过程控制领域的新力量

发布时间：2006-02-14 作者：曹炜,CONTROL ENGINEERING China主编

　　近10年来，过程控制领域陆续不断涌入新的供应商，他们绝大多数是原先传统意义上的PLC厂商。新力量的产生与技术的快速发展有着必然联系，并丰富了用户的选择，是控制领域一个很重要的发展趋势。
　　大家对PLC和DCS应该都不会陌生， 这是控制领域两个很基本的概念。 但最近却也听到有人问这样一个问题：两者的区别究竟是什么？为什么会有这样的疑惑？也许是因为PLC与DCS本来是两个完全不同的概念，彼此距离非常遥远，大家很容易来区别，但现在却正在走近，近得大家的视线有点模糊了。
　　我们先来看看几个新的关于控制系统/控制器的名词，会有助于我们很好理解PLC与DCS。
　　混合控制系统（HCS）是PLC与DCS应用开始重叠的一个例证。它的概念是应用导向的，不是十分严格。在非常经典的流程工业（如炼油）与非常经典的离散工业（如汽车）之间的一些行业（如食品饮料、制药、精细化工），既有较多的模拟量控制，也有很多的开关量控制，这样的场合适合于HCS应用，所以说HCS是一个基于应用来定义的概念，与PLC、DCS不一样。目前市场上既有PLC演变过来的HCS，也有传统DCS厂商推出的HCS，但前者占有明显上风。
　　过程自动化系统（PAS）的概念就比较严格，它由ARC咨询集团提出，虽然概念本身目前在国内使用还不很普及，但在国际上的接受度已经很高。应用于过程工业的控制系统都可以归入PAS，DCS是其子集，PLC本身不是PAS，因为它仅是一个控制器，但基于PLC的控制系统，就也是说在包括了上位软件、I/O、网络设备后，就可以称为PAS。
　　PAS概念的提出实际上反映出PLC正在进入过程应用，DCS已经不是过程应用的唯一选择，市场需要这样一个新的概念来“统一安置所有适合于过程应用的自动化系统”，而ARC很适当地定义了PAS。
　　还有一个概念就是可编程自动化控制器（PAC），在我看来，PAC是个比PAS更为“激进”的概念，其核心有两点，一是强调基于PC控制的可用性，二是过程控制与离散控制（也包括运动控制）可以统一于同一控制器（背板），它进一步拉近了过程控制与离散控制的距离。
　　PLC在过程领域已经成功应用多年，并获得相当程度的认可。从历史来看，PLC的过程应用有三个障碍：
　　§  硬件。今天，各种各样的控制硬件几乎都基于相同的标准工业组件，例如INTEL的微处理器，可以认为硬件已经不是问题。“目前，在控制系统最重要的现场控制站级，DCS和PLC所采用的硬件几乎没有差别，甚至PLC所采用的硬件更先进，例如目前GE Fanuc新的PACSystems采用Intel PIII处理器，主频为700Mhz, 最大内存大于32M”，GE Fanuc中国区软件业务总监贲志刚说。
　　§  软件。在硬件趋同后，各类控制系统（控制器）之间唯一、真正的差异是软件。目前，这方面已经出现了一些很好的解决方案。
　　§  最后一点是用户使用习惯，这个瓶颈仍是目前PLC在过程应用，尤其是大型过程装置的最大障碍，需要时间来解决。
　　PLC应用于过程领域，或作为类似DCS中的现场控制站使用，优势是很明显的。“DCS的控制站与软件、网络大多是专用的，总拥有成本比较高。而PLC的通用性、开放性很好，价格便宜。” 陆斌说，他是OMRON（中国）公司负责CS、CJ系列PLC产品的市场工程师。
　　正是基于对PLC性能与价格的认可，华能信息产业公司等已联合开发出数据引擎技术。该技术通过数据引擎机制来实现控制站的控制逻辑组态运算过程，视窗架构及界面风格与传统DCS组态软件基本一致，但控制器平台可以互换。目前已应用过OMRON的CS系列PLC来作为DCS的控制站。这样，来自PLC供应商的硬件平台与基于数据引擎技术的PineControl软件的组合，就成为一种新型的DCS。据介绍，目前该技术已成功应用于10多家大中型电厂的主控系统及冶金等行业，像在华能福州电厂一台30万千瓦机组采用了50多套OMRON CS1D PLC，包括主控与附控装置，取代了原先的DCS系统。
　　尽管PLC的成功有目共睹，但整体而言，DCS的优势仍然存在。“基于PLC的控制系统与标准DCS相比，DCS有两个好处。一是行业背景，DCS针对不同的行业有不同的应用软件。二是可用性、可操作性强，例如编程，DCS只需要组态后下载到控制器就可以了，不用关心控制器与软件间的连接关系，而PLC加SCADA的工作就会多很多，PLC可以作为没有软件的DCS控制器”，陆斌说。
