DCSとPLCの主な違い

火力発電所の熱自動化の分野では、DCS と PLC は 2 つの完全に異なる概念であり、密接に関連しています。 DCS と PLC はどちらも、コンピュータ技術と産業用制御技術を組み合わせた製品です。 火力発電所の主な制御システムは DCS ですが、PLC は主に発電所の補助ワークショップで使用されます。 DCS と PLC は両方とも、人間とコンピューターの対話手段を提供するオペレーター ステーションを備え、コンピューター ベースのコントローラーに依存して制御操作を完了し、I/O カードを介して主要な要素およびアクチュエーターとのデータ交換を完了し、ネットワークと呼ばれる通信システムを備えています。 DCS と PLC は非常に似ています。 なぜまったく異なる概念があるのでしょうか? エンジニアリングの実践ではどのように選択すればよいでしょうか? 本稿では、その歴史、技術的特徴、開発の方向性などをまとめ、熱工学関係者の参考になれば幸いです。 DCS の例として NETWORK6000+ を取り上げ、詳細かつ明確な例を提供するよう努めます。 1. DCS と PLC の歴史と中心となる概念 DCSとはTotal Distributed Control Systemの英語の略称です。 リスク分散とデータ集中を指します。 1970年代半ばに市場に参入し、PID演算によるアナログ制御機器に代わってアナログ数量制御を完成させました。 まず、DCS のアイデアは、当時主に化学業界で使用されていた機器メーカーによって提案されました。 PLC は 1960 年代後半に開発に成功し、プログラマブル ロジック コントローラー (PLC) と呼ばれます。 主に自動車製造に使用されます。 DCS と PLC の設計原則はまったく異なります。 PLC は、オリジナルのリレー制御原理を模倣して開発されました。 1970 年代、PLC にはスイッチ ロジック制御しかありませんでした。 論理演算、シーケンス制御、タイミング、カウント、演算を実行するための命令を保存します。 また、デジタル入出力操作を通じてさまざまな機械や生産プロセスを制御します。 ユーザーが作成した制御プログラムは、生産プロセスの技術要件を表現します。 これらをPLCのユーザプログラムメモリに格納し、動作中に格納されたプログラムの内容に従って順次実行することで、プロセスフローに必要な動作を完了させます。 DCSはオペアンプをベースに開発されています。 すべての機能とプロセス変数の関係は、機能ブロックとして設計されています。 1970 年代半ば、DCS にはアナログ制御しかありませんでした。 DCS と PLC コントローラーの主な違いは、スイッチング値とアナログ値の計算にあります。 両者は後に相互に浸透しますが、それでも違いはあります。 1980 年代以降、PLC には論理計算に加えていくつかの制御ループ アルゴリズムも追加されましたが、一部の複雑な計算を完了するのは依然として困難です。 PLCはラダー図を使用してプログラムを作成しますが、アナログ量の計算はプログラミングにおいてあまり直感的ではなく、プログラミングはさらに面倒です。 しかし、ロジックを解決するという点では、高速の利点が示されています。 DCS は、ファンクション ブロックを使用してアナログ操作と論理操作をカプセル化します。 論理演算と複雑なアナログ演算の表現は非常に明確ですが、論理演算の表現効率は PLC に比べて相対的に低くなります。 DCSとPLCの歴史の違いは明らかであり、その後の発展に大きな影響を与えます。 しかし、その後の発展に最も大きな影響を与えるのは、元となった技術の違いではなく、元となったコンセプトの違いです。 DCS の中核となるコンセプトは、分散リスクと集中データを備えたコンピューター制御システムです。 したがって、DCS の開発プロセスは、コンピュータ技術、通信技術、制御技術の最新の成果を継続的に使用して、完全な分散制御システムを構築することです。 DCS は、産業用制御のための完全で安全、信頼性が高く、効率的かつ柔軟なソリューションをユーザーに提供します。 PLC の中心概念はプログラマブル コントローラーであり、リレーの代わりにロジック、タイミング、カウント、その他のシーケンシャル制御機能を実行し、柔軟なプログラム制御デバイスを確立するために使用されます。 したがって、PLC の継続的な開発の主な目的は、さまざまな機能指標を継続的に改善し、完全で柔軟な制御デバイスをユーザーに提供することです。 DCS はシステム、PLC はデバイスであり、両者の根本的な概念の違いです。 この違いの影響は甚大です。 それはテクノロジー経済のあらゆる側面に浸透しています。 2. DCSとPLCの技術的特徴と相互浸透 異なる概念基盤と異なる開発パスにより、DCSとPLCは異なる技術的特性を持ち、技術の開発は閉鎖的ではなく、開発プロセスを通じて相互学習と相互浸透も常に実行されます。 2.1 制御処理能力 PLC コントローラーは多くの場合、数千の I/O ポイント (最大 8000 I/O 以上) を処理できることがわかっています。 