第9章控制系統(tǒng)比較

控制系統(tǒng)類型及其對比PCS系統(tǒng)即基層自動化系統(tǒng)，主要包括以下幾種控制系統(tǒng)：……1、DCS2、PLC3、PAC4、SCADA、RTU5、PC-based控制器、IPC第一部分分散控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem)，采用功能分級、軟硬件分布配置、監(jiān)控管理功能集中于中央站和有相當操作級別的終端，實時性強的控制和調節(jié)功能由分站完成，中央站停止工作不影響分站功能和設備運轉，對于局部網絡通信控制也不應因此而中斷。由HONEYWELL(霍尼韋爾)公司在1975年首先推出的系統(tǒng)。即：TDC2000，它只有模擬量控制。目前生產DCS的廠家：（1）國外：HONEYWELL公司－ExpersionPKS;ABB－IndustrialIT；Simenz－PCS7；日本橫河的YEPARKMARKⅡ等等。（2）國內：浙大中控、和利時等。一、DCS1、基本概念：（1）第一個階段---20世紀50年代前后，過程控制開始發(fā)展。這一階段主要采用了基地式儀表和部分單元組合儀表，多數為氣動式儀表?？刂葡到y(tǒng)結構簡單，控制參數少。（2）第二個階段---20世紀60年代，電子技術的發(fā)展，為自動化技術工具的完善提供了條件，開始大量采用單元組合儀表，組裝儀表也已使用，能夠滿足比較復雜的模擬和邏輯控制規(guī)律相結合的控制系統(tǒng)需要。計算機開始用在工業(yè)生產中，比較復雜的控制算法如串級控制、比值控制和均勻控制等開始使用。2、發(fā)展歷程一、DCS（3）第三個階段----70年代以后，微型機的出現(xiàn)，是過程控制發(fā)展到現(xiàn)代過程控制的新階段。采用了以微處理器為核心的智能單元組合儀表，儀表可靠性能提高了，適應了各種復雜的控制系統(tǒng)的要求。由于生產過程是一個分散的系統(tǒng)，為滿足工業(yè)生產分散過程的需要，集散型控制系統(tǒng)（DCS）應運而生。（4）現(xiàn)場總線的出現(xiàn)－FCS。3、DCS組成DCS由四部份組成（也可以說成三部分）：I/O板、控制器、操作站和通訊網絡。人機接口包括操作站、工程師站和歷史站?？刂破鱅/O部件和生產過程相聯(lián)接，操作站和人相聯(lián)系，通訊網絡把這兩部分聯(lián)成系統(tǒng)。所以操作站是DCS的重要組成部分，工程師站給控制器和操作站組態(tài)，歷史站記錄生產過程的歷史數據。最近幾年開發(fā)的人機界面還有動態(tài)數據服務器。一、DCS4、現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線是20世紀80年代末、90年代初國際上形成的,用于生產現(xiàn)場、在微機化測量控制設備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數字通信的系統(tǒng),也被稱為開放式、數字化、多點通信的底層控制網絡?，F(xiàn)場總線技術以數字信號取代模擬信號，在3C（Computer計算機、Control控制、Communication通信）技術的基礎上，大量現(xiàn)場檢測與控制信息就地采集、就地處理、就地使用，許多控制功能從控制室移至現(xiàn)場設備。一、DCS現(xiàn)場總線FCS4.1現(xiàn)場總線類型目前，國內、外的現(xiàn)場總線有60幾種之多。2000年1月4日通過IEC61158.3～6標準，該標準包括了8種類型的現(xiàn)場總線子集，它們分別是：①基金會現(xiàn)場總線FF(原有的技術規(guī)范IEC61158)；②ControlNet；③Profibus；④P—Net；⑤FFHSE；⑥SwiftNet；⑦WordFIP；⑧Interbus。④、⑥是用于有限領域的專用現(xiàn)場總線；②、③、⑦、⑧是由PLC為基礎的控制系統(tǒng)發(fā)展而來，本質上以遠程I/O總線技術為基礎，通常不具備通過總線向現(xiàn)場設備供電和本征安全性能；①、⑤則由傳統(tǒng)DCS控制系統(tǒng)發(fā)展而來，具有總線供電和本征安全功能；①、⑧屬于現(xiàn)場設備級總線，②、⑤屬于監(jiān)控級現(xiàn)場總線；③、⑦則是包括兩個層次的現(xiàn)場總線。一、DCS一、DCS4.2現(xiàn)場總線與以太網比較物理層比較(2)介質訪問控制方式比較

