电气人必知：PLC和DCS相同与区别

PLC与DCS是现场工业自动化控制的两大核心产品，发展到现在，两者在选型和使用方面有着互融和交叉，各有其优势。

PLC与DCS再功能上趋于一直，都具有下列特性：

1、数据采集，各类现场信号通过A/D转换模块，将各种物理量，如温度、水位、流量、风速、压力等模拟量转换成与现场仪表量程相同的值。开关信号转换成1或0。

2、都具有PID调节功能，将收集到的数据与一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，新的输入值的目的是可PID回路以让系统的数据达到或者保持在一定的数值状态。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。

3、开关状态和开关量输出，采集来的各类开关状态代表设备的运行状态，如泵的运行状态，去打开/关闭开关和启停各类转动设备，如水泵。

4、设备的循序控制，依据相关数据，按照生产工艺预先规定的顺序，在各个输入信号的作用下，根据内部状态和时间的顺序，在生产过程中各个执行机构自动地有秩序地进行操作。如果一个控制系统可以分解成几个独立的控制动作，且这些动作必须严格按照一定的先后次序执行才能保证生产过程的正常运行。

5、从系统结构来说，大规模应用的PLC全面使用计算机控制系统。和DCS一样，控制器与I/O站使用现场总线，上位机平台使用以太网结构。这是PLC大型化后和DCS概念模糊的原因之一。

6、PLC与DCS硬件组成部分进行比较，PLC+SCADA架构与DCS的架构基本是一样的，或者说PLC的架构更灵活

7、其他相关的控制。

PLC和DCS还有区别的

1、起源不一样

PLC是为离散的顺序控制而生。最初用继电器控制装置，后美国数字公司研制出了第一代可编程序控制器，满足了GM公司装配线的要求。随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有第五代PLC产品了。

DCS是对连续的过程控制而生的,是以微机处理为基础，以危险分散控制，操作和管理集中为特性，集先进的计算机技术、通讯技术、CRT技术和控制技术即4C技术于一体的新型控制系统。DCS系统的理念是“分散控制”，“集中管理”，尽量将控制所造成的危险性分散，而将管理和显示功能集中的一种自动化控制系统。

2、应用注领域有区别

PLC在过程控制方面主要用于航天航空、钢铁、烟草、制药、食品、冶金、矿业、水处理、交通等领域，其中发电厂应用在大型火电厂的辅助车间、水电主控等。

DCS主要应用于过程控制，主要应用在发电、石化、钢铁、石油化工、冶金等自动化领域，其中航天航空、火电、核电、大型石化、钢铁的主控单元目前必须使用DCS进行控制。

3、PLC一般应用在点数少的和开关量多的环境，DCS应用在点数多的大型连续控制环境，

4、数据库和编程语言

PLC有上位和下位2个数据库，主要是顺序控制，用逻辑量来判断和输出。以梯形图下位编程，SCADA为上位数据采集与监视控制系统控制界面。

DCS上位和下位统一的数据库，(如在组态软件中，在监控软件中，在趋势图中，在报表中),下位功能块为编成工具，上位有自己独立的视控制系统控制界面。

5、控制方式的不同，对IO信号的处理上，PLC厂家总是习惯将所有信号都转为数字量再处理，而有DCS血统的习惯将所有信号转成模拟量。

6、冗余方式区别，PLC的硬件热备冗余方式是双机架、双电源、双处理器、双网卡冗余方式，相当于2套硬件设备冗余，这样成本没有优势，一般PLC很少使用冗余模式，DCS是两个集成的DPU组成热备冗余架构

7、plc小型系统的成本优势，所以在中小型的离散控制工作中更有优势。在SIS或ESD中PLC有优势(如西门子S7-400)，DCS更像是一个封装好的系统，使用相应的模块可以方便的进行系统的组态，配置,从横向的系统扩展性，dcs从方便性和安全性都做的非常好。但DCS不能用在SIS/ESD系统中。

总之，发展到现在，PLC与DCS都在相向发展，功能更加强大，满足了用户的各种需求。

对于PLC编程，哪种IEC 61131-3编程语言最适合？

图片来源：ControlSphere Engineering

作者 | Gary L. Pratt

“

有这么多可编程逻辑控制器（PLC）编程语言和标准可供选择，对于自动化和控制应用而言，最适合的选择是什么？

”

可编程逻辑控制器（PLC）有很多编程语言可供选择。有种说法，标准的伟大之处在于有很多选择！尽管这很讽刺，但在IEC 61131-3编程语言中，有多种语言标准可供选择确实是一个优势。

在参加我的培训班时，很多学生抱着这样一种心态：选择最适合自己的语言，然后专门学习该语言。上课伊始，他们经常会问我会推荐适用哪种语言。或者，“最好的语言是哪个？”