DCS のコントローラは、数百の I/O ポイントしか処理できません (最大 500 I/O ポイント)。 DCS開発者の技術レベルが低すぎるのでしょうか？ そうではないと思います。 分散システムの要件上、集中管理は認められません。 ポイントが多すぎるコントローラーは実際のアプリケーションでは役に立ちません。 DCS 開発者は、多数の I/O ポイント コントローラを備えたドライブを開発する必要はまったくありません。 彼らの主なエネルギーは、システムの信頼性と柔軟性を提供することです。 しかし、PLCは違います。 独立したフレキシブルコントロールデバイスとして、ポイントを運ぶ能力が強いほど、当然のことながら技術レベルが高くなります。 制御システム全体のアプリケーション レベルに関しては、これは主にエンジニアとユーザーの問題であり、PLC メーカーの中心的な目標ではありません。 制御処理能力を示すもう一つの指標である計算速度も、DCS よりもはるかに速いという印象があります。 ある観点からすれば、そのような状況も事実です。 PLC の論理演算の効率は非常に高いです。 1K ロジックプログラムの実行は 1ms 未満で、その制御周期 (DI 入力を DO 出力に直接送信する例) は 50ms 以内に制御できます。 しかし、DCSは論理演算とアナログ演算の処理方法が同じであり、制御周期が100msを超える場合も多くあります。 PID アルゴリズムを使用して比較すると、PLC が PID 演算を実行するのに数ミリ秒かかり、NETWORK6000+DCS の T2550 コントローラが PID を解決するのにも 1 ミリ秒かかることがわかります。 これは、PLCとDCSの演算能力が実際の演算能力と同等であり、ある種のDCSコントローラはさらに強力であることを示しています。 制御周期の違いは主にコントローラのスケジューリング設計に関係します。 大型PLCでは補助CPUでアナログ演算を完結させ、メインCPUでスイッチング演算を高速に完結させることが多いため、アナログ演算速度は平均的でもスイッチング制御における速度性能は非常に優れています。 しかし、DCS はスイッチング値とアナログ演算を同じ速度で処理するため、制御周期の指標が理想的ではありません。 新しい DCS コントローラは大型 PLC の設計を学習し、制御サイクルのパフォーマンスが大幅に向上しました。 NETWORK6000+DCS の T2550 コントローラーを例に挙げます。 コントローラは優先度の異なる4つのタスクを設定可能で、最小動作周期は10msに設定可能です。 高速 I/O カードを使用すると、制御周期は 15 ～ 20ms に達します。 アナログ演算は周期の長い他のタスクに設定されています。 2.2 データ通信のやりとり データ通信交換とは、主に制御システムネットワークとそのデータ交換形式を指します。 この点において、DCS には固有の利点があります。 分散システムの「分散型」は主に独立したコントローラに反映され、「集中型」は主に完全なデータを備えた人間とコンピュータの対話装置に反映されます。 分散型システムと集中型システムを接続するネットワークです。 したがって、DCS 開発の初期段階から、ネットワークは DCS メーカーの中核技術の方向性となってきました。 冗長技術と狭帯域伝送技術は、DCS メーカーによって最も早く開発または適用され成功しました。 PLC は主に独立したデバイスに従って設計されており、その「ネットワーク」は実際にはシリアル通信です。 産業用イーサネット この技術の開発と幅広い応用により、DCS と PLC ネットワーク間の形式上のギャップが平準化されました。 表面的には、多くの DCS および PLC が産業用イーサネットを適用していますが、依然として大きなギャップがあります。 たとえば、多くの PLC で採用されている MODBUS-TCP を考えてみましょう。 MODBUS はシリアル通信プロトコルであり、ネットワークではありません。 誰もが疑いを持っていません。 MODBUS-TCPはネットワークですか? 多くの人が疑問を持っています。 MODBUS-TCP は、Ethernet の TCP プロトコルに MODBUS の通信プロトコルを搭載した通信モードです。 ネットワークの外観を持っていますが、依然としてマスターとマルチスレーブの管理モードとデータ テーブルの送信構造です。 DCS については、6000+DCS の ELIN ネットワークを例に挙げると、これも産業用 Ethernet をベースとしていますが、そのアプリケーション層プロトコルは、欧州企業が 30 年近く蓄積してきたオーナーレス トークン LIN ネットワーク プロトコルであり、適用に成功しています。 1M OLIN、2.5M、20M ARCNET で長期間使用できます。 ELIN では、すべてのステーションは同等であり、主要な管理ステーションはありません。 