現(xiàn)場總線介質訪問控制方式：

現(xiàn)場總線的介質訪問控制方式要滿足工業(yè)控制網絡的要求，即通信的實時性和確定性。確定性指站點每次得到網絡服務間隔和時間是確定的；實時性指網絡分配給站點的服務時間和間隔可以保證站點完成它確定的任務。

目前現(xiàn)場總線技術采用的介質訪問控制方式主要有：令牌、主從、生產者/客戶（producer/consumer）。

以太網介質訪問控制方式：

CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測)是以太網（或IEEE802.3）采用的介質訪問控制方式。一、DCS二、PLC1、基本概念：可編程序控制器，專為在工業(yè)環(huán)境中應用而設計，采用可編程序的存儲器存儲操作指令，并通過數字式的或模擬式的輸入輸出控制機械或生產過程（IEC—1985）。1969年美國通用公司生產第一套PLC（ProgrammableLogicController）。國內外許多生產PLC廠家。著名廠家有A—B（Allen－Bradley）艾倫一布拉德利公司，MODICON莫迪康公司，GE－FSNUC公司，TI（TexasInstrument）德州儀器公司，WESTHOUSEElectric西屋電氣公司，IPM（InternationalParallelMachines）國際并行機器公司等歐洲PLC的廠家有60余家:西門子（Siemens）于1973年研制出第一臺PLC。金鐘默勒（KlocknerMoellerGmbh），AEG，法國的TE(Telemecanique）(施耐德）瑞士的Selectron公司等。二、PLC二、PLC

1971年，日本從美國引進PLC技術，由日立公司研制成功日本第一臺PLC。日本生產PLC的廠家有40余家：三菱電機(MITSUBISHI),歐姆龍(OMRON),富士電機（FujiElectric）,東芝（TOSHIBA）,光洋（KOYO)，松下電工（MEW）,和泉（IDEC），夏普(SHARP）,安川等公司。二、PLC我國在70年代末和80年代初開始引進PLC。我國早期獨立研制PLC的單位有：北京機械工業(yè)自動化研究所，上海工業(yè)自動化儀表研究所，大連組合機床研究所，成都機床電器研究所，中科院北京計算機所及自動化所，長春一汽，上海起重電器廠，上海香島機電公司，上海自力電子設備廠等單位。以上諸單位都沒有形成規(guī)?；a。2、發(fā)展歷程

上世紀80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為30~40%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數字運算能力、人機接口能力和網絡能力得到大幅度提高，PLC逐漸進入過程控制領域，在某些應用上取代了在過程控制領域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。

PLC具有通用性強、使用方便、適應面廣、可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單等特點。PLC在工業(yè)自動化控制特別是順序控制中的地位，在可預見的將來，是無法取代的。3、PLC構成從結構上分，PLC分為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式PLC包括CPU板、I/O板、顯示面板、內存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式PLC包括CPU模塊、I/O模塊、內存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。二、PLC三、PAC1、基本概念：PAC這個概念的提出是針對PLC的概念而來，作為一種快速和可靠的解決方案，由自動化研究機構(ARC)提出的，它表示可編程自動化控制器，用于描述結合了PLC和PC功能的新一代工業(yè)控制器。傳統(tǒng)的PLC廠商使用PAC的概念來描述他們的高端系統(tǒng)，而PC控制廠商則用來描述他們的工業(yè)化控制平臺。采用現(xiàn)有的商業(yè)計算機技術，所以具有更優(yōu)異的效能，并具有可伸縮性。透過商業(yè)化大量生產的平臺，所以易于維護和具有較低的發(fā)生故障時間等特性。

