0.引言

　　隨著化工自動(dòng)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(dòng)化工程技術(shù)人員所青睞,，并正在逐漸被應(yīng)用于新建,、擴(kuò)建和技改項(xiàng)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(fèi)用比較高,；因此限制了在中小規(guī)模的自控系統(tǒng)項(xiàng)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(shí)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(jìn)行了總結(jié)對比，提出了在中小規(guī)?；ろ?xiàng)目中用PC +PLC構(gòu)成DCS的思想,，并在貴州宏福實(shí)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(xiàng)目中的液氨儲運(yùn)工段成功地得到了應(yīng)用。

　　1.用PC和PLC實(shí)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(dòng)控制過程與操作管理人員對自動(dòng)控制過程的管理過程相對分離；流程工業(yè)的自動(dòng)控制過程由各控制站相對獨(dú)立地自動(dòng)完成,，而操作人員對自動(dòng)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(dú)立地運(yùn)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(dòng)控制系統(tǒng)總體的安全性和可靠性,；另一方面又相互進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊和信息交換，實(shí)現(xiàn)了操作人員在中央控制室的操作站對整個(gè)自動(dòng)控制過程進(jìn)行管理和調(diào)整,。

　　現(xiàn)場控制站的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制，因此它必需要能夠自動(dòng)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(yùn)行狀態(tài)（如閥門的開度、機(jī)泵的開停,、設(shè)備震動(dòng),、機(jī)械位移）等生產(chǎn)信息，然后按照事先編好的控制程序進(jìn)行大量的數(shù)值計(jì)算，最后輸出4~20mA標(biāo)準(zhǔn)模擬信號（或ON/OFF數(shù)字信號）去驅(qū)動(dòng)各種閥門,、電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu),，調(diào)節(jié)各種工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制,；另外還要與操作站進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)接收操作人員通過操作站發(fā)出的各種指令實(shí)時(shí)調(diào)整自動(dòng)控制方案,、優(yōu)化生產(chǎn)過程,。因此它還需要具有標(biāo)準(zhǔn)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(kuò)充方便，控制方案的組態(tài)簡單易學(xué),，性能價(jià)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(shí)際上是一個(gè)人機(jī)界面,，一方面把控制站采集的各種生產(chǎn)信息進(jìn)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(bào)表,、歷史趨勢和聲光報(bào)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(jìn)行編碼后傳送給操作站對控制方案進(jìn)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(shí)現(xiàn)這樣的功能，且對計(jì)算機(jī)的硬件和操作系統(tǒng)無特別要求,，用普通的PC機(jī)加一套監(jiān)控軟件就可實(shí)現(xiàn),。

　　用PC機(jī)+PLC組成集散控制系統(tǒng)時(shí)，PLC承擔(dān)了現(xiàn)場控制站的工作,，PC機(jī)承擔(dān)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(jī)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(dú)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(shí)時(shí)監(jiān)控軟件”+“PC機(jī)”來實(shí)現(xiàn),，在安裝有實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件的PC機(jī)上可以方便對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控。

　　2.用PC和PLC實(shí)現(xiàn)集散控制（DCS）一例

　　2.1.工藝過程簡介：

　　液氨儲運(yùn)工段是貴州宏福實(shí)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(xiàng)目中的重要組成部份,，設(shè)計(jì)卸氨能力250噸/小時(shí),，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(yùn)工段是總公司的高危區(qū)之一,，安全生產(chǎn)是本自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)考慮的重點(diǎn)。

　　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(diǎn)采取了“3取2表決”的策略,，并設(shè)計(jì)了21個(gè)自動(dòng)連鎖回路，對生產(chǎn)過程進(jìn)行連鎖保護(hù),；為保證生產(chǎn)過程的平穩(wěn)運(yùn)行和節(jié)能降耗,，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了6個(gè)調(diào)節(jié)回路。為便于監(jiān)控和操作,，在操作站設(shè)計(jì)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(yùn)行狀況態(tài)和報(bào)警信息,；對其它化工單元操作過程設(shè)計(jì)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(xì)生產(chǎn)信息；根據(jù)操作人員的習(xí)慣,，在操作站設(shè)計(jì)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(gè)調(diào)節(jié)回路分別設(shè)計(jì)了調(diào)節(jié)畫面，實(shí)現(xiàn)對PID參數(shù)的整定,、手自動(dòng)模式的切換以及對調(diào)節(jié)閥門的手動(dòng)操作,；對21個(gè)主要閥門分別設(shè)計(jì)了彈出式開關(guān)畫面，實(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)對緊急事故的應(yīng)急處理,，對6個(gè)調(diào)節(jié)器回路加裝外部自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)器，一旦出現(xiàn)控制系統(tǒng)故障,，自動(dòng)切換到跟蹤調(diào)節(jié)器獨(dú)立于DCS來控制調(diào)節(jié)閥；對21個(gè)主要閥門加裝應(yīng)急處理按鈕,，獨(dú)立于DCS實(shí)現(xiàn)對閥門的強(qiáng)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(jì)算機(jī)；工程師站選用COMPA型PC機(jī),。構(gòu)成圖如下：