また、データ通信はモジュールベースの構造化データであり、データテーブルと同等のデータ管理能力を有します。 PID モジュールを例に挙げます。 基本データにはPV、SP、OPが含まれます。 データテーブルの送信方式を採用しています。 まず、PV、SP、OP のデータアドレスを 01、02、03 と定義する必要があります。他の局でもデータテーブルの形でデータを受信しますが、01 とは何のデータでしょうか。 02って何のデータですか？ 復元にはデータ定義テーブルを使用する必要があります。 データ テーブルの管理方法は面倒でエラーが発生しやすくなります。 大規模システム内の数万点のデータをこの方法で管理するのはひどいことです。 NETWORK6000+DCSの構造化管理はモジュールに基づいています。 PID はモジュールとして扱われます。 PV 値にアクセスするには、まずそのモジュールにアクセスし、PID.PV の形式で管理します。 これにより、タイル化されたすべてのデータが小さなボックスに集中され、モジュールおよびコンポーネントごとに管理されます。 経営効率が大幅に向上します。 PLC データの通信と交換の問題は、主に、PLC が長い間独立したデバイスとして開発されており、システム概念がないという事実に起因しています。 また、主に小規模な制御システムで使用されており、問題が顕在化していないため、開発が遅れています。 現在、一部の大型 PLC ではこの点が改善されていますが、DCS のレベルに達するには長い時間がかかります。 2.3 構成保守機能 構成保守機能には、論理構成、ダウンロードと変更、動作デバッグ、リモート診断などが含まれます。初期段階では、PLC はラダー図が主流でしたが、DCS はモジュール機能図が主流でした。 長年にわたる開発を経て、国際電気標準会議は IEC1131-3 標準を通じて 5 つのプログラミング言語を指定しました。 現在、主流の DCS と PLC はすべてこの規格に同意しており、それらのいくつかまたはすべてをサポートしています。 開発効率やプログラムの可読性の観点から、モジュールファンクション図やシーケンシャルファンクション図が主流のプログラミング手法となりつつあり、カスタマイズモジュールの開発ツールとしてはラダーロジックやストラクチャードテキストが使われるようになってきています。 大型 PLC はコンフィギュレーション モードで DCS に似てきており、その差は徐々に狭まっていますが、小型 PLC は依然としてラダー図が主流です。 長年の開発を経て、DCS は多数の高度なアルゴリズム モジュールを蓄積してきました。 例えば、NETWORK6000+のデバイスレベルモジュールは、基本的なデバイス指向制御機能と障害警報機能を1つのモジュールで完結し、ネットワーク通信においてもユニットとして転送できるため、ソフトウェア開発の効率が大幅に向上します。 デバイスポールモジュールはラダー論理量0.5Kに相当します。 PLC が同じ機能を実行するのははるかに面倒です。 PLC には、ダウンロード、変更、実行、デバッグ、およびリモート診断に関するソリューションが不足しています。 DCSは設計当初からシステムニーズの視点から設計されており、長年蓄積された完璧なソリューションを持っています。 NETWORK6000+DCS を例に挙げると、システムは制御戦略をオンラインで変更したり、制御戦略をオンラインでダウンロードしたりできます。 変更およびダウンロードのプロセス中、システムの通常の動作は影響を受けません。 NETWORK6000+DCS は完璧な仮想 DCS 機能を備えており、構成ロジックの検証に使用できるだけでなく、モデルに接続された完全な仮想 DCS に組み込んでシステムのシミュレーションとデバッグを完了することもできます。 NETWORK6000+DCSは万全のセキュリティ対策とWANベースのリモートデバッグ方式を提供します。 2.4 ハードウェアのパッケージ構造 PLC は通常、閉じた I/O モジュールを備えた大底フレームです。 密閉構造は I/O モジュールの信頼性を向上させるのに役立ち、RF、静電気、損傷に耐性があります。 PLCモジュールには8、16、32のI/Oポイントがあります。 DCS のほとんどは、19 インチの標準シャーシとプラグイン I/O モジュールを備えた露出構造です。 各モジュールには 8 個と 16 個の I/O ポイントがあり、32 個のモジュールが使用されることはほとんどありません。 DCS のこの構造は、主に大規模な制御オブジェクトにおけるその応用分野に由来しています。 19 インチ標準シャーシは高密度レイアウトに便利で、分散の必要性から I/O 点数が少なくなります。 PLCの大底フレームとクローズドモジュール構造により、管理と構成がより柔軟になり、個々の機器の信頼性が高くなります。 そのため、多くのDCSもPLCの構造上の利点を吸収し、金属シェルのI/Aや導電性プラスチックシェルのNETWORK-6000+など、PLCと同様のパッケージ構造を採用しています。 