目前生產PAC的廠家如羅克維爾、研華、貝加萊等。PAC技術是一種新型的控制技術，與PLC相比，具有開放的體系結構和優(yōu)秀的互操作性、靈活性；與PC相比，又具有更高的穩(wěn)定性和更好的實時性，能更好地滿足現(xiàn)代工業(yè)自動化的要求，是目前工業(yè)自動化領域研究的熱點之一。2、PAC發(fā)展前景及趨勢四、SCADA、RTU1、SCADA：（1）SCADA(SupervisoryControlAndDataAcquisition)系統(tǒng)，即數據采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)的應用領域很廣，它可以應用于電力系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、石油、化工等領域的數據采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領域。在電力系統(tǒng)以及電氣化鐵道上又稱遠動系統(tǒng)。SCADA系統(tǒng)是以計算機為基礎的生產過程控制與調度自動化系統(tǒng)。它可以對現(xiàn)場的運行設備進行監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數據采集、設備控制、測量、參數調節(jié)以及各類信號報警等各項功能。（2）SCADA系統(tǒng)發(fā)展到今天已經經歷了三代。第一代是基于專用計算機和專用操作系統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)。這一階段是從計算機運用到SCADA系統(tǒng)時開始到70年代。第二代是80年代基于通用計算機的SCADA系統(tǒng)，在第二代中，廣泛采用VAX等其它計算機以及其它通用工作站，操作系統(tǒng)一般是通用的UNIX操作系統(tǒng)。在這一階段，SCADA系統(tǒng)在電網調度自動化中與經濟運行分析，自動發(fā)電控制（AGC）以及網絡分析結合到一起構成了EMS系統(tǒng)（能量管理系統(tǒng)）。第一代與第二代SCADA系統(tǒng)的共同特點是基于集中式計算機系統(tǒng)，并且系統(tǒng)不具有開放性，因而系統(tǒng)維護，升級以及與其它聯(lián)網構成很大困難。

90年代按照開放的原則，基于分布式計算機網絡以及關系數據庫技術的能夠實現(xiàn)大范圍聯(lián)網的EMS/SCADA系統(tǒng)稱為第三代。這一階段是我國SCADA/EMS系統(tǒng)發(fā)展最快的階段，各種最新的計算機技術都匯集進SCADA/EMS系統(tǒng)中。這一階段也是我國對電力系統(tǒng)自動化以及電網建設投資最大的時期。

第四代SCADA/EMS系統(tǒng)的基礎條件已經或即將具備。該系統(tǒng)的主要特征是采用Internet技術、面向對象技術、神經網絡技術以及JAVA技術等技術，繼續(xù)擴大SCADA/EMS系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的集成，綜合安全經濟運行以及商業(yè)化運營的需要。四、SCADA、RTU2、RTU：（1）RTU（遠程測控終端），英文全稱RemoteTerminalUnit，中文全稱為遠程終端控制系統(tǒng)，負責對現(xiàn)場信號、工業(yè)設備的監(jiān)測和控制。其中包括：開關量輸入單元、開關量輸出單元、模擬量輸入單元、模擬量輸出單元、脈沖量輸入單元、脈沖量輸出單元、數字量輸入單元。

PLC一般主要用于工廠車間流水線的控制，而RTU在國外主要用于室外應用，惡劣環(huán)境中，比如在一些無人值守的站點。（2）RTU是構成企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)的核心裝置，通常由信號輸入/出模塊、微處理器、有線/無線通訊設備、電源及外殼等組成，由微處理器控制，并支持網絡系統(tǒng)。它通過自身的軟件(或智能軟件)系統(tǒng)，可理想地實現(xiàn)企業(yè)中央監(jiān)控與調度系統(tǒng)對生產現(xiàn)場一次儀表的遙測、遙控、遙信和遙調等功能。四、SCADA、RTU四、SCADA、RTURTU是一種耐用的現(xiàn)場智能處理器，它支持SCADA控制中心與現(xiàn)場器件間的通訊。它是一個獨立的數據獲取與控制單元。它的作用是在遠端控制控制現(xiàn)場設備，獲得設備數據，并將數據傳給SCADA系統(tǒng)的調度中心。

