用PC和PLC實現(xiàn)集散控制（DCS）

0.引言
    隨著化工自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，集散控制的思想越來越廣泛地被廣大自動化工程技術(shù)人員所青睞，并正在逐漸被應(yīng)用于新建、擴建和技改項目中。但傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)一般由專業(yè)廠家生產(chǎn)，具有一定的專有性；另外傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)一般來講其控制規(guī)模比較大，成本費用比較高；因此限制了在中小規(guī)模的自控系統(tǒng)項目中的推廣應(yīng)用。那么如何在中小規(guī)模控制系統(tǒng)中實現(xiàn)集散控制的思想呢？帶著這一問題，筆者在閱讀了大量技術(shù)資料的基礎(chǔ)上對現(xiàn)有DCS 和PLC的控制系統(tǒng)進行了總結(jié)對比，提出了在中小規(guī)?；ろ椖恐杏?strong>PC +PLC 構(gòu)成DCS的思想，并在貴州宏福實業(yè)開發(fā)有限總公司年產(chǎn)80萬噸重鈣裝置改磷銨的技改項目中的液氨儲運工段成功地得到了應(yīng)用。

1.用PC 和PLC實現(xiàn)集散控制（DCS）的基本原理
     集散控制的基本思想是集中管理，分散控制。即：將流程工業(yè)的自動控制過程與操作管理人員對自動控制過程的管理過程相對分離；流程工業(yè)的自動控制過程由各控制站相對獨立地自動完成，而操作人員對自動控制過程的管理則由中央控制室的操作站來完成。中央操作站與各現(xiàn)場控制站一方面各自相對獨立地運行，從而將各種故障限制在局部范圍內(nèi)，極大地提高了自動控制系統(tǒng)總體的安全性和可靠性；另一方面又相互進行實時數(shù)據(jù)通訊和信息交換，實現(xiàn)了操作人員在中央控制室的操作站對整個自動控制過程進行管理和調(diào)整。
      現(xiàn)場控制站的主要任務(wù)是實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的自動控制，因此它必需要能夠自動采集全廠的各種工藝參數(shù)（如各種工藝介質(zhì)的溫度、壓力、流量、粘度、組分，物位高度等）以及設(shè)備的運行狀態(tài)（如閥門的開度、機泵的開停、設(shè)備震動、機械位移）等生產(chǎn)信息，然后按照事先編好的控制程序進行大量的數(shù)值計算，最后輸出4~20mA標準模擬信號（或ON/OFF數(shù)字信號）去驅(qū)動各種閥門、電機等執(zhí)行機構(gòu)，調(diào)節(jié)各種工藝參數(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動控制；另外還要與操作站進行實時通訊，將采集到的各種生產(chǎn)信息傳送到操作站供操作人員使用，同時接收操作人員通過操作站發(fā)出的各種指令實時調(diào)整自動控制方案、優(yōu)化生產(chǎn)過程。因此它還需要具有標準化的通訊接口。目前的各種PLC均具有這樣的功能，而且其容量彈性大，擴充方便，控制方案的組態(tài)簡單易學(xué)，性能價格比優(yōu)越，因此是中小型DCS的操作站的理想選擇。
     中央控制室的操作站實際上是一個人機界面，一方面把控制站采集的各種生產(chǎn)信息進行加工處理，然后以操作人員所習(xí)慣和熟悉的各種流程畫面、生產(chǎn)報表、歷史趨勢和聲光報警等形式提供給操作人員。另一方面把操作人員的各種指令進行編碼后傳送給操作站對控制方案進行調(diào)整，以優(yōu)化生產(chǎn)過程或?qū)μ厥馇闆r的緊急處理。對中小型DCS來講，目前市面上比較流行的各種監(jiān)控軟件均能實現(xiàn)這樣的功能，且對計算機的硬件和操作系統(tǒng)無特別要求，用普通的PC機加一套監(jiān)控軟件就可實現(xiàn)。
用PC機+PLC組成集散控制系統(tǒng)時，PLC承擔了現(xiàn)場控制站的工作，PC機承擔了操作站和工程師站的工作。在安裝有 PLC系統(tǒng)軟件的PC 機上可以離線（或在線）編輯PLC的控制應(yīng)用軟件（一般稱為梯形圖），控制應(yīng)用軟件下載到PLC后，PLC獨立完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、邏輯控制、模擬控制等。而操作站的各種功能都可以通過“實時監(jiān)控軟件”+“PC機”來實現(xiàn)，在安裝有實時監(jiān)控軟件的PC機上可以方便對生產(chǎn)過程進行監(jiān)控。

