工業(yè)界對(duì)于分布式控制系統(tǒng)(DCS)與可編程邏輯控制器(PLC)兩者孰優(yōu)孰劣的爭(zhēng)論已經(jīng)持續(xù)了至少40年。然而，隨著技術(shù)的發(fā)展，爭(zhēng)論并未停止。由于兩者功能特性越來(lái)越接近，價(jià)格差異也在縮小，曾經(jīng)一度很清晰的選擇，現(xiàn)在似乎變得越來(lái)越模糊。要想理解這兩者之間的爭(zhēng)論，就一定要明確這兩種平臺(tái)之間的根本性差異。
要想理解這兩者之間的爭(zhēng)論，就一定要明確這兩種平臺(tái)之間的根本性差異。例如，DCS體系結(jié)構(gòu)源自一種完整的系統(tǒng)方法，其焦點(diǎn)在于基于網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)分布式控制，協(xié)助作業(yè)人員監(jiān)視并操控工廠中的任何一個(gè)區(qū)域。通過(guò)高性能的確定性網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)一致、同步并且完整的過(guò)程數(shù)據(jù)正是DCS體系結(jié)構(gòu)的核心。
另一方面，PLC體系結(jié)構(gòu)聚焦于靈活快速的本地控制，PLC技術(shù)最近的發(fā)展為其增加了過(guò)程控制能力。當(dāng)PLC和HMI軟件集成在一起時(shí)，其最終形態(tài)看起來(lái)與DCS十分類(lèi)似，但是這仍舊是一種自建(DIY)的實(shí)現(xiàn)方法，意味著工程師必須親力親為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的每一個(gè)環(huán)節(jié)。對(duì)于控制來(lái)說(shuō)這種方法更加靈活，但是DIY通常意味著在組網(wǎng)和性能上更大的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，其導(dǎo)致的成本增加會(huì)在后期慢慢體現(xiàn)。
以前，相對(duì)于PLC系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，DCS通常更加昂貴，而且與今天面臨的狀況不同，當(dāng)年很多工廠對(duì)生產(chǎn)速度、產(chǎn)量、廢物排放、安全性和遵循法規(guī)上的需求并不高。正是因?yàn)檫@樣，基于PLC的系統(tǒng)才獲得了發(fā)展，因?yàn)樗鼈兡軌蛱峁└偷墓潭ㄙY產(chǎn)投資，同時(shí)提供的功能也足夠用。但是隨著時(shí)代的變遷，在全球市場(chǎng)范圍DCS系統(tǒng)的價(jià)格不斷降低，制造企業(yè)對(duì)其需求也隨之上升。因此，在投建新自動(dòng)化項(xiàng)目時(shí)，很多控制系統(tǒng)工程師、維護(hù)經(jīng)理和工廠經(jīng)理開(kāi)始重新審視DCS和PLC控制系統(tǒng)兩者的優(yōu)劣。
在評(píng)價(jià)DCS和基于PLC架構(gòu)的自建分布式控制系統(tǒng)時(shí)，有幾個(gè)要點(diǎn)需要注意。
網(wǎng)絡(luò)性能
優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)性能始于合理的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，而合理的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)依賴(lài)于對(duì)每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通訊行為和用來(lái)承載網(wǎng)絡(luò)信息的協(xié)議的詳盡了解。主要的過(guò)程自動(dòng)化供應(yīng)商已經(jīng)注意到這種需求，他們提供最優(yōu)的方案，使用戶(hù)可以為控制系統(tǒng)選擇最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。而DIY方案的應(yīng)用工程師可能需要首先完成特定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的搭建。
網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和安裝完成之后，下一步就是測(cè)試網(wǎng)絡(luò)性能到底如何。對(duì)于不同的數(shù)據(jù)采集量、警報(bào)、歷史信息、對(duì)等網(wǎng)絡(luò)信息和隨時(shí)可能發(fā)生的備份作業(yè)，同樣的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性能可能具有很大的差異，這需要依靠全面的最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)測(cè)試才能夠得出結(jié)論。
