去了D/A与A/D变换，高集成化高性能，使精度可以从±0.5%提高到±0.1%。

（4）FCS系统可以将PID闭环控制功能装入变送器或执行器中，缩短了控制周期，目前可以从DCS的每秒2~5次，提高到FCS的每秒10~20次，从而改善调节性能。

（5）DCS它可以控制和监视工艺全过程，对自身进行诊断、维护和组态。但是，由于自身的致命弱点，其I/O信号采用传统的模拟量信号，因此，它无法在DCS工程师站上对现场仪表（含变送器、执行器等）进行远方诊断、维护和组态。FCS采用全数字化技术，数字智能现场装置发送多变量信息，而不仅仅是单变量信息，并且还具备检测信息差错的功能。FCS采用的是双向数字通信现场总线信号制。因此，它可以对现场装置（含变送器、执行机构等）进行远方诊断、维护和组态。FCS的这点优越性是DCS无法比拟的。

（6）FCS由于信息处理现场化，与DCS相比可以省去相当数量的隔离器、端子柜、I/O终端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜，同时也节省了I/O装置及装置室的空间与占地面积。有*认为可以省去60%。

（7）与（6）同样理由，FCS可以减少大量电缆与敷设电缆用的桥架等，同时也节省了设计、安装和维护费用。有*认为可以节省66%。

对于（6）、（7）两点应补充说明的是，采用FCS系统，节省投资的效果是不用怀疑的，但是否如有的*所说达60~66%。这些数字在多篇文章中出现，编者认为这是相互转摘的结果，目前还未找到这些数字的原始出处，因此，读者在引用这些数字时要慎重。

（8）FCS相对于DCS组态简单，由于结构、性能标准化，便于安装、运行、维护。

（9）用于过程控制的FCS设计开发要点。这一点并不作为与DCS的比较，只是说明用于过程控制或者说用于模拟连续过程类的FCS在设计开发中应重点考虑的问题。

1）要求总线本安防爆功能，而且是头等重要的。

2）基本监控如流量、料位、温度、压力等的变化是缓慢的，而且还有滞后效应，因此，节点监控并不需要快电子学的响应时间，但要求有复杂的模拟量处理能力。这一物理特征决定了系统基本上多采用主一从之间的集中轮询制，这在技术上是合理的，在经济上是有利的。

3）流量、料位、温度、压力等参数的测量，其物理原理是古典的，但传感器、变送器及控制器应向数字智能化发展。

4）作为针对连续过程类及其仪器仪表而开发的FCS，应侧重于低速总线H1的设计完善。

PLC与DCS的前景

我们已经知道有的FCS是由PLC发展而来，而有的FCS是由DCS发展而来，那么，今天FCS已走向实用化，PLC与DCS前景又将如何。

PLC于60年代末期在美国首先出现，目的是用来取代继电器，执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能，建立柔性程序控制系统。1976年正式命名，并给予定义：PLC是一种数字控制**电子计算机，它使用了可编程序存储器储存指令，执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过模拟和数字输入、输出等组件，控制各种机械或工作程序。经过30多年的发展，PLC已十分成熟与完善，并开发了模拟量闭环控制功能。PLC在FCS系统中的地位似乎已被确定并无多少争论。PLC作为一个站挂在高速总线上。充分发挥PLC在处理开关量方面的优势。另外，火力发电厂辅助车间，例如补给水处理车间、循环水车间、除灰除渣车间、输煤车间等，在这些车间的工艺过程多以顺序控制为主。PLC对于顺序控制有其*特的优势。编者以为，辅助车间的控制系统应以遵循现场总线通讯协议的PLC或能与FCS进行通讯交换信息的PLC为优选对象。

自1973年提出**台以微处理器为基础的控制器以来，它逐步完善，并较终形成功能齐全、安全可靠的数字式分散控制系统DCS。它的性能大大优于以住任何一种控制系统。可以满足火电厂DAS、MCS、SCS和APS各系统的各种要求，目前还可以通过工业以太网建立管理层网络，以满足火电厂呼声越来越高的加强管理的要求。可以这样说，DCS系统的监控可以复盖大型火电机组的工艺全过程。