2.用PC 和PLC實現(xiàn)集散控制（DCS）一例

2.1.工藝過程簡介：
     液氨儲運工段是貴州宏福實業(yè)開發(fā)有限總公司年產(chǎn)80萬噸重鈣裝置改磷銨的技改項目中的重要組成部份，設(shè)計卸氨能力250噸/小時，罐區(qū)緩沖能力9000噸。氨在常溫常壓下為氣體，易燃、易爆、有毒、有害；液氨儲運工段是總公司的高危區(qū)之一，安全生產(chǎn)是本自動控制系統(tǒng)應(yīng)考慮的重點。

2.2.控制系統(tǒng)概況：
    為提高生產(chǎn)的安全性，在本控制系統(tǒng)中對重要的工藝參數(shù)點采取了“3取2表決”的策略，并設(shè)計了21個自動連鎖回路，對生產(chǎn)過程進行連鎖保護；為保證生產(chǎn)過程的平穩(wěn)運行和節(jié)能降耗，系統(tǒng)設(shè)計了6個調(diào)節(jié)回路。為便于監(jiān)控和操作，在操作站設(shè)計了一幅流程畫面總貌圖，集中顯示了與安全生產(chǎn)密切相關(guān)的一批工藝參數(shù)、設(shè)備運行狀況態(tài)和報警信息；對其它化工單元操作過程設(shè)計了相關(guān)的局域流程畫面，全面地顯示了與其相關(guān)的各種詳細生產(chǎn)信息；根據(jù)操作人員的習(xí)慣，在操作站設(shè)計了4組組畫面，分別集中顯示溫度、壓力、流量和液位信號；對6個調(diào)節(jié)回路分別設(shè)計了調(diào)節(jié)畫面，實現(xiàn)對PID參數(shù)的整定、手自動模式的切換以及對調(diào)節(jié)閥門的手動操作；對21個主要閥門分別設(shè)計了彈出式開關(guān)畫面，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的自控或遙控；對主要工藝參數(shù)設(shè)計了歷史趨勢圖，為故障診斷和優(yōu)化控制提供了數(shù)據(jù)。為確保安全生產(chǎn)，實現(xiàn)對緊急事故的應(yīng)急處理，對6個調(diào)節(jié)器回路加裝外部自動跟蹤調(diào)節(jié)器，一旦出現(xiàn)控制系統(tǒng)故障，自動切換到跟蹤調(diào)節(jié)器獨立于DCS來控制調(diào)節(jié)閥；對21個主要閥門加裝應(yīng)急處理按鈕，獨立于DCS實現(xiàn)對閥門的強制開關(guān)。

2.3.硬件配置：
    控制站選用OMRON的C200型PLC，配置了數(shù)字模塊（OD211/ ID212）9塊，模擬模塊（AD003）4塊，調(diào)節(jié)模塊（PID03）3塊；操作站選用DELL　OPTIPLEX　GX150　計算機；工程師站選用COMPA型PC機。構(gòu)成圖如下：

