PLC、DCS、SCADA的选型

众所周知，PLC和DCS最大的区别就是扩展、监视系统，DCS的扩展系统十分强大，相比PLC要优越很多。过去SCADA+PLC=DCS，而如今，随着PLC的发展，高级PLC功能的完善，两之间者的区别越来越小，尤其是大型PLC，相互替代性越来越高了，而SCADA与二者是合作关系，但PLC与DCS还是不可相互取代。

PLC系统、DCS系统、SCADA系统比较：

	PLC	DCS	SCADA
功能	独立过程控制	整个工厂控制	提供不同设备、不同区域、不同厂房通讯、数据采集、监视控制
速度	比DCS & SCADA快	比SCADA快	比DCS慢
网络	根据项目需求	所有的单元都通过网络集成	所有的单元都通过网络集成
通讯	通讯不需要很大的带宽	需要大带宽的通讯	需要大带宽的通讯
误差	误差机会大	有许多控制器，所以误差的机会更小	误差机会小
成本	低	高	高
主要品牌	Rockwell Siemens Schneider	Honeywell, Yokogawa, Siemens 中控技术和利时	Rockwell, Siemens, Schneider，组态王三维力控
监控范围	短距离	整个工厂	长距离
系统组成	硬件	硬件、监控软件、网络设备	没有硬件、软件平台
灵活性	高	架构复杂，不灵活	架构复杂，不灵活
工艺变更	可以	不可以	不可以
应用	用于专用的应用程序	用于复杂应用	用于大型工业(需要远程监控)

1、PLC系统

PLC专为在工业环境应用而设计的，是一种数字运算操作的电子系统，也就是我们通常说的可编程逻辑控制器。最初由代替电气控制的二次回路：继电器、中间继电器、时间继电器等演变而来，可编程逻辑控制器是一种数字操作的设备，PLC具有一个可编程存储器，用于存储指令和执行指定的功能。

执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，是工业控制的核心部分。我们可以使用PLC来实现工业过程的自动化，比如控制工厂装配线上的工业机械。利用PLC可以提高操作的精度和速度。因此，PLC将从限位开关、接近传感器、压力传感器等设备中获取输入。

PLC中的逻辑信号和现场的高、低电平信号的转换将由I/O模块完成，它也将进行信号隔离。PLC系统的活动将由处理器智能运行，根据PLC内部的程序执行，同时它也将控制工艺设备。PLC将检查输入设备，然后执行程序，之后它将通电或关闭连接到它的输出设备。

PLC控制系统优势：

可靠性；
编程灵活性；
高运行速度；
快速响应时间；
简单的故障排除；
低成本；

PLC控制系统缺点：

对编程人员要求高；

应用场景：

食品加工；
材料处理；
机床；
输送机系统；
机器人的制造与控制；

2、DCS系统

Distributed Control System-->DCS（分布式控制系统），因为DCS也是控制系统，遵循控制系统的基本形态，也有上下位机，也要进行软件和硬件组态。

DCS作为一个集过程控制和过程监控为一体的计算机综合系统，在通信网络的不断带动下，DCS系统已经成为了一个综合计算机，通信、显示和控制等4C技术的完整体系。其主要特点是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。

Distributed分布式是讲DCS这个控制系统的特点和差异化，因此我们要搞明白什么是DCS就要从分布式这个特点开始。

1. DCS的进化史

人们普遍认为任何事物要分析他们的特点和差异化，就要回答两个哲学问题：1）从哪里来？到哪里去？

同理，我们想知道什么是DCS，什么是分布式，就离不开DCS的进化史和发展方向。

接下来我们从四次工业革命对过程工业控制系统的影响来聊一聊DCS的进化和发展。帮助大家更深刻的理解DCS。

第一次工业革命：蒸汽时代，自动控制只能完成很简单的功能。按物理点位计算，只是现在的DI和DO，能实现的功能是：开和关，也就是一台机车的启停而已。最多就是在一些外设机械设备参与下实现正反转和简单的速度控制。家喻户晓的瓦特公认为是蒸汽机的发明者，但其实蒸汽机的出现比瓦特出生还要早许多，而最初期的DCS还跟蒸汽机有密切的关系。