但是，自从有了FCS，并于90年代走向实用化以来，不断有如下论点在公开刊物上发表，即：“从现在起，新的现场总线控制系统FCS将逐步取代传统的DCS”；“当调节功能下放到现场去以后，传统的DCS就没有存在的必要而会自动消失”；“今后十年，传统的4~20mA模拟信号制将逐步被双向数字通信现场总线信号制所取代，模拟与数字的分散型控制系统DCS将更新换代为全数字现场总线控制系统FCS”……。这些论点归纳为一句话：FCS将取代DCS，DCS从此将消亡。

上述论点皆出自于**之口，确实不无道理。数字通讯是一种趋势，它代表了技术进步，是任何人阻挡不了的。双向数字通信现场总线信号制以及由它而产生的巨大的推动力，加速现场装置与控制仪表的变革，开发出越来越多的功能完善的数字智能现场装置。这些都是DCS系统所不具备的，而由此产生的优越性以及给火电厂的设计、配置、组态、运行、维护、管理等方面带来的效益也是DCS系统所不及的。再则，FCS是由DCS以及PLC发展而来，它保留了DCS的特点，或者说FCS吸收了DCS多年开发研究以及现场实践的经验，当然也包括教训。由此而得出结论，“FCS将取代DCS”，似乎也是顺理成章之事。

同时我们也应看到，DCS系统发展也近30年，在火电厂的应用如此广泛。它的设计思想、组态配置、功能匹配等已达十分完善的程度（当然，DCS也存在进一步发展的需求，例如高级软件开发，以满足信息集成的要求），已渗透到火电厂控制系统的各个领域，并且在FCS系统中也有些体现。从这个角度来看，DCS系统似乎不能说从此消亡。再则，从前面的章节叙述中已经谈到，对那些FCS系统不能充分发挥其特点及优越性的领域，DCS系统仍有用武之地。

我们似乎没有必要在文字上做过多的争论，一定要强调谁取代谁。正如目前的DCS与新型的PLC，由于多年的开发研究，在各自保留自身原有的特点外，又相互补充，形成新的系统，现在的DCS已不是当初的DCS，同样如此，新型的PLC也不是开发初期的PLC。我们能够说是DCS取代了PLC或者说是PLC取代了DCS，显然都是不合适的。

     虽然PLC具有很高的可靠性，并且有很强的抗干扰能力，但在过于恶劣的环境或安装使用不当等情况下，都有可能引起PLC内部信息的破坏而导致控制混乱，甚至造成内部元件损坏。为了提高PLC系统运行的可靠性，使用时应注意以下几个方面的问题。 　　一、适合的工作环境 　　1．环境温度适宜 　　各生产厂家对PLC的环境温度都有一定的规定。通常PLC允许的环境温度约在0~55°C。因此，安装时不要把发热量大的元件放在PLC的下方；PLC四周要有足够的通风散热空间；不要把PLC安装在阳光直接照射或离暖气、加热器、大功率电源等发热器件很近的场所；安装PLC的控制柜较好有通风的百叶窗，如果控制柜温度太高，应该在柜内安装风扇强迫通风。 　　2．环境湿度适宜 　　PLC工作环境的空气相对湿度一般要求小于85％，以保证PLC的绝缘性能。湿度太大也会影响模拟量输入/输出装置的精度。因此，不能将PLC安装在结露、雨淋的场所。 　　3．注意环境污染 　　不宜把PLC安装在有大量污染物（如灰尘、油烟、铁粉等）、腐烛性气体和可燃性气体的场所，尤其是有腐蚀性气体的地方，易造成元件及印刷线路板的腐蚀。如果只能安装在这种场所，在温度允许的条件下，可以将PLC封闭；或将PLC安装在密闭性较高的控制室内，并安装空气净化装置。 　　二、PLC系统中干扰的主要来源和预防措施 　　电源的干扰 　　PLC系统控制的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰，空间的辐射电磁场(EMI)主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达等产生的，通常称为辐射干扰，若PLC系统置于所射频场内，就会收到辐射干扰，而在线路上感应电压。尤其是电网内部的变化，刀开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边。可能造成程序错误或运算错误，从而产生误输入并引起误输出，这将会造成设备的失控和误动作，从而不能保证PLC的正常运行。 　　与PLC控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信号之外，总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径：一是通过变送器或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰;二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，由此引起系统故障的情况也很多。 　　接地系统的干扰 　　接地是提高电子设备电磁兼容性(EMC)的有效手段之一。正确的接地，既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰;而错误的接地，反而会引入严重的干扰信号，使PLC系统将无法正常工作。 