2.4.控制站軟件組態(tài)：
   控制站的組態(tài)用OMRON的系統(tǒng)軟件SSS作為技術(shù)平臺，用梯形圖作為編程工具，其組態(tài)內(nèi)容主要有：
2.4.1.PLC內(nèi)部地址的分配：
    I/O 地址的分配：PLC的I/O地址是PLC與現(xiàn)場檢測設(shè)備、執(zhí)行機構(gòu)進行數(shù)據(jù)通信的唯一的一一對應(yīng)的寄存器地址，I/O地址的分配是對PLC進行進一步組態(tài)的基礎(chǔ)；對OMRON-C200而言，I/O地址與所連接的I/O模塊有關(guān)；連接到數(shù)字模塊上的現(xiàn)場設(shè)備，其I/O地址取決于I/O模塊的安裝位置和在該模塊上的點號，連接到模擬模塊、PID模塊上的現(xiàn)場設(shè)備，其I/O地址取決于I/O模塊的單元號（不同的模塊應(yīng)通過模塊的硬開關(guān)設(shè)置不同的單元號）和在該模塊上的點號；比如在本系統(tǒng)配置中，現(xiàn)場的雷達液位變送器LT-101輸出的4~20mA 的模擬信號連接在單元號為3的模擬輸入模塊AD003的第二點上，則它在PLC中的配置的地址便是IR：132；而閥門HV120的關(guān)閉狀態(tài)信號（closed）連接到安裝在的擴展機架第二槽的數(shù)字輸入模塊ID212的第十點上，則它在PLC中的配置的地址便是IR：01210；本系統(tǒng)中，共定義 I/O地址142點。
操作站與控制站數(shù)據(jù)交換地址的分配：操作站與控制站的數(shù)據(jù)通信是通過讀寫PLC的內(nèi)部寄存器來完成的，為了實現(xiàn)操作站與控制站的實時通訊，還必須為PLC配置足夠的內(nèi)部寄存器地址來存貯這些數(shù)據(jù)；比如，定義DM0232作為操作站與控制站交換LT－101的數(shù)據(jù)的內(nèi)部寄存器，則PLC把采集到LT－101的液位信號經(jīng)過預(yù)處理后存貯在DMO232，而操作站則到PLC的DM0232讀取LT－101的數(shù)據(jù)來建立自己的數(shù)據(jù)庫；本系統(tǒng)中，共定義此類地址184點。
    中間地址的分配：PLC在運行過程中，還需要大量的中間寄存器來存放那些運算過程中的臨時數(shù)據(jù)，為提高應(yīng)用程序的可讀性，也必須對這些寄存器進行必要的定義和注釋。
2.4.2.為控制策略編寫梯形圖
    自動調(diào)節(jié)：本系統(tǒng)中選用3個PID03模塊組成6個調(diào)節(jié)回路來完成生產(chǎn)過程的自動控制，為了方便操作人員在操作站對控制過程的管理，PID03的SW2應(yīng)設(shè)置為ON，并編寫相應(yīng)梯形圖以實現(xiàn)PLC與PID03的數(shù)據(jù)交換，比如：調(diào)節(jié)回爐PIC111由單元號為5的PID03的第二回路完成，當執(zhí)行圖2所示一段程序后，PLC中地址DM0060中的數(shù)據(jù)就被定義為調(diào)節(jié)回路PIC111的給定值。（完整梯形圖略）

三取二表決：為保證安全生產(chǎn)，常壓罐的壓力必須控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，每升高（降低）到一定范圍時，就必須啟動（停止）相應(yīng)的設(shè)備；為此，在現(xiàn)場用三塊壓力表來測量其壓力，PLC中對三個壓力進行比較，只有三塊中的二塊同時具備條件時，連鎖才動作；在編寫梯形圖時，采用比較指令、再加上與、或、非等邏輯指令就可實現(xiàn)此控制策略。（梯形圖略）
連鎖保護：梯形圖與電氣連鎖邏輯圖非常相似，I/O地址確定以后，為連鎖保護編寫梯形圖既操作簡單又可讀性強。為保護設(shè)備和生產(chǎn)安全，本系統(tǒng)共編寫連鎖回路21個。（梯形圖略）
2.4.3.I/O模塊的設(shè)置與校正：
梯形圖編寫完成以后，還必須對I/O模塊進行必要的設(shè)置和校正，PLC才能正常工作；模擬模塊應(yīng)設(shè)置與現(xiàn)場設(shè)備相對應(yīng)的輸入信號種類和對輸入信號的預(yù)處理方法，還應(yīng)對零點和量程進行校正；PID模塊除了對輸入信號種類、輸入信號的預(yù)處理方法進行設(shè)置外，還要對PID模塊存儲區(qū)的內(nèi)容及其修改方式、調(diào)節(jié)回路設(shè)定值的修改方式、PID的控制作用及其控制方式等內(nèi)容進行設(shè)置。

