DCS和PLC技术

DCS和PLC技术（精选7篇）

DCS和PLC技术 第1篇

1 控制系统介绍

火电厂的控制方案一般包括全厂DCS和DCS加PLC两种。

全厂DCS方案是最近几年新兴的技术方案。该方案的应用有效减少了全厂的控制系统种类, 统一了全厂的控制平台, 完全做到了全厂一个数据库、全厂画面统一、控制逻辑算法统一, 并且业主运行维护也比较方便。全厂DCS采购的卡件较多, 便于使DCS厂家降低价格, 得到更好的DCS合同价。但是, 这种方案在全厂调试阶段会出现较多问题。比如, 水系统、上煤系统、灰渣系统的控制都要在DCS中实现, 各厂家提供完整的逻辑图供DCS厂家组态。但是, 当前国内的设备厂家提供这些资料比较困难, 往往需要各设备厂家到现场指导才能解决问题。这种方案主要简化了业主的后期维护, 减少了业主的备品备件。

DCS加PLC方案是一种传统的方案。这种方案的优点是PLC由各自的水煤灰设备厂家随设备成套供应, 由于各设备厂家对自己的控制系统负责, 各个设备厂家的控制专业人员对自己的设备运行更加熟悉, 不依赖调试所也可以实现控制系统的逻辑编制和现场调试。在后期, 特别是发电前期可以更好地控制工期。对于工期敏感技术风险谨慎的海外EPC项目, 这种成熟的方案显得更为稳妥, 为众多海外EPC总承包商所采用。

通过对比分析, 我们了解到业主想要寻求一种全厂统一的控制。如果选择DCS加PLC方案, 就需要DCS和PLC能实现无缝连接, 所涉及的技术问题主要有DCS和PLC的通信规约要互相兼容, DCS和PLC的系统对时要统一, DCS和PLC的数据库要统一。

2 方案设计

经过前期调研, 我们决定采用Emerson Ovation DCS系统和Rockwall AB Control Logix PLC系统, 以满足以上技术要求, 实现业主所要求的功能。目前, 常用的基于以太网的DCS和PLC的通用通信协议主要有以下两种:①OPC方案。这种接口协议开放, 市面上的PLC和DCS基本都支持这个协议。当数据量较少时, 该方案比较适用。但是这个项目杂项系统的数据量加起来预估超过5 000点, DCS厂家反馈这个数据量过大, 容易引起OPC服务器崩溃, 特别是OPC服务器系统启动加载时, 启动时间会很长, 甚至几分钟、十几分钟都无法启动, 这是业主很难接受的。②Modbus TCP方案。Rockwall AB Control Logix PLC系列不支持这个标准协议, 需要加额外的第三方卡件来进行协议转换。由于是冗余的接口, 因此会增加成本和调试维护工作量。

使用以上两种协议的原因是DCS侧不兼容PLC通信协议, 而不得不依托于第三方的通信协议。这就需要DCS侧和PLC侧都进行通信规约转换, 进而降低了通信效率, 增加了成本和调试工作量。我们在进一步了解Ovation和AB Controllogix硬件、软件的基础上, 提出了一种Ovation DCS和AB Control Logix PLC完全融合方案。Ovation DCS和AB Control Logix PLC都遵循以太网协议, 我们考虑将二者融合到一起。通过查阅Emerson的标准手册, 发现Emerson DCS集成了AB PLC的通信协议接口。无论是一个ENRT模块通信, 还是两个ENRT模块的冗余通信, 可以直接将ENBT模块连接到OVATION交换机的IP端口。冗余通信时跟上述描述一样, 也要考虑控制器的切换问题。为了避免PLC系统的接入对DCS系统产生冲击, 在Ovation专家的建议下, 我们在PLC系统的交换机和DCS的交换机之间设置了一层DMZ路由器对两个系统进行隔离, 增强了系统的抗干扰能力。

3 技术实施

DCS侧工程师站配置如下。

进入DROPn/configuration/controller/devices/device numbers, 点击右键添加Device2, 类型为ALLEN BRADLEY;进入DROPn/configuration/controller/controller networking, 点击右键添加, 修改控制子网掩码为:255.255.254.0。DCS子网掩码设置如图1所示。

Ovation3.1以上版本默认将TELNET的功能关闭, 进入DROPn/configuration/controller/services, 点击右键插入新的service并Enable, 以方便测试。图2所示为使能DCS通信服务功能。