第二次工业革命：电气化时代，诸如继电器等电子设备普及，人们开始在现场就地控制一些大型设备。和之前对比改善在于，比如一个设备特别大，我用了就地控制就不用爬上设备去做启停操作了。再后来，人们还觉得麻烦，因为从这个设备跑到那个设备进行操作也很麻烦。所以，就把这些需要控制的按钮都放在一个屋子里，再装上简单的指示灯，操作员盯着显示屏上一大堆指示灯，随时准备按下操作台上一排排的启停按钮。

第三次工业革命：信息时代，随着电子计算机技术的发展，控制系统一直发展，形成了成熟的集中控制系统，到现在CCR（Central Control Room）也可以叫做集控中心。为什么后来又分散了？因为人们发现集中控制会出现很多问题，当点位过于集中，控制规模过大的时候，如果某一个关键路径（模块）出现问题，可能导致很大一片控制区域瘫痪。这是中央集权制度的通病，一倒一大片。所以，人们考虑把硬件做的分散一些，并且分散到控制区域附近，增加操作员站，并且保留CCR。其中操作员站处理现场具体事务，CCR监管整个控制区域的衔接、协调事务。人们依然在控制室里面，但整个系统运行却更稳定了。

除此之外，为了提高通信效率，通过完善，又进化出了新种族FCS（Fildebus Control System，现场总线控制系统）意思是说原来你为了通信要为每一种甚至每一个控制组建配备一名类似通讯员一样的角色，可机构太臃肿、队伍太庞大导致效率低下，所以取消一对一的通信，大家都通过指定机构完成所有通信工作，这个指定机构就是现场总线（Fildebus）。

第四次工业革命：物联网时代，人们做了很多完善工作，让控制系统看上去更高大上一些，更多决策辅助，更多数据统计和分析。于是分支出或添加了许多功能比如OEE、MES、ERP…

随着物联网时代的到来，最近又出来个新控制系统：ICS，大致思路是系统功能化、硬件模块化、组织机构扁平化…

2. DCS的系统构成

在一个DCS系统中，整个过程将被划分为一定数量的子系统。每个子系统都将由它自己的控制器来控制。因此，我们可以将DCS描述为一个由一定数量控制器组成的大的过程控制，每个控制器都控制自己的子系统。该系统将把工厂划分为不同的区域，并为工厂的每个区域分配单独的控制器。

整个DCS系统将通过通信总线连接成为独立的控制系统，DCS系统将被连接到一个通信网络上，以进行通信和监控。DCS系统中所有控制器将通过网络连接起来进行通信。

DCS将从现场设备中收集数据，并检查这些数据，然后它将利用这些数据来控制指定的过程。因此，根据从现场设备接收到的数据，以及从工厂的另一部分收集到的数据，将被用来控制这个过程。现场装置将过程、信号传输到现场接线盒，通过主接线盒到达编组柜。该信号将通过封送机柜传输到DCS面板。然后，根据接收到的信号，适当的控制信号将由DCS面板传输到最终的控制元件。

DCS系统实现的功能：

控制；
数据采集；
报警；
日志记录和报告生成；
历史数据存储；
系统诊断和安全；

DCS系统的优势：

单独的控制器用于控制，不同的过程，由于一个控制站的故障不会影响整个工厂；
冗余；
可以从数据高速公路上访问大量的当前信息；
可以监控过去的流程状况趋势；
减少系统过载；
可靠性；
速度好；
进程信息可以由用户以不同的格式进行可视化；

DCS系统的缺点：

昂贵；
需要定期维护；
如果保护不当，更容易受到网络安全威胁；

DCS系统应用行业：

电厂；
石油天然气行业；
化学工业；
水处理系统；
制药制造；

3、SCADA系统

SCADA是英文Supervisory Control And Data Acquisition首字母的缩写，即“数据采集与监视控制系统”。因此，SCADA系统通过双向通信信道来监控远程现场与控制中心之间的通信。所以严格意义上不能被称为一个完整的控制系统，SCADA是一种定位在被集成的硬件之上的软件。