　　近年来，顺应技术发展潮流与市场需求，众多PLC厂商份份推出各类过程控制系统（控制器）。由于各家公司策略的不同，介入过程领域的深浅与方式并不相同，但它们大都取得了很不错的业绩。
　　下面简单介绍几家主流供应商近期在中国市场推出的过程控制系统（控制器）及市场定位。
　　
贝加莱（B&R）                                                                                                                                         

                                          图1：APROL系统是一个强大而又灵活的开放性平台。
　　APROL是贝加莱推出的基于LINUX 的过程控制系统，是一个完全集成的分布式系统，从现场层的I/O单元到操作监视层的工作站都充分贯彻了模块化的设计思想，即一个系统既可以是紧凑型的单机塔式“APROL system one”，又可以是在控制柜内的带冗余的大型扩展系统。
　　APROL系统的功能及优点包括：完整的设计人员和操作人员登录管理机制；详尽的事件追踪工具，符合FDA 21 CFR PART 11要求；多人并行工程化模式，集中开发分布下载；面向对象的超级宏概念，提高代码的可重用性；完善的版本管理机制；所有层都可以用高级语言C来开发；所有层都可采用标准以太网；支持世界上所有流行的现场总线。
　　自1984年推出至今，APROL已经有着20年的应用历史，遍及石化、冶金、医药、食品、水处理等过程控制行业。
　　贝加莱将APROL定位于新型的过程控制系统。“DCS和PLC发展呈逐渐渗透趋势，PLC的模拟量、回路控制、通讯能力现已支持得很好，DCS的开放性、兼容性、标准化方面也正发生根本性变革。新一代DCS的一个显著特点就是DCS厂家不再生产所有部件，而是利用现成或对外采购进行系统集成，以降低开发风险和开发成本，APROL正是基于这样的设计思想”。贝加莱负责APROL产品应用开发的技术经理陈志平说。
　　“APROL系统是一个强大而又灵活的开放性平台，类似于‘Intel in Side’概念，我们也许可以称之为‘APROL in Side’。APROL不专注于特定行业，虽然我们也有一些特定行业的方案如石油、天然气，但APROL更多是提供一个灵活开放的开发平台。有实力的客户基于APROL可以开发出很强的行业标准方案，适应了多样化的客户市场”，陈志平说。
　　
GE Fanuc                                                                                                                                                  

                                图2：OpenProcess将来的硬件平台将会逐渐转移到PAC系统。
　　OpenProcess原是standauto-mation公司开发的软件，这是一家专业工控软件供应商，主要为大的自动化公司开发程序及一些驱动。原先GE Fanuc一直是通过购买其许可证来销售的。2004年，他们正式购买了原代码（功能块集），并纳入公司的开发策略。OpenProcess原先能支持GE 90-30、90-70系列PLC，随着PAC的推出，下一代的OpenProcess 会建立在PAC之上。
　　据介绍，OpenProcess汲取了传统DCS的优点，在工程师站上完成现场控制站的组态，控制算法开发以及流程图画面的开发。OpenProcess中有80多种常用的过程控制算法供用户使用，包括常规PID、串级PID、前馈控制等等。系统采用一个统一的数据库，不需要单独进行组态、编程和流程图画面的开发。在现场控制站层，采用包括从处理器、现场I/O网络，到现场I/O的多层面冗余结构，保证用户在关键控制场合的可靠性。在过程管理层，采用客户/服务器体系结构，服务器冗余。
　　OpenProcess控制算法采用仪表人员熟悉的SAMA图风格，仪表人员很容易将P&I图转化成控制算法，而不再采用梯形图进行过程控制算法开发。另外，工程师站可以有多种可选的软件包，用于用户的高级应用，包括配方、SPC、基于Web的网络操作等。OpenProcess提供用户程序接口用于和工厂管理网络进行通讯，另外可以和先进的Proficy Historian软件集成。Proficy Historian可以将OpenProcess的数据送到工厂级网络。