假設(shè)用戶(hù)已經(jīng)完成了網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和安裝，工廠達(dá)到了最大生產(chǎn)能力，一切都按照預(yù)期運(yùn)行，那么此時(shí)需要面臨的挑戰(zhàn)就是如何維持這種平穩(wěn)的網(wǎng)絡(luò)作業(yè)狀態(tài)。
一種解決方案是在項(xiàng)目之初就安裝容錯(cuò)以太網(wǎng)(FTE)，這是一種使用并不昂貴的成品組件實(shí)現(xiàn)冗余工業(yè)以太網(wǎng)的組網(wǎng)技術(shù)，這種技術(shù)能夠提供高可用性。FTE還能夠提供足夠的網(wǎng)絡(luò)診斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)關(guān)注，可以作為DCS的一部分。
而且，工廠必須在補(bǔ)丁和更新被載入生產(chǎn)系統(tǒng)之前對(duì)其進(jìn)行功能和性能的測(cè)評(píng)。有經(jīng)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)工程師深知網(wǎng)絡(luò)上的每一臺(tái)設(shè)備都必須正常工作，才能構(gòu)成一個(gè)健康的網(wǎng)絡(luò)整體，正所謂一條臭魚(yú)腥了一鍋湯。
控制性能
良好的過(guò)程控制是建立在可靠和可重復(fù)的控制策略上的。過(guò)程控制器作為經(jīng)典DCS體系結(jié)構(gòu)的一部分，在作業(yè)方法上比PLC具有更多選擇。PLC的運(yùn)行速度相對(duì)來(lái)說(shuō)更快，而過(guò)程控制器的強(qiáng)項(xiàng)在于可重復(fù)性，這意味著控制策略的運(yùn)行周期是固定的——運(yùn)行的過(guò)快或者過(guò)慢都是不能接受的。在每一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的控制，有助于工廠實(shí)現(xiàn)可重復(fù)的質(zhì)量、生產(chǎn)率和作業(yè)結(jié)果。
運(yùn)行周期并非唯一差別，其他系統(tǒng)服務(wù)也將優(yōu)先解決控制器的配置，例如，如果控制器產(chǎn)生的報(bào)警會(huì)對(duì)控制任務(wù)產(chǎn)生影響，那么這些報(bào)警就會(huì)被屏蔽，當(dāng)過(guò)程擾動(dòng)漸趨平穩(wěn)時(shí)，再恢復(fù)這些警報(bào)。為了有效實(shí)現(xiàn)這種警報(bào)管理機(jī)制，必須能夠與控制產(chǎn)生警報(bào)的時(shí)間緊密配合，那些用來(lái)收集、存儲(chǔ)和報(bào)告這些警報(bào)的報(bào)警子系統(tǒng)和事件子系統(tǒng)也是如此。老話(huà)重提，系統(tǒng)的作業(yè)方法是DCS的核心。
HMI圖形
HMI軟件包供應(yīng)商通常都會(huì)吹噓操作員設(shè)計(jì)圖形界面是如何的容易。但是不管圖形界面設(shè)計(jì)的多么令人印象深刻，它都不能為工廠帶來(lái)直接的經(jīng)濟(jì)效益。設(shè)想一下過(guò)程控制環(huán)境無(wú)需建立圖形界面，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)內(nèi)置了圖形界面，這是多么愜意的一件事。
但是隨著時(shí)代的變遷，在全球市場(chǎng)范圍內(nèi)DCS系統(tǒng)的價(jià)格不斷降低，制造企業(yè)對(duì)其需求也隨之上升。
如果系統(tǒng)控制功能和作業(yè)環(huán)境整合在一起，那么支撐過(guò)程工廠運(yùn)轉(zhuǎn)的90%的功能都可以標(biāo)準(zhǔn)化。一些DCS平臺(tái)能夠提供上百種標(biāo)準(zhǔn)面板、分組顯示和狀態(tài)顯示，這不僅對(duì)于安全有效的工廠作業(yè)非常重要，關(guān)鍵這些功能是現(xiàn)成的。
控制算法
面向?qū)ο蟮墓δ苣K主要用于指定用戶(hù)功能的屬性。通過(guò)創(chuàng)建具有完整參數(shù)功能的功能模塊，用戶(hù)可以開(kāi)發(fā)并對(duì)控制策略實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)整，無(wú)需重新設(shè)計(jì)控制功能，所有必需的功能都經(jīng)過(guò)備案可選。應(yīng)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(wú)需編程的自動(dòng)備案控制器配置使DCS體系結(jié)構(gòu)對(duì)于工程師的使用和故障排查來(lái)說(shuō)十分高效。