SCADA将允许操作员监测设备状态，并在此基础上，操作员可以控制该过程，操作员也可以从单个中央控制室查看所有工艺参数。

SCADA系统主要功能：

数据采集：它将向操作员显示状态信息和测量数据；
控制：操作员可以根据接收到的数据来控制设备；
数据处理：它将检查数据的质量和完整性；
标注：识别特定的实验对象或设备，以防止它们进行未经授权的操作；
报警器：在非计划操作或不需要的操作情况下，操作员会发出警报；
日志记录：所有的操作员项、警报、选定的项都将被记录下来；
趋势分析：它将在选定的量表上绘制测量值，以提供诸如一分钟、一小时等趋势的信息；
历史报告：这将保存和分析历史数据，这对控制未来的过程很有用；

SCADA系统优势：

易于维护；
提供对实时数据的访问；
实现工具是高级的；
可靠；
连续运行；
设备维修；
远距离通信；
可以远程监控完整过程；

SCADA系统缺点：

实施将需要一些特殊的技能；
只有在系统可用时才会处理数据；
需要验证与PLC的兼容性；

SCADA系统应用行业：

发电、传输和配电；
水和污水；
建筑设施和环境；
制造业；
公共交通；
交通信号；
钢铁行业；
化学工业；

4、PLC与DCS区别

DCS和PLC控制器的主要差别是在开关量和模拟量的运算上，即使后来两者相互有些渗透，但是仍然有区别。

1. 应用场景不同

在火电厂热工自动化领域，DCS和PLC是两个完全不同而又有着千丝万缕联系的概念。DCS和PLC都是计算机技术与工业控制技术相结合的产物，火电厂主机控制系统用的是DCS，而PLC主要应用在电厂辅助车间。DCS和PLC都有操作员站提供人机交互的手段、都依靠基于计算机技术的控制器完成控制运算、都通过I/O卡件完成与一次元件和执行装置的数据交换、都具备称之为网络的通信系统。

随着国内电厂装机容量的不断扩大及电力系统改革的推进，对辅助车间控制的要求也不断提高，在这个大环境，DCS系统进入辅助车间控制已成为趋势。NT6000DCS因其综合的技术经济优势，已经并将继续在辅助车间控制方面发挥越来越大的作用。

在辅助车间应用广泛的PLC也并不会就此退出热工自动化的历史舞台，前所未有的竞争压力，将会促使PLC厂商在技术上向DCS标准靠拢，在价格上作出更大的努力。DCS和PLC市场竞争的结果，将会使用户获得更大的利益。

在热工自动化领域，主厂房控制系统基本上毫无例外地使用DCS。而在辅助车间才使用PLC。其主要原因是早期的DCS系统非常昂贵，人们认为辅助车间的运行可以间断，可靠性要求不是很高，且模拟量控制要求较少，从降低成本的角度出发，往往选择PLC来构建控制系统。而锅炉、汽机和发电机的控制系统，要求长期稳定可靠地运行，信号中含有相当比例的模拟量，从系统的性能出发，人们不得不选择了昂贵的DCS。

另外，分析一下主厂房DCS和辅助车间控制系统的市场竞争情况，我们会发现一个有趣的现象。主厂房DCS的竞争往往在不同品牌的供应商或代理商之间展开，竞争激烈，DCS的价格不断下调。而辅助车间控制系统的竞争往往在同一品牌PLC的各个工程商之间进行，门槛较低，竞争更加激烈，但是PLC的价格下调幅度却并不如DCS明显。主要原因是DCS的生产商直接参与竞争，在巨大的市场压力下，不断下调设备制造费用和工程实施费用。而PLC的生产商不直接参与竞争，各个工程商只能下调自身有限的工程费用，空间有限。从现在情况看来，DCS与高档PLC的价格差距已不明显，辅助车间仍然较多地采用PLC，是市场的惯性使然。