进入DROPn/IO DEVICES/IO Device 0 IOIC, 点击右键添加Allen-Bradley PLC, 具体如图3所示。

通信点所在的任务区应设置成并行方式。图4所示为一模拟量点从PLC中得到的数据。图中, “N7:25”中“N”表示PLC中的文件类型是16位的整数, “7”表示7号文件。我们可以这样理解, PLC中组态了一个为N7的数组, 从N7:0开始依次增加, Ovation的数据依次与其对应。通信时, 如果对方乘以变比10, Ovation侧可以直接在点的转换系数中选择线性, 转换系数为0.1.对于模拟量数据输出给PLC可以选择OUTPUT TO PLC。

从PLC中获取开关量数据。需要注意的是, 我们可以按这种方式AB PLC5 1 IN N7:21/6读取数据, 但不能用这种方式AB PLC5 1 OUT N7:21/6将开关量的数据写到PLC中。Ovation写开关量到PLC时, 可以将开关量打包成打包点, 然后按16整数的形式发给PLC。

目前, AB PLC的主流组态工具为RSLogix 5000, 需要将里面的点MAP设置成地址的形式, 如图5所示。

通信时, 对方建立了两个数组, 7号用于发送数据给Ovation, 10号用于从Ovation中获取数据。图6所示为7号数组DW_DATA数据结构, 图7所示为10号数组RD_DATA数据结构。

通过以上配置, 由于Emerson Ovation DCS系统可以识别AB Control Logix PLC的通信规约, 杂项控制系统的PLC和DCS系统实现了无连接, 两个系统可以直接进行数据交换, 所有数据都会储存到DCS的历史数据中, 同时满足了全厂统一数据库的要求。

Ovation DCS和AB Control Logix PLC都遵循以太网协议, 我们考虑采用NTP对时的方式对二者对时。由于业主要求全厂统一时钟, 因此, 要利用DCS的NTP服务器对PLC系统对时。Control Logix的处理器从18.0.0版引入了CIP同步的功能, 全面支持PTP1588。PTP1588的典型应用领域是测量和控制系统、工业自动化、电力系统以及分布式运动控制系统。PTP1588可以提供亚微秒的时间精度, 所需计算资源网络资源更少。在Control Logix系统中, 时钟同步所需的硬件的要求如表1所示。

系统的典型架构见图8.图8中的网络拓补结构为星型拓补结构, 使用的是Control Logix冗余系统。该冗余系统使用的是增强型方案, 使用以太网带IO, 并在系统中使用GPS模块作为Grandmaster (整个系统的主时钟) 。现对该方案作如下说明。

3.1 系统主时钟 (Grandmaster) 的选择

在时钟同步系统中只能有一个主时钟 (Grandmaster) 。本系统采用第三方的产品作为主时钟。目前, 市场上有多个厂家提供GPS时钟主机作为NTP服务器, 均带有以太网口。当该主机锁定卫星后, 可以通过以太网发布UTC (世界标准时间) 。在图8所示的方案中, GPS主机通过NTP将安装了RSLogix5000编程软件的PLC工程师站同步, 通过CIP将Controllogix系统的时钟同步, NTP采用周期型的工作方式, 时间精度可达10 ms。

3.2 使能CIP Sync功能

在本系统使用的硬件中, Controllogix处理器、1756-EN2T以太网模块和1756-IB16ISOE模块都有自己的时钟, 仅需使能模块的CIP Sync功能就能得到统一的UTC时间。这种技术简化了网络结构。在过去的系统中, 要使用专门的网络才能建立时钟同步网络, 而现在使用工业以太网就可以建立时钟同步网络。CIP Sync可以充分利用已有的以太网资源, 就不需要对同步信号单独布线了。

3.3 授时机制

3.4 支持CIP同步的硬件系统

Control Logix控制器具有自身支持CIP同步的功能, 可以作为精确时钟PTP主站和从站。在控制器之间, 不需要编制程序就能共享时钟, 只要在控制器配置页面的选项框中打勾即可。EN2T支持CIP同步。STRATIX 8000本身支持PTP1588, 可以设置边界时钟, 也可以设置透明时钟。1756-IB16ISOE固件为2.7版本, 提供最新技术和最佳性价比的SOE方案、第一失效检测系统, 支持集成的CIP同步和高精度时间戳, 来自以太网时间源的“实时”值。SOE方案的结构非常简单, 取消了原来的同步连接线, 降低了成本。

4 结束语

通过上述技术分析和对比, 我方采用的技术方案具有成本低、调试工作少、维护方便、自动化程度高的特点, 可以满足业主的所有技术要求, 得到了业主的认可和批准, 实际应用效果良好。

参考文献

[1]周斌.DCS在安庆石化热电厂的应用[J].安庆师范学院学报 (自然科学版) , 2006 (03) .