6ES7 214-2AD23-0XB8    CPU224XP DC/DC/DC,14DI/10DO,2AI/1AO(PNP)

6ES7 214-2AS23-0XB8    CPU224XPsi DC/DC/DC,14DI/10DO,2AI/1AO(NPN)

6ES7 214-2BD23-0XB8    CPU224XP 继电器输出,14DI/10DO,2AI/1AO

6ES7 216-2AD23-0XB8    CPU226 DC/DC/DC,24输入/16输出

6ES7 216-2BD23-0XB8    CPU226 继电器输出,24输入/16输出

扩展模块    

6ES7 221-1BH22-0XA8    EM221 16入 24VDC，开关量

6ES7 221-1BF22-0XA8    EM221 8入 24VDC，开关量

6ES7 221-1EF22-0XA0    EM221 8入 120/230VAC，开关量

6ES7 222-1BF22-0XA8    EM222 8出 24VDC，开关量

6ES7 222-1EF22-0XA0    EM222 8出 120V/230VAC，0.5A 开关量

6ES7 222-1HF22-0XA8    EM222 8出 继电器

6ES7 222-1BD22-0XA0     

     EM222 4出 继电器 干触点

6ES7 223-1BF22-0XA8    EM223 4入/4出 24VDC，开关量

6ES7 223-1HF22-0XA8    EM223 4入 24VDC/4出 继电器

6ES7 223-1BH22-0XA8    EM223 8入/8出 24VDC，开关量

6ES7 223-1PH22-0XA8    EM223 8入 24VDC/8出 继电器

6ES7 223-1BL22-0XA8    EM223 16入/16出 24VDC，开关量

6ES7 223-1PL22-0XA8    EM223 16入 24VDC/16出 继电器

6ES7 223-1BM22-0XA8    EM223 32入/32出 24VDC，开关量

6ES7 223-1PM22-0XA8    EM223 32入 24VDC/32出 继电器

6ES7 231-0HC22-0XA8    EM231 4入*12位精度，模拟量

6ES7 231-0HF22-0XA0    EM231 8入*12位精度，模拟量

6ES7 231-7PB22-0XA8    EM231 2入*热电阻，模拟量

6ES7 231-7PC22-0XA0    EM231 4入*热电阻，模拟量

6ES7 231-7PD22-0XA8    EM231 4入*热电偶，模拟量

6ES7 231-7PF22-0XA0    EM231 8入*热电偶，模拟量

6ES7 232-0HB22-0XA8    EM232 2出*12位精度，模拟量

6ES7 232-0HD22-0XA0    EM232 4出*12位精度，模拟量

6ES7 235-0KD22-0XA8    EM235 4入/1出*12位精度，模拟量

6ES7 277-0AA22-0XA0    EM277 PROFIBUS-DP接口模块

6ES7 253-1AA22-0XA0    EM253 位控模块

6ES7 241-1AA22-0XA0    EM241 调制解调器模块

6GK7 243-1EX01-0XE0    CP243-1 工业以太网模块

6GK7 243-1GX00-0XE0    CP243-1IT 工业以太网模块

　　变频器干扰 　　一是变频器启动及运行过程中产生谐波对电网产生传导干扰，引起电网电压畸变，影响电网的供电质量;二是变频器的输出会产生较强的电磁辐射干扰，影响周边设备的正常工作。 　　电源干扰的抑制 　　一般通过设置屏蔽电缆和PLC局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。选用隔离性能较好的设备、选用优良的电源、动力线和信号线走线要更加合理等等，对电源变压器、*处理器、编程器等主要部件，采用导电、导磁性良好的材料进行屏蔽处理，以防止外界干扰信号的影响。电源调整与保护:电源波动造成电压畸变或毛刺，将对PLC及I/O模块产生不良影响。 　　对微处理器核心部件所需要的+5V电源采用多级滤波处理，并用集成电压调整器进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。尽量时电源线平行走线，时电源线对地呈低阻抗，以减少电源噪声干扰。其屏蔽层接地方式不同，对干扰抑制效果不一样，一般次级线圈不能接地。输入、输出线应用双绞线且屏蔽层应可靠接地，以抑制共摸干扰。此外可以安装一台带屏蔽层的变比为1：1的隔离变压器，以减少设备与地之间的干扰，还可以在电源输入端串接LC滤波电路等。