2. DCS和PLC的控制处理能力

80年代以后，PLC除逻辑运算外，也增加了一些控制回路算法，但要完成一些复杂运算还是比较困难，PLC用梯形图编程，模拟量的运算在编程时不太直观，编程比较麻烦。但在解算逻辑方面，表现出快速的优点。而DCS使用功能块封装模拟运算和逻辑运算，无论是逻辑运算还是复杂模拟运算的表达形式都非常清晰，但相对PLC来说逻辑运算的表达效率较低。

一个PLC的控制器，往往能够处理几千个I/O点（最多可达8000多个I/O）。而DCS的控制器，一般只能处理几百个I/O点（不超过500个I/O）。

从集散体系的要求来说，不允许有控制集中的情况出现，太多点数的控制器在实际应用中是毫无用处的，DCS开发人员根本就没有开发带很多I/O点数控制器的需要驱动，他们的主要精力在于提供体系的可靠性和灵活性。

而PLC不一样，作为一个独立的柔性控制装置，带点能力越强当然也就代表其技术水平越高了，至于整个控制体系的应用水平呢，这主要是工程商和用户的事情，而不是PLC制造商的核心目标。控制处理能力的另一个指标，运算速度，在人们印象当中PLC也比DCS要快很多。

新型的DCS控制器学习了大型PLC的设计，在控制周期方面的表现获得了大幅度的提高。以NT6000DCS的T2550控制器为例。控制器可以设置四个不同优先级的任务，最小运算周期可以设为10ms，配合高速I/O卡件，控制周期能够达到15~20ms。而模拟量运算设置在其它周期较长的任务中。

3. PLC和DCS的系统可扩展性和兼容性

市场上控制类产品繁多，无论DCS还是PLC，均有很多厂商在生产和销售。对于PLC系统来说，一般没有或很少有扩展的需求，因为PLC系统一般针对于设备来使用。一般来讲，PLC也很少有兼容性的要求，比如两个或以上的系统要求资源共享，对PLC来讲也是很困难的事。而且PLC一般都采用专用的网络结构，比如西门子的MPI总线性网络，甚至增加一台操作员站都不容易或成本很高。

DCS在发展的过程中也是各厂家自成体系，但大部分的DCS系统，比如横河YOKOGAWA、霍尼维尔、ABB等等，虽说系统内部（过程级）的通讯协议不尽相同，但操作级的网络平台不约而同的选择了以太网络，采用标准或变形的TCP/IP协议。这样就提供了很方便的可扩展能力。在这种网络中，控制器、计算机均作为一个节点存在，只要网络到达的地方，就可以随意增减节点数量和布置节点位置。另外，基于windows系统的OPC、DDE等开放协议，各系统也可很方便的通讯，以实现资源共享。

DCS点数很多，一般500点以上；PLC点数较少，一般在100左右，500点以上基本不采用，全部由PLC连接而成的控制系统，PLC系统造价也会很高。在DCS更新控制方案，工程师在工程师站上将编译后的控制方案执行下装命令，程序下装过程由系统自动完成，不影响原控制方案运行。PLC更改控制方案，首先需要明确是哪一个PLC，用编译器进行程序编译后传给对应PLC，调试时间长成本高，不利于日后的维修。

4. PLC和DCS的数据库

DCS一般都提供统一的数据库。换句话说，在DCS系统中一旦一个数据存在于数据库中，就可在任何情况下引用，比如在组态软件中，在监控软件中，在趋势图中，在报表中……而PLC系统的数据库通常都不是统一的，组态软件和监控软件甚至归档软件都有自己的数据库。

为什么常说西门子的S7 400要到了414以上才称为DCS？因为西门子的PCS7系统才使用统一的数据库，而PCS7要求控制器起码到S7 414-3以上的型号。

5. PLC和DCS的时间调度

PLC的程序一般不能按事先设定的循环周期运行。PLC程序是从头到尾执行一次后又从头开始执行。（现在一些新型PLC有所改进，不过对任务周期的数量还是有限制）而DCS可以设定任务周期。比如，快速任务等。同样是传感器的采样，压力传感器的变化时间很短，我们可以用200ms的任务周期采样，而温度传感器的滞后时间很大，我们可以用2s的任务周期采样。这样，DCS可以合理的调度控制器的资源。