　　圖1 硬件配置

　　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(jī)構(gòu)進(jìn)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(jìn)行進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)號,；比如在本系統(tǒng)配置中,，現(xiàn)場的雷達(dá)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(diǎn)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(kuò)展機(jī)架第二槽的數(shù)字輸入模塊ID212的第十點(diǎn)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(diǎn),。

　　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(shí)現(xiàn)操作站與控制站的實(shí)時(shí)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(diǎn),。

　　中間地址的分配：PLC在運(yùn)行過程中，還需要大量的中間寄存器來存放那些運(yùn)算過程中的臨時(shí)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(jìn)行必要的定義和注釋。

　　2.4.2.為控制策略編寫梯形圖

　　自動(dòng)調(diào)節(jié)：本系統(tǒng)中選用3個(gè)PID03模塊組成6個(gè)調(diào)節(jié)回路來完成生產(chǎn)過程的自動(dòng)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(shí)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(dāng)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。

　　圖2 為PIC111寫設(shè)定值

　　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(shí)，就必須啟動(dòng)（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(gè)壓力進(jìn)行比較,，只有三塊中的二塊同時(shí)具備條件時(shí),，連鎖才動(dòng)作；在編寫梯形圖時(shí),，采用比較指令,、再加上與、或,、非等邏輯指令就可實(shí)現(xiàn)此控制策略,。（梯形圖略）

　　連鎖保護(hù)：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(hù)編寫梯形圖既操作簡單又可讀性強(qiáng),。為保護(hù)設(shè)備和生產(chǎn)安全，本系統(tǒng)共編寫連鎖回路21個(gè),。（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(jìn)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(diǎn)和量程進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(bào)表等。

　　系統(tǒng)配置在本系統(tǒng)中實(shí)際上就是在PC機(jī)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(dòng)程序配置SCADA系統(tǒng),，配置報(bào)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(dòng)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(dòng)程序OMR.drv和OMRON的PLC進(jìn)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(diǎn)構(gòu)成,，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)實(shí)際上就是一個(gè)功能塊,，F(xiàn)IX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(jìn)行運(yùn)算和報(bào)警處理,。在數(shù)據(jù)庫中建立一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)就是定義一個(gè)功能塊，其內(nèi)容包括：功能塊類型,，數(shù)據(jù)點(diǎn)的位號,、注釋、零點(diǎn),、量程,，接口設(shè)備，I/O地址,，數(shù)據(jù)的格式,，報(bào)警上、下限等,。如：在數(shù)據(jù)庫中添加一個(gè)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(diǎn)”為“0”,，“量程”為“17”，“單位”為“M”,；則在數(shù)據(jù)庫中便建立了一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)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(shí)際上是一個(gè)人機(jī)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(dòng)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(dòng)態(tài)特性對話框中選中動(dòng)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(zhǔn)確地顯示該液位的實(shí)際高度,，可在該球罐圖形旁邊定義一個(gè)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)連接，連接到“位號”為“LT-101”的數(shù)據(jù)點(diǎn),；為了直觀地顯示各種閥門的工作狀態(tài),，在其圖形的動(dòng)態(tài)屬性對話框中選中動(dòng)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(biāo)單擊其圖形,，即彈出開關(guān)畫面,，實(shí)現(xiàn)流程畫面上的對象所見即所得。

　　定義報(bào)表：考慮到總公司已推行電子化辦公,，各種報(bào)表均設(shè)置為定時(shí)保存到文件,，操作人員可以根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)用，并隨著辦公自動(dòng)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(yùn)行可靠，界面友好,，操作簡單,，維護(hù)工作量很小，受到了操作和維護(hù)人員的歡迎,；投用后,，根據(jù)技改工作需要又進(jìn)行了2次擴(kuò)容均未影響正常生產(chǎn)，實(shí)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(jì)和調(diào)試，性能價(jià)格比優(yōu)越,，系統(tǒng)擴(kuò)展容易且維護(hù)工作量小,，是企業(yè)進(jìn)行技術(shù)改造和中小型生產(chǎn)過程首選的自控系統(tǒng)。