DCS與PLC較量：如何選擇適合自己的過程控制

      導讀：工業(yè)界對于分布式控制系統(tǒng)(DCS)與可編程邏輯控制器(PLC)兩者孰優(yōu)孰劣的爭論已經(jīng)持續(xù)了至少40年。然而，隨著技術(shù)的發(fā)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(jīng)一度很清晰的選擇，現(xiàn)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(jié)構(gòu)源自一種完整的系統(tǒng)方法，其焦點在于基于網(wǎng)絡實現(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區(qū)域。通過高性能的確定性網(wǎng)絡實現(xiàn)一致、同步并且完整的過程數(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)*近的發(fā)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(tài)看起來與DCS十分類似，但是這仍舊是一種自建(DIY)的實現(xiàn)方法，意味著工程師必須親力親為實現(xiàn)系統(tǒng)的每一個環(huán)節(jié)。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(wǎng)和性能上更大的技術(shù)風險，其導致的成本增加會在后期慢慢體現(xiàn)。
　　
　　以前，相對于PLC系統(tǒng)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(chǎn)速度、產(chǎn)量、廢物排放、**性和遵循法規(guī)上的需求并不高。正是因為這樣，基于PLC的系統(tǒng)才獲得了發(fā)展，因為它們能夠提供更低的固定資產(chǎn)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(tǒng)的價格不斷降低，制造企業(yè)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(tǒng)工程師、維護經(jīng)理和工廠經(jīng)理開始重新審視DCS和PLC控制系統(tǒng)兩者的優(yōu)劣。
　　
　　在評價DCS和基于PLC架構(gòu)的自建分布式控制系統(tǒng)時，有幾個要點需要注意。
　　
　　網(wǎng)絡性能
　　
　　優(yōu)良的網(wǎng)絡性能始于合理的網(wǎng)絡設計，而合理的網(wǎng)絡設計依賴于對每一個網(wǎng)絡節(jié)點的通訊行為和用來承載網(wǎng)絡信息的協(xié)議的詳盡了解。主要的過程自動化供應商已經(jīng)注意到這種需求，他們提供*優(yōu)的方案，使用戶可以為控制系統(tǒng)選擇*優(yōu)的網(wǎng)絡設計。而DIY方案的應用工程師可能需要首先完成特定網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的搭建。
　　
　　網(wǎng)絡設計和安裝完成之后，下一步就是測試網(wǎng)絡性能到底如何。對于不同的數(shù)據(jù)采集量、警報、歷史信息、對等網(wǎng)絡信息和隨時可能發(fā)生的備份作業(yè)，同樣的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的性能可能具有很大的差異，這需要依靠**的*優(yōu)拓撲結(jié)構(gòu)測試才能夠得出結(jié)論。
　　
　　假設用戶已經(jīng)完成了網(wǎng)絡的設計和安裝，工廠達到了*大生產(chǎn)能力，一切都按照預期運行，那么此時需要面臨的挑戰(zhàn)就是如何維持這種平穩(wěn)的網(wǎng)絡作業(yè)狀態(tài)。
　　
　　一種解決方案是在項目之初就安裝容錯以太網(wǎng)(FTE)，這是一種使用并不昂貴的成品組件實現(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)絡診斷，實現(xiàn)對過程控制網(wǎng)絡的持續(xù)關(guān)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(chǎn)系統(tǒng)之前對其進行功能和性能的測評。有經(jīng)驗的網(wǎng)絡工程師深知網(wǎng)絡上的每一臺設備都必須正常工作，才能構(gòu)成一個健康的網(wǎng)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(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(zhuǎn)周期內(nèi)實現(xiàn)可重復的控制，有助于工廠實現(xiàn)可重復的質(zhì)量、生產(chǎn)率和作業(yè)結(jié)果。
　　
　　運行周期并非**差別，其他系統(tǒng)服務也將優(yōu)先解決控制器的配置，例如，如果控制器產(chǎn)生的報警會對控制任務產(chǎn)生影響，那么這些報警就會被屏蔽，當過程擾動漸趨平穩(wěn)時，再恢復這些警報。為了有效實現(xiàn)這種警報管理機制，必須能夠與控制產(chǎn)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(tǒng)和事件子系統(tǒng)也是如此。老話重提，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(jīng)濟效益。設想一下過程控制環(huán)境無需建立圖形界面，因為它們已經(jīng)內(nèi)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(nèi)DCS系統(tǒng)的價格不斷降低，制造企業(yè)對其需求也隨之上升。
　　