我没有回答，问他们一个问题：“在阿拉伯数字中，哪个数字最好？”或“英语中，哪个词最好？” 再比如：办公室软件中，哪个工具最好？是文档编辑器、演示文稿编辑器，还是电子表格编辑器？虽然可以使用文档编辑器创建演示文稿和电子表格，但这是正确的方法吗？

使用一种工具实现多种目的，需要学习各种技巧，这是否值得付出？仅学习该工具对工作有用的主要功能，是不是更有效？与办公软件一样，为应用选择最佳编程语言是最有效的，可以避免很多麻烦。当使用的IEC 61131-3编程语言能够充分发挥其语言的优势时，PLC的编程和维护功能就会得到加强。

▎ 图1：IEC 61131-3编程语言提供了适合特定需求的语言。图片来源：ControlSphere Engineering

梯形图编程

梯形图（LD）编程的历史，可以追溯到大约100年前的继电器梯形逻辑（RLL），它主要用于描述电气元件系统（如继电器、计时器和电动机）。在自动化时代初期PLC逐步替换继电器和计时器时，创建一种用户熟悉并与被替换的工具相似的编程语言非常重要。

不幸的是，控制器变得越来越强大，能够实现的功能也已经远远超过继电器和计时器，LD语言被用于各种新的场景，而这并不是LD所擅长的，因此效果也不是特别理想。

PLC供应商提供新的、更适合PLC和可编程自动化控制器（PAC）应用的语言的速度比较缓慢，使这种情况进一步恶化。对于源自北美的控制器而言尤其如此，这可以解释在全球范围内，LD持久受欢迎的程度为什么会有所差异。

LD编程的优势是什么？为什么它能持久受欢迎？关键就是图形化。而通常来说工程师是更倾向于图形化思维的。

起初，大多数LD编程的替代方法都是基于文本的语言，这些语言与工程师的图形化思维不会产生共鸣，其结果就是不愿从LD转向其它语言。幸运的是，这种情况正在发生变化。

LD仍然是一门伟大的语言，它的初衷是执行复杂的布尔逻辑。在这个领域内，LD逻辑易于设计且易于调试。要确定为什么结果与预期不符，有多容易？在LD语言中，只需要观察蓝色实心触点的路径在何处中断就可以快速获得答案。

▎ 图 2 ：该图比较了在 Codesys 中实现复杂布 尔逻辑的不同语言

顺序功能图编程

顺序功能图（SFC）是一种图形语言，非常适合表示状态机（state machine），并且像LD语言一样，它吸引了工程师的图形化思维天性。

状态机的历史可以追溯到很多年前，但是直到最近才被用于工业编程。状态机是表示系统行为的一种非常强大的方法，可用于表达行为取决于过去历史记录的系统逻辑，例如：

1.设置线圈或复位线圈；

2.封装逻辑（布尔反馈）；

3.由代码设置的内部标志，用于决定未来的行为。

实际上，即使是简单的TON On-Timer和R-Trig one-shot都是状态机。它们的下一个行为取决于先前的输入和行为。与其它编码技术相比，状态机具有许多优势：

1.它们易于设计，因为它清楚地描述了系统可能的状态，系统如何在这些状态之间转换，系统在这些状态下应采取的行动。

2.在运行时，可以很容易地确定系统处于什么状态，在该状态下正在做什么，以及在什么条件下系统会切换到下一个状态（或者过程中出了什么问题，导致无法切换到下一个状态）。

3.促进构思周密且组织良好的设计。这样可以确保所有可能的事件都已得到妥善处理（就不会有人半夜三更把你从床上叫起来，去修复无法正确处理异常工况的代码）。

4.易于确定是否已经测试了所有可能事件。只需打印出SFC，并在执检查时划掉每个状态和切换条件即可。完成所有工作后，测试就完成了（程序员的置信度为100％）。

▎ 图3：该图显示了顺序功能图的编程组件

如何实现状态机？

几乎任何语言都可以实现状态机，但它们都需要特定的编码技术，包括步（step）、转换（transition）、分支/跳转（branch/jump）和动作（action）。

步描述了系统可以驻留的状态；转换指示系统何时应从上一步转移至下一步；分支和跳转指示下一步应该是什么；动作指定在该步期间（进入或退出该步）应执行的操作。

由于其图形化属性和工作的专业性，SFC语言是状态机最自然的选择。对于那些需求异常复杂或要求特别灵活的系统，状态机也可以用基于文本的语言来实现。对于只能使用LD的企业，状态机甚至可以在LD中实现，方法是为每个状态使用一个线圈，转移逻辑为每个线圈通电/断电，将系统从一个状态转移到下一个状态，以及利用使用状态线圈的独立逻辑来执行动作。