　　“一台OpenProcess控制器I/O点可以达到2000点，大的系统可以用多套，整体规模10000多点没问题。2000年，OpenProcess就已经推向国内市场，OpenProcess将来会增加针对行业的功能块，如医药、化工、锅炉控制等，并会增强Web功能，提高冗余能力。”GE Fanuc公司软件解决方案经理赵榕说。
　　“由于OpenProcess非常适合中小规模的过程控制应用，编程调试也比较简便，整体配置价格相对于DCS系统来说更便宜，推出后，在石油分馏装置、水泥厂、锅炉控制、空分装置、天然气处理装置、造纸、塑料、电厂透平机组控制（BOP）、制糖工业、污水处理方面皆有不俗的业绩”。贲志刚说。
　　
三菱                                                                                                                                                            

                                       图3：三菱MELSEC Q系列冗余系统成功应用于水处理
                                       水泥、玻璃加热炉、电厂的化水处理、食品等领域。　　
三菱在早些年针对过程应用有Q4ARCPU控制器，属于冗余型，但只能采用梯形图编程方式，所以，近期又陆续推出了QnPHCPU与QnPRHCPU，其中后者是冗余型的。这两种控制器的过程控制软件包PX Developer提供FBD编程语言，并且梯形图和功能块的程序可以在同一工程中管理。CPU支持52种适用于回路控制的过程指令，包括自整定、串级、前馈控制等。QnPHCPU与QnPRHCPU的最大I/O点可以达到4096个，单CPU回路控制数在100~200左右。
　　“我们发现不少用户需要快速的顺序控制，又需要中小规模的回路控制，所以相继开发了多种过程控制器。我们希望它们能运用于一些中小规模的过程控制系统中，特别是一些混合行业，回路数在100~200左右，以单回路为主，但一些复杂的过程控制功能我们可以做到。”三菱电机自动化精密控制部经理宋葭晖说。
　　目前，QnPHCPU与QnPRHCPU已经成功应用于水处理、水泥、玻璃加热炉、电厂的化水处理、食品等领域。
　　
OMRON                                                                                                                                                     

                    图4：OMRON对于不同要求的过程控制要求，有对应的控制器来满足需求。
　　CS、CJ分别是OMRON推出的大、中型PLC系列。在这两型PLC的基础上，OMRON针对过程应用对其功能进行了扩展，增加了可选的过程控制CPU，以及一些特殊的过程I/O单元，原CS、CJ系列也能使用这些单元。
　　如针对CS，OMRON推出了CS1W-LCB01与LCB05回路控制板；还有针对CS1D冗余型PLC的CS1D-LCB05D过程CPU单元，它在程序与数据同步上做了一些改进。CX-Process编程工具采用了功能块组合方式对模拟量编程，大大减少了工作量。
　　“PLC不是不能做过程控制，我们就有用户用C200实现了30多个甚至更多的回路控制。但这样应用有两个问题：一是PID编程不直观，尤其采用梯形图时；二是循环时间大大拉长。PLC的特点是能进行高速逻辑处理，但在需要控制30多个回路后，扫描周期达到100多个毫秒，对过程处理无所谓，但如果还有其他PLC应用的话，对某些响应而言，周期偏长。”陆斌说。
　　“我们的解决方案就是以已有的CS、CJ作为硬件基础，增加一个回路CPU，而成为过程控制器。如果用户觉得上面的两个问题无法接受，而需要过程增强时，只要将我们的回路控制板插入CPU槽位（双槽位，回路CPU与原有普通CPU协同工作），再增加必要的模拟量I/O就可以了。OMRON推出过程控制器的目的不是与传统DCS竞争，我们关注的是中小型过程应用，目标是在一个PLC同时控制顺序与过程控制时，两者间没有影响。在保证PLC功能实现的同时，延伸过程处理能力。” 陆斌说。