2.5 人間とコンピュータの対話装置 初期のシステムとしての DCS、その人間とコンピュータの対話装置は、DCS の製造元によって提供される特別な装置でした。 ただし、PLC メーカーは通常、人間とコンピュータの対話デバイスを提供していません。これらのデバイスは、エンジニアリング会社が一般的な監視ソフトウェア (ifix、intouch、KingView など) を使用して独自に完成させることがよくあります。 DCSと統合されたヒューマン・コンピュータ・インタラクション・デバイスは、多くの場合、より専門的な機能と優れた安定性という特徴を備えていますが、価格も非常に高価です。 PC テクノロジーの急速な発展に伴い、一部の一般的な監視ソフトウェアも急速に発展し、その機能と性能は DCS メーカーが提供する専用デバイスを徐々に超えています。 したがって、多くの DCS メーカーは、専用の人間とコンピューターの対話デバイスを徐々に放棄し、PLC などの一般的な監視ソフトウェアを使用するようになりました。 DCSメーカーによる汎用監視ソフトの使用は単純な組み立てではありませんが、汎用監視ソフトをベースに、共同開発により長年蓄積したネットワーク通信技術やシステム自己診断技術を特殊な形式で継承・継承しています。ソフトウェアパッケージ。 例えば、NETWORK-6000+では初期には専用OSをベースとしたT1000ヒューマン・コンピュータ・インタラクション・システムが使用されていましたが、現在ではFIX/IFIXやINTOUCHをベースとしたT3500ヒューマン・コンピュータ・インタラクション・システムが主流となっています。 LINPOLL ネットワーク通信パッケージは、ヨーロッパの企業によって開発および統合されています。 3. DCSとPLCの市場状況と発展の方向性 熱オートメーションの分野では、主要なプラント制御システムは基本的に例外なく DCS を使用します。 PLC は補助作業場でのみ使用されます。 主な理由は、初期の DCS システムが非常に高価であることです。 人々は、補助ワークショップの動作が中断される可能性があり、信頼性の要件はそれほど高くなく、アナログ制御の要件も低いと考えています。 コスト削減の観点から、制御システムの構築にはPLCが選択されることがよくあります。 ボイラー、蒸気タービン、発電機 電気機械 DCS の制御システムは長期にわたる安定した信頼性の高い動作が要求され、信号にはアナログ量がかなりの割合で含まれます。 システムのパフォーマンスを考慮すると、高価な DCS を選択する必要があります。 さらに、メインプラント DCS と補助プラント制御システムの間の市場競争を分析することで、興味深い現象を発見します。 本社工場での DCS の競争は、さまざまなブランドのサプライヤーまたは代理店の間で行われることがよくあります。 競争は激しく、DCS の価格は下がり続けています。 しかし、補助ワークショップ制御システムの競争は、同じブランドの PLC のエンジニアリング会社間で頻繁に行われます。 敷居は低くなり、競争はより激しくなります。 ただし、PLC の値下げは DCS ほど明らかではありません。 その主な理由は、DCS メーカーが直接競争に参加しており、市場の大きな圧力の下で、機器の製造コストとプロジェクトの実施コストが継続的に削減されているためです。 しかし、PLC メーカーは直接競争に参加しておらず、各エンジニアリング会社は限られたスペースで自社の限られたエンジニアリング コストを削減することしかできません。 現状から見ると、DCS とハイエンド PLC の価格差は明らかではありませんが、補助ワークショップでは依然として PLC が多く使用されていますが、これは市場の慣性によるものです。 国内発電所の設備容量の継続的な拡大と電力システム改革の推進に伴い、補助作業所の制御に対する要求も高まっています。 このような環境では、DCS システムが補助ワークショップの制御に入ることがトレンドになっています。 NETWORK6000+DCS は、その包括的な技術的および経済的利点により、補助ワークショップの制御においてこれまで、そして今後もますます重要な役割を果たし続けるでしょう。 補助ワークショップで広く使用されている PLC は、熱自動化の歴史的段階から撤退することはありません。 前例のない競争圧力により、PLC メーカーは技術面で DCS 標準に近づき、価格面でさらなる努力を払うことになるでしょう。 市場競争の結果、ユーザーはより大きな利益を得ることができます。 4. 結論 DCS PLC コンピュータ技術と制御技術を組み合わせた製品として、火力発電所の熱自動化レベルの向上に独自に貢献してきました。 アプリケーションが非常に類似しているため、それぞれの技術や価格の利点が、さまざまな時期の市場での地位に直接影響します。 市場の反応には、技術開発や価格調整が早いか遅いかも反映されます。 全体的な傾向から見ると、技術的にはDCSとPLCの融合・推進が競争の主流となり、コストパフォーマンスの面でも上昇を続けており、それが開発の主要テーマでもあります。