一些供应商还可以用统一建模语言（UML）来实现状态图，作为SFC的更强大、更灵活的替代方法，但这需要更长的学习曲线，而且在工业控制领域中的接受度有限。

对于状态机，语言的选择是次要的，所用技术的选择更重要。在SFC中，该语言强制使用状态机技术。在其它语言中，使用的技术取决于工程师制定的规则。

▎ 图4：基于Codesys连续功能图语言，展示了一个基于块的编程设计 示例

功能块图编程

功能块图（FBD）是一种图形语言，符合工程师的图形化思维。来自Codesys（以前被称为3S-Smart Software Solutions）的集成开发环境提供了两种FBD，即传统的IEC 61131-3 FBD和类似但更灵活的连续功能块图（CFC），CFC还没有正式成为IEC 61131-3的一部分。CFC是FBD的超集，具有两大优势：

1.基于块的功能编程（执行布尔和数学运算）；

2.分层设计（调用其它功能和功能块）。

1 基于块的编程

基于块的设计由预定义功能组件组成，这些组件连接在一起执行布尔逻辑、数学计算或二者兼而有之。当输出是输入的函数时（换句话说，当没有状态变量，例如布尔反馈、设置/复位线圈或标志时），CFC块编程非常出色。当同时使用无状态功能和基于状态的功能时，请结合使用CFC和SFC。

因为连接性是用功能块之间的线来表示的，所以很容易理解信息流以及信息是如何沿着其路径进行修改的。如果功能开始变得复杂，则应将其分为较小的、更易于管理的子块。如果块之间存在大量连接，则可以将这些线连接至数据结构类型的引脚。

结构引脚（structure pin）具有3个优点：

1.在层次化结构设计中，每个层次都消除了不必要的细节，更清晰易于理解；

2.保持较小的功能块，可以在一页上查看整个信息流；

3.允许信息流向上游和下游，以进一步减少不必要的细节。

对于以前采用LD实施基于块或分层功能的PLC程序员来讲，CFC提供了一种更为简洁和灵活的方法。CFC的开发速度更快，而且对于将来负责维护或改进代码的工程师来说，也更容易理解。

▎ 图5：结构引脚可以减少不必要的细节和混乱，从而增强了图表的可 读性。

2 分层设计

分层设计是一种从很多简单的构建块层层设计的实践。与传统的扁平化设计相比，分层设计具有许多优点：

1.定制；

2.创建；

3.测试与完善；

4.理解和维护；

5.易于复用。

构建块技术支持并鼓励在层次结构的每个级别上，展现同等程度的细节，这就使块技术更易于设计和理解。这样，在较高层次的设计中，不必因为展现细节而被弄得杂乱无章，这些细节只在较低层的设计中很重要。在层次结构的每个级别上，分层CFC设计应都具有统一的细节展示。

使用LD作为构建块语言的传统方法会存在2个弊端：

1.信息的低密度导致LD设计可能会分布到数10页上，很难或不可能看到和理解全局；

2.不同层次的细节混杂在同一层次上会十分混乱，这使设计难以理解和维护。

而使用结构化文本的CFC分层设计可以解决这两个问题，同时保持了LD的图形特性。这是个两全其美的解决方案。

分层设计是面向对象的工业编程（OOIP）的关键功能。在部署和配置用户自定义的功能块以后，CFC编程开始与分布式控制系统（DCS）的编程/组态有点类似，但使用IEC 61131-3程序员可以控制底层的块。如果某个块需要较小的改进，程序员就可以执行此操作，而无需费时费力的请DCS供应商介入。

完整的分层PLC设计，可以看作是一棵由分层CFC构成主干和分支的树。基于块的CFC、SFC、LD和ST填充树叶所处位置的详细功能设计。IEC 61131-3语言共同构成了一个团队，该团队比其各个部分的功能更强大。

▎ 图6：此处的分层设计是在连续功能图编程中实现的。

结构化文本编程

尽管LD、SFC和FBD/CFC语言可以出色的完成其任务，但有些运算并不适合使用图形化语言。

一些支持使用结构化文本（ST）语言编程的运算包括：

1.迭代运算，例如For、While和Repeat；

2.复杂条件和选择，例如IF-THEN和CASE；

3.位运算，例如按位与、移位、旋转；

4.文本字符串运算；

5.具有特殊要求或特别复杂的状态机；

6.纯粹的面向对象编程（调用方法，设置属性等）。

有许多很好的教程，可指导工程师从其它基于文本的语言过渡到ST。对于那些完全不熟悉基于文本的语言的人来说，Visual Basic教程是一个很好的起点。尽管结构化文本基于Pascal编程语言，但它与VB有非常相似，因此可以参考应用更广泛的VB教程。

使用最合适的语言编程

要创建有效的工业控制程序，掌握合适的编程语言并知道如何有效使用这些语言非常重要。有很多语言可供PLC选择，IEC 61131-3编程语言标准也提供了多种选择。充分利用每种语言的优势效率会更高，而不是学习一种语言的各种技巧和变通方法来使其适用于所有应用。程序员应为应用选择最佳语言。

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