讓我們以一個(gè)常用的過(guò)程控制功能——PID模塊為例。使用DCS全球數(shù)據(jù)模型，可以通過(guò)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(jīng)通過(guò)驗(yàn)證，可以按需選擇。HMI中的報(bào)警、趨勢(shì)分析和歷史數(shù)據(jù)功能所需的參數(shù)可以在一個(gè)站點(diǎn)輕松完成獲取和配置，無(wú)需再對(duì)HMI配置進(jìn)行更改。
應(yīng)用軟件
在一套自動(dòng)化系統(tǒng)20~30年的服役期內(nèi)，考慮用戶(hù)需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展、更改或者為系統(tǒng)增加新技術(shù)的頻次是很重要的。
“如果系統(tǒng)控制功能和作業(yè)環(huán)境整合在一起，那么支撐過(guò)程工廠運(yùn)轉(zhuǎn)的90%的功能都可以標(biāo)準(zhǔn)化。”
對(duì)于DIY系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，要想找到工廠運(yùn)行所需的所有應(yīng)用程序，只需要翻翻PLC和HMI供應(yīng)商的選型手冊(cè)然后下訂單即可，隨后就可以獲得授權(quán)、DVD安裝盤(pán)、下載內(nèi)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(hào)代碼就可以立即收到所需的整套系統(tǒng)豈不是更加便利么？一個(gè)授權(quán)文件可以用于所有支撐過(guò)程工廠運(yùn)行的控件、數(shù)據(jù)備份、趨勢(shì)分析對(duì)象、業(yè)務(wù)集成軟件和工廠運(yùn)行中所需要的圖形。DCS體系結(jié)構(gòu)能夠確保所有的控制應(yīng)用程序都被正確加載，版本正確且經(jīng)過(guò)兼容性測(cè)試。
數(shù)據(jù)管理
當(dāng)DIY的DCS系統(tǒng)被拼湊起來(lái)后，各種不同的數(shù)據(jù)模型將會(huì)產(chǎn)生多種代表同樣信息的數(shù)據(jù)。
當(dāng)這些個(gè)體被組裝成一個(gè)系統(tǒng)之后，這些不同種類(lèi)的數(shù)據(jù)模型必須同步并且受到維護(hù)，對(duì)于應(yīng)用工程師和系統(tǒng)管理員來(lái)說(shuō)，完成這項(xiàng)工作是一個(gè)不小的負(fù)擔(dān)。
而對(duì)于DCS體系結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，通用的數(shù)據(jù)模型能覆蓋整套系統(tǒng)。因此，一個(gè)數(shù)據(jù)源可以為系統(tǒng)任何位置的任何一個(gè)應(yīng)用程序或者服務(wù)提供數(shù)據(jù)。這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵并不在于數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)量，而在于單一的數(shù)據(jù)模型，不管數(shù)據(jù)組件在何處，它都可以被體系下的任何一個(gè)組件所使用，而且數(shù)據(jù)組件無(wú)需復(fù)制。綜合的數(shù)據(jù)模型并不一定意味著僅使用一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，但是它肯定意味著對(duì)于任何數(shù)據(jù)組件來(lái)說(shuō)都具有同一個(gè)去處。
批量自動(dòng)化
DCS體系結(jié)構(gòu)的綜合特性長(zhǎng)久以來(lái)一直是批量自動(dòng)化工程的上佳之選。相比于其他類(lèi)型的自動(dòng)化，批量要求在相位、單位、配方、公式和其他要素上做到精細(xì)的配合。即使經(jīng)典DCS體系結(jié)構(gòu)在提供完整的解決方案時(shí)也面臨著不小挑戰(zhàn)，因?yàn)榕凯h(huán)境中的組件實(shí)在過(guò)于多樣化。正是基于此種原因，很多批量自動(dòng)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(shù)據(jù)模型已經(jīng)不像從前那樣令人心生畏懼了，批量自動(dòng)化解決方案的各種不同的信息現(xiàn)在使用單一的DCS數(shù)據(jù)模型就可以采集完成。例如，批量管理和執(zhí)行所需的所有組件都運(yùn)行于過(guò)程控制器上，或者在要求耐用性的場(chǎng)合這些組件都運(yùn)行于冗余控制器上。