6. PLC和DCS的网络结构

一般来讲，DCS惯常使用两层网络结构，一层为过程级网络，大部分DCS使用自己的总线协议，比如横河的Modbus、西门子和ABB的Profibus、ABB的 CAN bus等，这些协议均建立在标准串口传输协议RS232或RS485协议的基础上。

现场IO模块，特别是模拟量的采样数据（机器代码，213/扫描周期）十分庞大，同时现场干扰因素较多，因此应该采用数据吞吐量大、抗干扰能力强的网络标准。基于RS485串口异步通讯方式的总线结构，符合现场通讯的要求。

IO的采样数据经CPU转换后变为整形数据或实形数据，在操作级网络（第二层网络）上传输。因此操作级网络可以采用数据吞吐量适中、传输速度快、连接方便的网络标准，同时因操作级网络一般布置在控制室内，对抗干扰的要求相对较低。因此采用标准以太网是最佳选择。TCP/IP协议是一种标准以太网协议，一般我们采用100Mbit/s的通讯速度。

PLC系统的工作任务相对简单，因此需要传输的数据量一般不会太大，所以常见的PLC系统为一层网络结构。过程级网络和操作级网络要么合并在一起，要不过程级网络简化成模件之间的内部连接。PLC不会或很少使用以太网。

7. DCS和PLC在通讯上的差异

DCS采用国际通用的TCP/IP协议，也就是我们常说的Internet接口，具有很好的通用性和扩展性；而PLC通讯则五花八门(如PPI、Internet、Device net、modbus、Profibus、USB等)，往往PLC搭建好后想随意的增加和减少操作员站都比较困难。在网络安全上，Interne领域集中大量技术人员在从事网络安全工作，PLC通信安全目前没有很好的保护措施。

DCS采用整体考虑方案，操作员站也具备工程师站功能，站与站之间在运行方案程序下装后是一种紧密联合的关系，每一个站、每一种功能、每一种被控装置间都是相互连锁控制，协调控制；而由PLC相互连接构成的系统，在PLC与PLC之间时松散连接方式，做不出协调控制的功能。

8. PLC和DCS的应用对象规模

PLC一般应用在小型自控场所，比如设备的控制或少量的模拟量的控制及联锁，而大型的应用一般都是DCS。当然，这个概念不太准确，但很直观，习惯上我们把大于600点的系统称为DCS，小于这个规模叫做PLC。我们的热泵及QCS、横向产品配套的控制系统一般就是称为PLC。

9. DCS和PLC可靠性方面的差异

DCS为双冗余，可实现无扰切换，DCS的I/O模块都带有CPU，可实现对采集及输出信号品质判断与标量变换，模块故障时可带电拔插和随机更换；PLC大多数无冗余，而双路PLC成本就会较高，PLC的模块是简单电气转换单元，无智能芯片，模块故障后相应单元全部瘫痪。目前PLC已能实现冗余、热备和带电拔插，已经能完成DCS绝大部分功能。

这方面DCS和PLC各有优势，且两者也在互相渗透握手，比如西门子的SIMATIC PCS7系统就是一个PLC和DCS结合的新系统。

5、SCADA与PLC、DCS的选型

SCADA是一种控制系统体系结构，它利用计算机、网络数据通信和图形用户界面来进行高级流程管理。PLC和DCS都有硬件包，但SCADA没有这个，SCADA不会发送一些二进制或模拟信号到现场设备来控制这个过程。SCADA只会通过使用某些控制器，如PLC、DCS或PID等控制器来控制过程。

因此，这些控制器将控制现场设备，该过程将由SCADA监督或控制。控制过程的命令信号将被给予SCADA，这些命令信号将被发送到PLC/DCS/PID控制器来控制过程。因此，我们可以将SCADA看作是可以与PLC和DCS进行通信的软件。

SCADA与PLC、DCS的区别如下：

PLC：Controller；
DCS：Controller + Network + Software + I/O Acquisition；
SCADA：Data collection + System monitoring + Network + Software；