　　如果系統(tǒng)控制功能和作業(yè)環(huán)境整合在一起，那么支撐過程工廠運轉(zhuǎn)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(tài)顯示，這不僅對于**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主要用于指定用戶功能的屬性。通過創(chuàng)建具有完整參數(shù)功能的功能模塊，用戶可以開發(fā)并對控制策略實現(xiàn)精準調(diào)整，無需重新設計控制功能，所有必需的功能都經(jīng)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(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)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(jīng)通過驗證，可以按需選擇。HMI中的報警、趨勢分析和歷史數(shù)據(jù)功能所需的參數(shù)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(tǒng)20~30年的服役期內(nèi)，考慮用戶需要對系統(tǒng)進行擴展、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，那么支撐過程工廠運轉(zhuǎn)的90%的功能都可以標準化。”
　　
　　對于DIY系統(tǒng)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(quán)、DVD安裝盤、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？一個授權(quán)文件可以用于所有支撐過程工廠運行的控件、數(shù)據(jù)備份、趨勢分析對象、業(yè)務集成軟件和工廠運行中所需要的圖形。DCS體系結(jié)構(gòu)能夠確保所有的控制應用程序都被正確加載，版本正確且經(jīng)過兼容性測試。
　　
　　數(shù)據(jù)管理
　　
　　當DIY的DCS系統(tǒng)被拼湊起來后，各種不同的數(shù)據(jù)模型將會產(chǎn)生多種代表同樣信息的數(shù)據(jù)。當這些個體被組裝成一個系統(tǒng)之后，這些不同種類的數(shù)據(jù)模型必須同步并且受到維護，對于應用工程師和系統(tǒng)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(jié)構(gòu)來說，通用的數(shù)據(jù)模型能覆蓋整套系統(tǒng)。因此，一個數(shù)據(jù)源可以為系統(tǒng)任何位置的任何一個應用程序或者服務提供數(shù)據(jù)。這個問題的關(guān)鍵并不在于數(shù)據(jù)庫的數(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組件所使用，而且數(shù)據(jù)組件無需復制。綜合的數(shù)據(jù)模型并不一定意味著僅使用一個數(shù)據(jù)庫，但是它肯定意味著對于任何數(shù)據(jù)組件來說都具有同一個去處。
　　
　　批量自動化
　　
　　DCS體系結(jié)構(gòu)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(jīng)典DCS體系結(jié)構(gòu)在提供完整的解決方案時也面臨著不小挑戰(zhàn)，因為批量環(huán)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(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(zhí)行更加快速，循環(huán)時間得以縮短，產(chǎn)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(yè)環(huán)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(yōu)勢在于僅需學習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(jīng)典DCS體系結(jié)構(gòu)也能夠?qū)⒌谌皆O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?qū)⑵髽I(yè)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(zhí)行系統(tǒng)(MES)、資產(chǎn)管理系統(tǒng)、報表軟件、統(tǒng)計過程控制(SPC)、停機跟蹤或者其他企業(yè)層解決方案進行提前考慮是很重要的。
　　
　　仿真技術(shù)
　　
　　控制策略在應用到實際的過程之前必須經(jīng)過徹底的“排查”。由于過程控制關(guān)注可重復性，所以能夠?qū)⒖刂撇呗灾苯舆\行于仿真環(huán)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(xiàn)過程執(zhí)行的計時。
　　
　　“由于過程控制關(guān)注可重復性，所以能夠?qū)⒖刂撇呗灾苯舆\行于仿真環(huán)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(shù)，在工廠整個生命周期內(nèi)幫助改善性能。有多種仿真選擇，從離線的穩(wěn)態(tài)設計仿真、控制核查和操作員培訓到在線控制和優(yōu)化、性能監(jiān)控和作業(yè)計劃仿真。
　　
　　過程歷史數(shù)據(jù)
　　
　　徹底的過程改進依賴于優(yōu)良的過程數(shù)據(jù)，這意味著歷史數(shù)據(jù)的收集必須與工廠自動化系統(tǒng)的功能協(xié)調(diào)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(shù)據(jù)收集，那么之后必須能夠恢復歷史數(shù)據(jù)，因為不完整的歷史數(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)用于趨勢和質(zhì)量分析。
　　
　　基于此種目的，大多數(shù)現(xiàn)有的DCS平臺現(xiàn)在都具有耐用的內(nèi)置過程歷史數(shù)據(jù)功能，工程師和工廠管理人員可以藉此在單一站點完成對整體作業(yè)性能的分析。冗余數(shù)據(jù)收集機制還能保證在主歷史數(shù)據(jù)收集器失效時迅速切換至輔助歷史數(shù)據(jù)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(yè)需求時，必須仔細考慮，然后再決定哪一種技術(shù)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(guī)模較小的應用也是如此。對上文討論的內(nèi)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。