這意味著沒(méi)必要非得使用一臺(tái)PC作為批量服務(wù)器。因?yàn)樗械呐拷M件都運(yùn)行于控制器上，批量執(zhí)行更加快速，循環(huán)時(shí)間得以縮短，產(chǎn)量提升。而且，對(duì)于各種報(bào)警、安保和顯示功能，操作人員只需要學(xué)習(xí)一種作業(yè)環(huán)境即可，誤操作的可能性也更低。從工程和維護(hù)的觀點(diǎn)來(lái)看，這種方法的優(yōu)勢(shì)在于僅需學(xué)習(xí)并支持一種工具即可控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，事半功倍。
開(kāi)放式連通性
今天的過(guò)程工廠很少選擇單一品牌的控制器。這就是為什么經(jīng)典DCS體系結(jié)構(gòu)也能夠?qū)⒌谌皆O(shè)備以同樣的數(shù)據(jù)模型引入的原因。這意味著操作人員能夠以一種統(tǒng)一的風(fēng)格瀏覽來(lái)自于不同廠家的控制器的信息。
控制解決方案是否能夠?qū)⑵髽I(yè)解決方案無(wú)縫融入控制層也是一個(gè)重要的考慮方面。因?yàn)樾畔⒏患蛻?yīng)用通常都是如需則急需，所以對(duì)制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)、資產(chǎn)管理系統(tǒng)、報(bào)表軟件、統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制(SPC)、停機(jī)跟蹤或者其他企業(yè)層解決方案進(jìn)行提前考慮是很重要的。
仿真技術(shù)
控制策略在應(yīng)用到實(shí)際的過(guò)程之前必須經(jīng)過(guò)徹底的“排查”。由于過(guò)程控制關(guān)注可重復(fù)性，所以能夠?qū)⒖刂撇呗灾苯舆\(yùn)行于仿真環(huán)境而無(wú)需更改，這一點(diǎn)是十分必要的。過(guò)程控制中的計(jì)時(shí)是很必要的，仿真器必須能夠可靠地重現(xiàn)過(guò)程執(zhí)行的計(jì)時(shí)。
“由于過(guò)程控制關(guān)注可重復(fù)性，所以能夠?qū)⒖刂撇呗灾苯舆\(yùn)行于仿真環(huán)境而無(wú)需更改，這一點(diǎn)是十分必要的。”
基于此種原因，DCS供應(yīng)商都提供先進(jìn)的仿真器技術(shù)，在工廠整個(gè)生命周期內(nèi)幫助改善性能。有多種仿真選擇，從離線的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)仿真、控制核查和操作員培訓(xùn)到在線控制和優(yōu)化、性能監(jiān)控和作業(yè)計(jì)劃仿真。
過(guò)程歷史數(shù)據(jù)
徹底的過(guò)程改進(jìn)依賴(lài)于優(yōu)良的過(guò)程數(shù)據(jù)，這意味著歷史數(shù)據(jù)的收集必須與工廠自動(dòng)化系統(tǒng)的功能協(xié)調(diào)一致，不會(huì)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(shù)據(jù)收集，那么之后必須能夠恢復(fù)歷史數(shù)據(jù)，因?yàn)椴煌暾臍v史數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)用于趨勢(shì)和質(zhì)量分析。
基于此種目的，大多數(shù)現(xiàn)有的DCS平臺(tái)現(xiàn)在都具有耐用的內(nèi)置過(guò)程歷史數(shù)據(jù)功能，工程師和工廠管理人員可以藉此在單一站點(diǎn)完成對(duì)整體作業(yè)性能的分析。冗余數(shù)據(jù)收集機(jī)制還能保證在主歷史數(shù)據(jù)收集器失效時(shí)迅速切換至輔助歷史數(shù)據(jù)收集器。
做出決定
當(dāng)然，每一家工廠對(duì)自動(dòng)化和控制都有其獨(dú)一無(wú)二的要求，實(shí)際上不管是DCS還是PLC都能滿(mǎn)足每一家工廠的需求，落實(shí)到具體的應(yīng)用和作業(yè)需求時(shí)，必須仔細(xì)考慮，然后再?zèng)Q定哪一種技術(shù)更適合自己的過(guò)程控制。當(dāng)前對(duì)于DCS的需求正在上升，即使對(duì)于規(guī)模較小的應(yīng)用也是如此。對(duì)上文討論的內(nèi)容略加思索，操作人員和工程師就能對(duì)DCS和PLC的能力有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)，并在兩者之間做選擇的時(shí)候能夠更加深入地考量。
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