如果我们需要控制一个单一的过程，那么我们可以使用PLC，它也可以在工业工厂有广泛的使用。与DCS相比，PLC具有更快的扫描时间，因此可用于进行安全联锁。PLC也可以用于控制特定的制造过程。PLC也可以代替继电器，对控制回路具有良好的处理能力。

当我们需要控制整个工厂时，我们可以使用DCS。

对于过程控制失败可能导致很大损失的地方，比如在化工厂可以使用DCS。

由于DCS具有广泛的网络特性，它可以很容易地确定故障。为了确定工厂的产量，工业网络已经变得非常重要，因此PLC已经成为DCS的一个部分。

如果您需要控制器冗余，那么您可以选择DCS，所以如果有任何控制器故障，那么我们的控制器就会有一个冗余。如果它是一个大型系统，而且您也需要获得很多以前的数据，那么您可以选择DCS。

SCADA是一个软件，而不是像DCS和PLC那样的控制器，基本上，它收集数据并监控整个工厂。SCADA用于需要数据收集、数据传输和远程工厂监控的大型行业。SCADA系统用于发电和传输装置，石油和天然气，它也用于许多需要经常监测的化工厂。SCADA将向PLC和DCS传输数据和命令，以控制指定的进程。

在可编程逻辑控制器（PLC）和分散式控制系统（DCS）之间如何抉择，要具体情况具体分析，因为应用场合不同，对控制系统的要求也各不相同。

PLC是一种工业计算机，用于控制生产制造过程，如机器人、高速包装、装瓶和运动控制等。在过去20年里，PLC增添了更多的功能，为小型工厂和装置创造了更多的效益。PLC通常是单机系统运行，但也可以与其它系统集成，经由通信来实现彼此之间的连接。由于每个PLC都有自己的数据库，因此集成需要控制器之间某种程度的映射。这使PLC特别适用于那些对扩展没有太大需求的小型应用程序。

DCS系统则将控制器分散在自动化系统中，并提供通用的接口、先进的控制、系统级数据库以及易于共享的信息。传统上，DCS主要应用于过程工艺和比较大的工厂，在整个工厂的生命周期中，大型系统应用程序更容易维护。

对于规模较小的工业过程在选择时，还要考虑未来的升级计划，可以适用PLC系统，但如果该过程需要扩展或升级，则需要增加更多的PLC硬件和数据库，并且需要进行单独维护。这是一个耗时、费力的过程，而且容易出现错误。DCS系统更容易升级，比如可以从中央集线器对用户受信进行管理，因此就更易于保养和维护。

某些行业和设施需要历史数据库、流线型的报警管理、以及配置通用用户接口的中央控制室。有些则需要制造执行系统（MES）的集成、先进的控制和资产管理。DCS系统使其很容易被添加到自动化工程应用中，而无需增加独立的服务器，也不会增加集成成本。从这方面讲，DCS系统经济性更高，而且可以提高生产力，降低风险。

总体来说，PLC特别适用于那些对扩展没有太大需求、也不需要与其它工艺过程区域集成的小型应用程序。而DCS系统可能具有较高的安装成本，但从全生命周期来看，DCS系统所带来的产量增加和安全效益，会抵消一部分成本。平衡短期需求与长期愿景,用户才能做出更适合自己使用场景的控制系统。

PLC和DCS产品市场可谓风起云涌、竞争激烈。纵观PLC市场群星璀璨：世界上有200多家公司生产400多个品种系列的PLC，应用于电力、石油石化、冶金、材料、包装、造纸、汽车和市政各个行业。从行业角度来看，国外厂商占山为王，有着属于各自的势力范围。

DCS市场与PLC相差无几，基本由国外业内强者所把持，可喜的是一批本土厂商如Hollysys、Supcon、Xinhua等企业逐渐发展壮大。由于DCS技术含量高，很多对产品的需求都建立在项目的基础上，这样对DCS的需求也将是一个周期性较长的过程，因此DCS市场格局短时间内难有较大改变。当然，由于行业发展速度的不规律性，侧重行业不同的公司可能会因此而发生一些变化。

在今后的控制系统的发展中，我们将会看到DCS和PLC技术逐渐融合的局面，这对它们各自的发展以及各行各业的发展都有种促进的作用。