2.5.操作站軟件的組態(tài)：
操作站的組態(tài)選用INTELLUTION的系統(tǒng)軟件FIX32作為技術(shù)平臺：其主要內(nèi)容包括：系統(tǒng)配置、建立數(shù)據(jù)庫、繪制流程圖、定義歷史趨勢和報表等。
系統(tǒng)配置在本系統(tǒng)中實際上就是在PC機上安裝FIX系統(tǒng)，其主要內(nèi)容是定義FIX系統(tǒng)的安裝目錄，安裝接口設(shè)備驅(qū)動程序配置SCADA系統(tǒng)，配置報警系統(tǒng)，配置網(wǎng)絡(luò)等。FIX提供有龐大的I/O接口設(shè)備驅(qū)動程序庫，本系統(tǒng)配置控制站為OMRON的PLC，因此要選擇安裝I/O驅(qū)動程序OMR.drv和 OMRON的PLC進行通訊。
   建立數(shù)據(jù)庫：數(shù)據(jù)庫是SCADA系統(tǒng)賴以工作的基礎(chǔ)，它由一系列數(shù)據(jù)點構(gòu)成，每個數(shù)據(jù)點實際上就是一個功能塊， FIX提供了各種功能塊以滿足不同的需要，這些功能塊或?qū)涌谠O(shè)備讀寫數(shù)據(jù)，或?qū)?shù)據(jù)進行運算和報警處理。在數(shù)據(jù)庫中建立一個數(shù)據(jù)點就是定義一個功能塊，其內(nèi)容包括：功能塊類型，數(shù)據(jù)點的位號、注釋、零點、量程，接口設(shè)備，I/O地址，數(shù)據(jù)的格式，報警上、下限等。如：在數(shù)據(jù)庫中添加一個AI模塊，在其屬性對話框中定義；“位號”為“LT-101”，“描述”為“緩沖球罐F0101A液位”，“接口設(shè)備”為“OMR”，“I/O地址”為“D：DM： 232”，“數(shù)據(jù)的格式”為“12AL”，“零點”為“0”，“量程”為“17”，“單位”為“M”；則在數(shù)據(jù)庫中便建立了一個數(shù)據(jù)點LT-101，它讀取PLC中地址為DM0232的寄存器中的數(shù)據(jù)（0 -4095），并轉(zhuǎn)換為0-17M的數(shù)據(jù)供FIX其它功能塊和流程圖調(diào)用。
   繪制流程圖：流程畫面實際上是一個人機接口，操作人員就是通過流程畫面來了解和控制生產(chǎn)過程的，所以流程畫面既要信息全面，又要簡單扼要。FIX系統(tǒng)提供了WINDOWS 風(fēng)格的繪圖工具和相關(guān)控件，可以很方便地繪制多種動態(tài)畫面來滿足操作人員的要求。比如：在流程畫面中，為了形象地顯示緩沖球罐F0101A的液位，只需在其圖形的動態(tài)特性對話框中選中動態(tài)填充屬性，定義其填充色的高度隨“位號”為“LT-101”的數(shù)據(jù)的大小而變；為了準確地顯示該液位的實際高度，可在該球罐圖形旁邊定義一個動態(tài)數(shù)據(jù)連接，連接到“位號”為“LT-101”的數(shù)據(jù)點；為了直觀地顯示各種閥門的工作狀態(tài)，在其圖形的動態(tài)屬性對話框中選中動態(tài)顏色變化，閥門關(guān)顯示靜止的紅色，閥門開顯示靜止的綠色，閥門關(guān)出現(xiàn)故障顯示閃爍的紅色，閥門開出現(xiàn)故障顯示閃爍的綠色；為了快速控制閥門，把它的彈出式開關(guān)畫面連接到其圖形上，只需用鼠標單擊其圖形，即彈出開關(guān)畫面，實現(xiàn)流程畫面上的對象所見即所得。
定義報表：考慮到總公司已推行電子化辦公，各種報表均設(shè)置為定時保存到文件，操作人員可以根據(jù)需要隨時調(diào)用，并隨著辦公自動化的推行，與企業(yè)內(nèi)部管理網(wǎng)連網(wǎng)，通過WEB頁瀏覽和調(diào)用。

3.結(jié)束語
   該控制系統(tǒng)投用2年多來，性能穩(wěn)定、運行可靠，界面友好，操作簡單，維護工作量很小，受到了操作和維護人員的歡迎；投用后，根據(jù)技改工作需要又進行了2次擴容均未影響正常生產(chǎn)，實踐證明PC+PLC構(gòu)成DCS，系統(tǒng)配置靈活、軟件組態(tài)簡單，便于自行設(shè)計和調(diào)試，性能價格比優(yōu)越，系統(tǒng)擴展容易且維護工作量小，是企業(yè)進行技術(shù)改造和中小型生產(chǎn)過程首選的自控系統(tǒng)。