　　据陆斌介绍，OMRON的过程控制器主要针对一些边缘、混合行业，如在日本，有许多小的化工装置，大多属于定制品生产，一般有20、30个回路控制，使用DCS的话，成本比较高，而采用这样的过程控制器的话，就比较合适。
　　
罗克韦尔自动化                                                                                                                                         
　　集成架构（IA）是罗克韦尔自动化新一代自动化基础平台，主要包括Logix控制平台、NetLinx通讯架构与ViewAnyWare可视化产品线。Logix控制平台能采用同一背板、同一开发软件（Logix5000）覆盖过程、离散、批量与运动控制，所以，去年12月，该公司提出“IA for Process”的概念。
　　这之前，罗克韦尔自动化针对过程工业主推的是ProcessLogix系统，是与Honeywell联合开发的，在国内市场也取得了不错的业绩，年市场成长率曾超过200%。“我们认为集成架构能很好满足过程工业的需求，所以同时维系两套系统没有必要。ProcessLogix将会逐渐退出市场。”罗克韦尔自动化过程市场产品经理王广野说。 “在集成架构的基础平台下，我们将针对过程工业的系统定义为过程自动化系统（PAS）”。
　　IA for Process的目标市场也是界于过程工业与离散工业之间的混合行业，例如电厂主机组与辅助装置的控制、冶金行业某些工序、精细化工、氧化铝生产等。“我们在电厂已有成功应用，最近还获得了三门峡某氧化铝项目，覆盖7个工序，I/O达到7000点。我们在国内过程市场起步还比较晚，目标也不是去与传统DCS争夺市场，例如石油炼制项目，他们拥有‘天时、地利、人和’。我们定位的市场，你可以理解为混合行业，顺控很多，这是我们的传统优势，但我们的系统也可以满足项目所需模拟量处理能力，这时候，用户的选择是关键的。让人高兴的是，国内用户已经开始接受这样的一种系统构成，因为我们有很多的优势，最重要的是系统的开放性”。
　　针对过程工业应用，罗克韦尔自动化还开发了一套由30多个控制算法组成的软件包，用户可以方便完成串级、前馈、滞后等控制。他们也提供控制参数自整定的软件，可以选用。目前的控制组态采用梯形图等传统PLC编程方式，但“也会考虑将来提供SAMA方式”。“在回路组态时，由于用户更习惯传统DCS的方式，所以可能工作量会大些，但这主要还是习惯的原因。”
　　Logix平台的一个独到之处是其控制芯片采用精简指令集，并且是公司针对工业应用而开发。“市场上类似的系统很多都采用的是Intel、Motorola等商用芯片”，王广野说。
　　
西门子                                                                                                                                                        

                                    图5：PCS7作为新一代DCS，采用了全集成自动化理念。
　　最新数据显示西门子在2004年全球过程自动化市场已占有约5%的份额，排名第6位，仅低于ABB、Emerson、Honeywell、Invensys与Yokogawa等传统过程自动化大户，这其中，PCS7的贡献功不可抹。
　　西门子将PCS7定位于新一代DCS系统。“PCS7具有新一代DCS的全部特征，如系统的开放性、现场总线支持、对千兆以太网的支持等”，西门子公司PCS7市场推广经理谢王争说。
　　PCS7对于不同行业应用有不同专用功能模块，如水泥行业是CEMAT，食品饮料行业是BRAUMAT等。在PCS7中CFC、SFC和SCL作为主要的组态工具，用于完成传统DCS中连续过程控制任务的组态。如果在一个项目中，有很多离散过程加联锁控制等，则可采用STEP7中其他几种编程语言，这是对传统DCS系统处理离散控制任务不强的一个补充。
