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(lái)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(lái)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(wèn)題，筆者在閱讀了大量技術(shù)資料的基礎(chǔ)上對(duì)現(xiàn)有DCS 和PLC的控制系統(tǒng)進(jìn)行了總結(jié)對(duì)比，提出了在中小規(guī)模化工項(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(wàn)噸重鈣裝置改磷銨的技改項(xiàng)目中的液氨儲(chǔ)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(guò)程與操作管理人員對(duì)自動(dòng)控制過(guò)程的管理過(guò)程相對(duì)分離；流程工業(yè)的自動(dòng)控制過(guò)程由各控制站相對(duì)獨(dú)立地自動(dòng)完成，而操作人員對(duì)自動(dòng)控制過(guò)程的管理則由中央控制室的操作站來(lái)完成。中央操作站與各現(xiàn)場(chǎng)控制站一方面各自相對(duì)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(duì)整個(gè)自動(dòng)控制過(guò)程進(jìn)行管理和調(diào)整。

現(xiàn)場(chǎng)控制站的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)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(hào)（或ON/OFF數(shù)字信號(hào)）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(guò)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(guò)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(guò)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(jiǎn)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(shì)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(duì)控制方案進(jìn)行調(diào)整，以優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程或?qū)μ厥馇闆r的緊急處理。對(duì)中小型DCS來(lái)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(duì)計(jì)算機(jī)的硬件和操作系統(tǒng)無(wú)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(chǎng)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(chǎng)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(guò)“實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件”+“PC機(jī)”來(lái)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(duì)生產(chǎn)過(guò)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(guò)程簡(jiǎn)介：

液氨儲(chǔ)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(wàn)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(chǔ)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(duì)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(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行連鎖保護(hù)；為保證生產(chǎn)過(guò)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(duì)其它化工單元操作過(guò)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(hào)；對(duì)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(duì)PID參數(shù)的整定、手自動(dòng)模式的切換以及對(duì)調(diào)節(jié)閥門的手動(dòng)操作；對(duì)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(duì)生產(chǎn)過(guò)程的自控或遙控；對(duì)主要工藝參數(shù)設(shè)計(jì)了歷史趨勢(shì)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(duì)緊急事故的應(yīng)急處理，對(duì)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(lái)控制調(diào)節(jié)閥；對(duì)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(duì)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DELLOPTIPLEXGX150計(jì)算機(jī)；工程師站選用COMPA型PC機(jī)。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(tái)，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(chǎng)檢測(cè)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(duì)應(yīng)的寄存器地址，I/O地址的分配是對(duì)PLC進(jìn)行進(jìn)一步組態(tài)的基礎(chǔ)；對(duì)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(chǎng)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(hào)，連接到模擬模塊、PID模塊上的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，其I/O地址取決于I/O模塊的單元號(hào)（不同的模塊應(yīng)通過(guò)模塊的硬開關(guān)設(shè)置不同的單元號(hào)）和在該模塊上的點(diǎn)號(hào)；比如在本系統(tǒng)配置中，現(xiàn)場(chǎng)的雷達(dá)液位變送器LT-101輸出的4~20mA 的模擬信號(hào)連接在單元號(hào)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(hào)（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(guò)讀寫PLC的內(nèi)部寄存器來(lái)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(lái)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(hào)經(jīng)過(guò)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(lái)建立自己的數(shù)據(jù)庫(kù)；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(guò)程中，還需要大量的中間寄存器來(lái)存放那些運(yùn)算過(guò)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(duì)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(lái)完成生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制，為了方便操作人員在操作站對(duì)控制過(guò)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(hào)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。

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(chǎng)用三塊壓力表來(lái)測(cè)量其壓力，PLC中對(duì)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(jiǎn)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(duì)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(chǎng)設(shè)備相對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)種類和對(duì)輸入信號(hào)的預(yù)處理方法，還應(yīng)對(duì)零點(diǎn)和量程進(jìn)行校正；PID模塊除了對(duì)輸入信號(hào)種類、輸入信號(hào)的預(yù)處理方法進(jìn)行設(shè)置外，還要對(duì)PID模塊存儲(chǔ)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(tái)：其主要內(nèi)容包括：系統(tǒng)配置、建立數(shù)據(jù)庫(kù)、繪制流程圖、定義歷史趨勢(shì)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(kù)，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(kù)：數(shù)據(jù)庫(kù)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， 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(jìn)行運(yùn)算和報(bào)警處理。在數(shù)據(jù)庫(kù)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(hào)、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(kù)中添加一個(gè)AI模塊，在其屬性對(duì)話框中定義；“位號(hào)”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(kù)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(guò)流程畫面來(lái)了解和控制生產(chǎn)過(guò)程的，所以流程畫面既要信息全面，又要簡(jiǎn)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(lái)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(duì)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(hào)”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(hào)”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(duì)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(duì)象所見(jiàn)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(guò)WEB頁(yè)瀏覽和調(diào)用。

結(jié)束語(yǔ)

該控制系統(tǒng)投用2年多來(lái)，性能穩(wěn)定、運(yùn)行可靠，界面友好，操作簡(jiǎn)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(jiǎn)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(guò)程首選的自控系統(tǒng)。