（3）RTU的發(fā)展歷程是與“三遙”工程技術相聯(lián)系?！叭b”系統(tǒng)工程是多學科、多專業(yè)的高新技術系統(tǒng)工程，涉及計算機、機械、無線電、自動控制等技術，還涉及傳感器技術、儀器儀表技術、非電量測量技術、軟件工程、條碼技術、無線電通訊技術、數據通訊技術、網絡技術、信息處理技術等高新技術。因此，完全可以斷言，RTU的發(fā)展將必然會隨著“三遙”工程技術的發(fā)展而發(fā)展。三遙：遙測、遙控、遙感（遙調、遙訊、遙信）五、PC－based控制器、IPC1、PC-based控制器從外觀到可靠性也都開始可以與PLC相近。PC-based是一種基于PC技術的控制系統(tǒng)。最早的PC-based控制系統(tǒng)是以工控機為核心，通過擴展帶PCI接口的專用板卡組成。PC-based借助于IT技術的發(fā)展，在運算、存儲、組網和軟件開放性方面具有優(yōu)勢。在編程方面，由于IEC61131-3編程語言標準的推出和廣泛采用，為PC-based控制器的高速發(fā)展鋪平了道路。這樣，PC-based控制器不僅具有PC的優(yōu)勢，也具有傳統(tǒng)PLC的優(yōu)勢。它可無縫地融合到網絡時代的信息系統(tǒng)中。

2、IPC—工控機控制系統(tǒng)。實際上控制系統(tǒng)是以上幾種系統(tǒng)組成的混合控制系統(tǒng)（HCS）目前煤礦自動化中應用主要為PLC、SCADA、RTU等，DCS也有小部分應用。PLC與DCS比較PLC與PAC比較PLC與PC－based比較第二部分自動化控制器演化進程一、PLC&DCS1、發(fā)展背景不同：PLC由傳統(tǒng)繼電器控制發(fā)展而來，早期以數字量邏輯控制為主；DCS由模擬儀表控制系統(tǒng)發(fā)展而來，以模擬量回路控制為主。2、性能指標比較：PLCDCS

（1）高速順序控制強較強

（2）復雜過程控制較強強

（3）硬件可靠性強強

（4）聯(lián)網和通訊功能弱強

（5）管理能力弱強

（6）系統(tǒng)診斷和報警弱強4、發(fā)展趨勢由于計算機和網絡技術不斷發(fā)展，DCS和PLC兩者功能不斷相互滲透。這兩類在控制領域各司一方的控制系統(tǒng)，不斷吸納對方優(yōu)點以充實自己。

DCS加強PLC邏輯控制、聯(lián)鎖控制、順序控制和梯形圖語言編程功能，甚至一些新DCS也采用國際標準所規(guī)定的PLC編程語言規(guī)范。DCS在開關量控制速度方面，已有長足進展，像開關量輸入響應速度已達到毫秒級；而PLC則增加DCS的閉環(huán)控制、記錄儀表、CRT顯示和網絡通信功能。DCS和PLC正在走向統(tǒng)一。3、應用范圍

DCS：過程控制，面向工藝變量。

PLC：機械制造和工廠自動化，面向操作人員。一、PLC&DCS二、PLC&PAC1、從外形看，PLC、PAC相似，實質，PAC系統(tǒng)的性能卻廣泛得多。作為一種多功能的控制平臺，用戶可以根據系統(tǒng)的需要，組合和搭配相關的技術和產品以實現(xiàn)功能的側重，因為基于同一發(fā)展平臺進行開發(fā)，所以采用PAC系統(tǒng)保證了控制系統(tǒng)各功能模塊具有統(tǒng)一性，而不僅是一個完全無關的部件拼湊成的集合體。2、工業(yè)領域傳統(tǒng)的控制類型包括離散控制、過程控制與運動控制,以前往往分別采用獨立、專用的控制器，彼此之間通訊時，需要編制大量的工程化軟件，工作量大且復雜。所以這部份的需求使得PLC開始演化成開放式架構，統(tǒng)一的開發(fā)軟件，覆蓋了多種控制類型，完成了控制平臺的橫向集成，在系統(tǒng)設計、項目實施、運行維護、培訓、系統(tǒng)集成、備件等環(huán)節(jié)上，都大大減少了用戶成本。（PAC產生）三、PLC&PC－basedPL