DCS與PLC較量：如何選擇適合自己的過程控制

      導讀：工業界對于分布式控制系統(DCS)與可編程邏輯控制器(PLC)兩者孰優孰劣的爭論已經持續了至少40年。然而，隨著技術的發展，爭論并未停止。由于兩者功能特性越來越接近，價格差異也在縮小，曾經一度很清晰的選擇，現在似乎變得越來越模糊。要想理解這兩者之間的爭論，就一定要明確這兩種平臺之間的根本性差異。
　　
　　要想理解這兩者之間的爭論，就一定要明確這兩種平臺之間的根本性差異。例如，DCS體系結構源自一種完整的系統方法，其焦點在于基于網絡實現分布式控制，協助作業人員監視并操控工廠中的任何一個區域。通過高性能的確定性網絡實現一致、同步并且完整的過程數據正是DCS體系結構的核心。
　　
　　另一方面，PLC體系結構聚焦于靈活快速的本地控制，PLC技術*近的發展為其增加了過程控制能力。當PLC和HMI軟件集成在一起時，其*終形態看起來與DCS十分類似，但是這仍舊是一種自建(DIY)的實現方法，意味著工程師必須親力親為實現系統的每一個環節。對于控制來說這種方法更加靈活，但是DIY通常意味著在組網和性能上更大的技術風險，其導致的成本增加會在后期慢慢體現。
　　
　　以前，相對于PLC系統來說，DCS通常更加昂貴，而且與今天面臨的狀況不同，當年很多工廠對生產速度、產量、廢物排放、**性和遵循法規上的需求并不高。正是因為這樣，基于PLC的系統才獲得了發展，因為它們能夠提供更低的固定資產投資，同時提供的功能也足夠用。但是隨著時代的變遷，在全球市場范圍DCS系統的價格不斷降低，制造企業對其需求也隨之上升。因此，在投建新自動化項目時，很多控制系統工程師、維護經理和工廠經理開始重新審視DCS和PLC控制系統兩者的優劣。
　　
　　在評價DCS和基于PLC架構的自建分布式控制系統時，有幾個要點需要注意。
　　
　　網絡性能
　　
　　優良的網絡性能始于合理的網絡設計，而合理的網絡設計依賴于對每一個網絡節點的通訊行為和用來承載網絡信息的協議的詳盡了解。主要的過程自動化供應商已經注意到這種需求，他們提供*優的方案，使用戶可以為控制系統選擇*優的網絡設計。而DIY方案的應用工程師可能需要首先完成特定網絡拓撲結構的搭建。
　　
　　網絡設計和安裝完成之后，下一步就是測試網絡性能到底如何。對于不同的數據采集量、警報、歷史信息、對等網絡信息和隨時可能發生的備份作業，同樣的網絡拓撲結構的性能可能具有很大的差異，這需要依靠**的*優拓撲結構測試才能夠得出結論。
　　
　　假設用戶已經完成了網絡的設計和安裝，工廠達到了*大生產能力，一切都按照預期運行，那么此時需要面臨的挑戰就是如何維持這種平穩的網絡作業狀態。
　　
　　一種解決方案是在項目之初就安裝容錯以太網(FTE)，這是一種使用并不昂貴的成品組件實現冗余工業以太網的組網技術，這種技術能夠提供高可用性。FTE還能夠提供足夠的網絡診斷，實現對過程控制網絡的持續關注，可以作為DCS的一部分。
　　
　　而且，工廠必須在補丁和更新被載入生產系統之前對其進行功能和性能的測評。有經驗的網絡工程師深知網絡上的每一臺設備都必須正常工作，才能構成一個健康的網絡整體，正所謂一條臭魚腥了一鍋湯。
　　
　　控制性能
　　
　　良好的過程控制是建立在可靠和可重復的控制策略上的。過程控制器作為經典DCS體系結構的一部分，在作業方法上比PLC具有更多選擇。PLC的運行速度相對來說更快，而過程控制器的強項在于可重復性，這意味著控制策略的運行周期是固定的——運行的過快或者過慢都是不能接受的。在每一個運轉周期內實現可重復的控制，有助于工廠實現可重復的質量、生產率和作業結果。