　　2005年一季度，PCS 7 V6.1正式发布，新版本增强了资产管理、设备诊断能力，提供大容量的数据报表，千兆以太网的支持，以及改进的FDA支持，在功能上与其它DCS没有区别。
　　“与其他推出过程控制系统的PLC厂商所不同的是，西门子原先在过程自动化领域就有DCS基础，PCS7的原型是TELEPERM，这是在电力行业口碑非常好的DCS，在中国也有许多十分成功的应用”，谢王争说。
　　“在硬件平台上，我们原采用S5，现在是S7，并在内存等方面也做了增强。PCS7的设计开发是独立于我们的PLC的。”但谢王争也坦诚，与传统大型DCS相比，目前应用差距是客观存在的，“主要是被用户认可的过程，技术上PCS7用于大型流程装置是没问题的，像我们在德国海德炼油厂就有很好的应用。”“其实不但是PCS7，新一代DCS系统都或多或少面临着这样的局面”，他补充说。
　　据介绍，目前PCS7在全球已有3000多例应用，其最大市场在欧洲，中国是第二大市场，并且发展势头强劲。继石化、水泥、电力、造纸、制药、食品饮料等传统领域外，去年，PCS7在国内有色冶金、制糖等行业应用也取得突破。

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供应商谈DCS与PLC的区别
　　今天PLC的功能已经远远不是其英文名称对应的可编程逻辑控制器所能概括的了。PLC厂商都或多或少在增强其大中型PLC的模拟量处理能力。像一个典型的几百点的应用，有顺序控制，也有10多个回路控制，今天的大、中型PLC完全能胜任。
　　PLC与DCS无法比较，PLC是控制器，是孤立的产品，而DCS是系统。但PLC可以与DCS的控制站比较，PLC的循环周期在10毫秒左右，而DCS控制站在500毫秒左右，PLC的开放性更好，作为产品其独立工作的能力更强。
　　—— 陆斌
　　DCS是一个系统包括上位软件、网络与控制器，而PLC只是一个控制器，要构成系统还需要上位SCADA系统和与之相连的网络。对PID回路控制，现在三菱的过程控制器也可以实现象SAMA组态一样的FBD编程；DCS系统更大，控制的回路数目更多，有比较多的控制和算法，可以完成比较复杂的回路间的控制。硬件可靠性差不多。DCS可以做到I/O的冗余，PLC则不可以。相对而言，PLC构成的系统成本更低。
　　—— 宋葭晖
　　DCS是一种“分散式控制系统”，硬件上包括现场控制器、操作员站计算机、工程师站计算机，以及联系他们的网络系统；DCS软件上是一个整体方案，解决的是一个系统的所有技术问题，系统各部分之间结合严密。
　　PLC是一个装置，硬件上等同于DCS中的现场控制器；软件上是一个局部方案，站与站之间组织松散。
　　—— 陈志平
　　分析DCS与PLC的区别，最关键的是两点，一是DCS是分布式控制，拥有全局数据库；二是PLC是顺序扫描机制，DCS是以时间为基准的控制。我们的系统符合第一点，例如一个I/O标签的修改，在HMI也可以同步体现。
　　——王广野
　　DCS系统采用一个统一的开发环境，工程师站（过程管理层）用于现场控制站的组态，控制算法的开发以及流程图画面的开发。采用一个统一数据库！而PLC用于过程控制需要不同的开发环境，首先要对PLC(相当于DCS的现场控制站层)进行逻辑开发，建立相应的数据库，然后再通过相应的上位机软件，例如GE Fanuc 的Proficy HMI/SCADA - iFIX 或CIMPLICITY Plant Edition软件，建立与PLC相对应的数据库，然后进行流程图画面的开发。
　　DCS开发控制算法采用仪表技术人员熟悉的风格，仪表人员很容易将P&I图转化成DCS提供的控制算法，而PLC采用梯形图逻辑来实现过程控制，对于仪表人员来说相对困难。尤其是复杂回路的算法，不如DCS实现起来方便。
　　DCS系统通常提供完整的系统给用户，包括机柜，电源，工程师站，操作员站，用户只需在现场简单的安装。而PLC则需要系统集成。 
　　DCS实现顺序连锁功能相对于PLC来讲是弱势，且逻辑执行速度不如PLC, 也不如PLC编程方便。
　　DCS的现场控制站层‘通常采用集中式控制，尽管支持远程分布式I/O, 但由于成本原因， 很少采用。而PLC基于现场总线的远程分布式I/O更灵活易用，能有效的节省接线成本。
　　—— 贲志刚
　　DCS与PLC在硬件平台基本一致，差异在软件与数据平台上。PLC比较开放，不同厂商的产品互联性好。西门子的PCS7与PLC的开发是独立进行的，虽然采用了PLC的硬件平台，但在系统构架、编程组态方式等都不一样。
　　—— 谢王争