　　
　　運行周期并非**差別，其他系統服務也將優先解決控制器的配置，例如，如果控制器產生的報警會對控制任務產生影響，那么這些報警就會被屏蔽，當過程擾動漸趨平穩時，再恢復這些警報。為了有效實現這種警報管理機制，必須能夠與控制產生警報的時間緊密配合，那些用來收集、存儲和報告這些警報的報警子系統和事件子系統也是如此。老話重提，系統的作業方法是DCS的核心。
　　
　　HMI圖形
　　
　　HMI軟件包供應商通常都會吹噓操作員設計圖形界面是如何的容易。但是不管圖形界面設計的多么令人印象深刻，它都不能為工廠帶來直接的經濟效益。設想一下過程控制環境無需建立圖形界面，因為它們已經內置了圖形界面，這是多么愜意的一件事。
　　
　　但是隨著時代的變遷，在全球市場范圍內DCS系統的價格不斷降低，制造企業對其需求也隨之上升。
　　
　　如果系統控制功能和作業環境整合在一起，那么支撐過程工廠運轉的90%的功能都可以標準化。一些DCS平臺能夠提供上百種標準面板、分組顯示和狀態顯示，這不僅對于**有效的工廠作業非常重要，關鍵這些功能是現成的。
　　
　　控制算法
　　
　　面向對象的功能模塊主要用于指定用戶功能的屬性。通過創建具有完整參數功能的功能模塊，用戶可以開發并對控制策略實現精準調整，無需重新設計控制功能，所有必需的功能都經過備案可選。應用工程師僅需將模塊集成到所需的控制配置中即可，十分容易。無需編程的自動備案控制器配置使DCS體系結構對于工程師的使用和故障排查來說十分高效。
　　
　　讓我們以一個常用的過程控制功能——PID模塊為例。使用DCS全球數據模型，可以通過配置界面獲得PID功能模塊的全部信息，此界面的各種算法已經通過驗證，可以按需選擇。HMI中的報警、趨勢分析和歷史數據功能所需的參數可以在一個站點輕松完成獲取和配置，無需再對HMI配置進行更改。
　　
　　應用軟件
　　
　　在一套自動化系統20~30年的服役期內，考慮用戶需要對系統進行擴展、更改或者為系統增加新技術的頻次是很重要的。
　　
　　“如果系統控制功能和作業環境整合在一起，那么支撐過程工廠運轉的90%的功能都可以標準化。”
　　
　　對于DIY系統來說，要想找到工廠運行所需的所有應用程序，只需要翻翻PLC和HMI供應商的選型手冊然后下訂單即可，隨后就可以獲得授權、DVD安裝盤、下載內容和其他一系列有用的資料。但是，如果只需要選擇一種型號代碼就可以立即收到所需的整套系統豈不是更加便利么？一個授權文件可以用于所有支撐過程工廠運行的控件、數據備份、趨勢分析對象、業務集成軟件和工廠運行中所需要的圖形。DCS體系結構能夠確保所有的控制應用程序都被正確加載，版本正確且經過兼容性測試。
　　
　　數據管理
　　
　　當DIY的DCS系統被拼湊起來后，各種不同的數據模型將會產生多種代表同樣信息的數據。當這些個體被組裝成一個系統之后，這些不同種類的數據模型必須同步并且受到維護，對于應用工程師和系統管理員來說，完成這項工作是一個不小的負擔。
　　
　　而對于DCS體系結構來說，通用的數據模型能覆蓋整套系統。因此，一個數據源可以為系統任何位置的任何一個應用程序或者服務提供數據。這個問題的關鍵并不在于數據庫的數量，而在于單一的數據模型，不管數據組件在何處，它都可以被體系下的任何一個組件所使用，而且數據組件無需復制。綜合的數據模型并不一定意味著僅使用一個數據庫，但是它肯定意味著對于任何數據組件來說都具有同一個去處。
　　
　　批量自動化
　　
　　DCS體系結構的綜合特性長久以來一直是批量自動化工程的上佳之選。相比于其他類型的自動化，批量要求在相位、單位、配方、公式和其他要素上做到精細的配合。即使經典DCS體系結構在提供完整的解決方案時也面臨著不小挑戰，因為批量環境中的組件實在過于多樣化。正是基于此種原因，很多批量自動化工程都選擇將多種解決方案混合成一種解決方案。
　　
　　不管怎樣，批量數據模型已經不像從前那樣令人心生畏懼了，批量自動化解決方案的各種不同的信息現在使用單一的DCS數據模型就可以采集完成。例如，批量管理和執行所需的所有組件都運行于過程控制器上，或者在要求耐用性的場合這些組件都運行于冗余控制器上。這意味著沒必要非得使用一臺PC作為批量服務器。因為所有的批量組件都運行于控制器上，批量執行更加快速，循環時間得以縮短，產量提升。而且，對于各種報警、安保和顯示功能，操作人員只需要學習一種作業環境即可，誤操作的可能性也更低。從工程和維護的觀點來看，這種方法的優勢在于僅需學習并支持一種工具即可控制工程網版權所有，事半功倍。
　　
　　開放式連通性
　　
　　今天的過程工廠很少選擇單一品牌的控制器。這就是為什么經典DCS體系結構也能夠將第三方設備以同樣的數據模型引入的原因。這意味著操作人員能夠以一種統一的風格瀏覽來自于不同廠家的控制器的信息。
　　
　　控制解決方案是否能夠將企業解決方案無縫融入控制層也是一個重要的考慮方面。因為信息富集型應用通常都是如需則急需，所以對制造執行系統(MES)、資產管理系統、報表軟件、統計過程控制(SPC)、停機跟蹤或者其他企業層解決方案進行提前考慮是很重要的。
　　
　　仿真技術
　　
　　控制策略在應用到實際的過程之前必須經過徹底的“排查”。由于過程控制關注可重復性，所以能夠將控制策略直接運行于仿真環境而無需更改，這一點是十分必要的。過程控制中的計時是很必要的，仿真器必須能夠可靠地重現過程執行的計時。
　　
　　“由于過程控制關注可重復性，所以能夠將控制策略直接運行于仿真環境而無需更改，這一點是十分必要的。”
　　
　　基于此種原因，DCS供應商都提供先進的仿真器技術，在工廠整個生命周期內幫助改善性能。有多種仿真選擇，從離線的穩態設計仿真、控制核查和操作員培訓到在線控制和優化、性能監控和作業計劃仿真。
　　
　　過程歷史數據
　　
　　徹底的過程改進依賴于優良的過程數據，這意味著歷史數據的收集必須與工廠自動化系統的功能協調一致，不會妨礙更加緊急的控制要求。但是，如果出于某種原因必須中斷歷史數據收集，那么之后必須能夠恢復歷史數據，因為不完整的歷史數據是不能接受的。工廠需要一種可靠的解決方案以獲取歷史數據，并將這些數據用于趨勢和質量分析。
　　
　　基于此種目的，大多數現有的DCS平臺現在都具有耐用的內置過程歷史數據功能，工程師和工廠管理人員可以藉此在單一站點完成對整體作業性能的分析。冗余數據收集機制還能保證在主歷史數據收集器失效時迅速切換至輔助歷史數據收集器。
　　
　　做出決定
　　
　　當然，每一家工廠對自動化和控制都有其****的要求，實際上不管是DCS還是PLC都能滿足每一家工廠的需求，落實到具體的應用和作業需求時，必須仔細考慮，然后再決定哪一種技術更適合自己的過程控制。當前對于DCS的需求正在上升，即使對于規模較小的應用也是如此。對上文討論的內容略加思索，操作人員和工程師就能對DCS和PLC的能力有一個初步的認識，并在兩者之間做選擇的時候能夠更加深入地考量。