[2]陆海珠, 韩兵.电厂脱硫工程控制系统的分析与论证[J].电力环境保护, 2004 (04) .

[3]郑喆.基于WINCE人机界面的PLC通讯的设计[J].电脑知识与技术, 2004 (17) .

[4]朱孙.PLC控制系统在梅钢3 200 m3高炉煤气干式布袋除尘中的应用[G]//全国冶金自动化信息网2010年年会论文集, 2010.

[5]赵东.浅谈DCS系统的维护和管理[J].广西电力, 2006 (03) .

[6]王林.安庆电厂1#机组DCS系统升级改造[J].轻工科技, 2013 (09) .

[7]贠小波, 王存毅.DCS系统在电厂水网控制系统中的应用[J].自动化博览, 2008 (09) .

DCS和PLC技术 第2篇

1 DCS、PLC和FCS的特点

1.1 DCS技术的特点

DCS技术的特点包括以下3点: (1) 协调性。各工作站之间可以利用通信网络对各种信息进行传递和协调, 协助完成控制系统的优化处理和总体功能, 采用安全、可靠、实时有效的标准通信网络协议和工业控制局部网络, 以达到整个系统信息资源的共享。 (2) 独立性。各工作站利用网络接口连接, 可独自完成各项规定任务。危险分散、负荷分散和控制功能可以增加系统的可靠性。 (3) 友好性。DCS技术显示直观、操作方便, 具有可监视性。DCS包括画面组态、系统组态和报表组态等组态软件, 这些软件能帮助用户设计新的控制系统, 并对系统进行灵活扩充。

1.2 FCS技术的特点

FCS技术的特点包括以下2点: (1) FCS是由现场的诸多仪表通过总线互联和控制人机界面共同组构而成的系统。FCS技术通过智能现场仪表、在现场设备中安装控制按钮, 可将输出模块和控制功能移至现场, 从而实现分散控制。 (2) FCS技术的核心是总线协议, 只要有一种类型的总线协议被确定, 其相关设备和技术就可以被确定;FCS系统实际上就是信息处理现场化, 无论采用现场总线, 还是DCS处理, 其处理的信息量都是一样的。采用现场总线可获得更多的信息, 现场总线系统的信息量增大了, 但传递次数减少了, 这就要求提高线缆传输信息的能力。同时, 要在现场完成信息处理, 这样可以有效减少控制机房与现场之间的信息往返。

1.3 PLC技术的特点

最初的PLC不具备模拟量的处理能力, 因此, PLC最初只强调逻辑运算能力。PLC技术具有以下5个特点: (1) 从开关量控制、顺序控制到运送处理, 其控制顺序为由上而下。 (2) 具备连续PID控制等功能。 (3) 可以采用1台PC机为主站, 多台同一型号的PLC为从站;也可以用1台PLC为主站, 多台同一型号的PLC作为从站的PLC网络系统。 (4) PLC网络不仅可作为独立的DCS, 还可以作为DCS的子系统。 (5) 新型PLC具有闭环控制功能。

以往, PLC主要用于开关量控制, 随着它逐渐被集成化和智能化, 越来越多的PLC供应商开始提供接口部件, 比如Square D公司的发动机控制中心具备Ethemet连接接口, 并准备在变速装置中开发Web服务器连接接口;Schneider公司推出了一种新型的快速Ethernet模件, 该模件通过嵌入式Web服务器提供SNMP和HTML服务, 可用于管理标准网络通信;Rockwell公司除了提供Ethemet连接接口外, 还在此基础上提高了它的功能特性。

2 组合系统在电厂中的实际应用

2.1 DCS+FCS系统

这类组合系统不仅可以在数据和通信传输方面执行现场总线协议标准, 还可以保留DCS系统中具有强大功能的模件和控制器。该系统在数据和通信传输方面的分散控制系统即FDCS系统。这类组合系统已被多家电厂应用, 比如华能珞璜电厂采用P320、ALSPA控制系统。

2.2 PLC+DCS系统

这类组合系统有2种方式: (1) PLC下位机+DCS+PLC通讯机。PLC与DCS下位机之间的通讯通过PLC通讯机实现, 这种组合方案在上海外高桥发电厂实施的自动化程度最高。 (2) PLC下位机+DCS+PLC的上位计算机。PLC与DCS下位机之间的通信通过PLC的上位机实现。

2.3 FCS+PLC系统

PLC在处理开关量方面的功能特点对FCS的作用毋庸置疑。一些核电厂和常规电厂的辅助系统的工艺过程通常都是按顺序控制, 比如循环水系统、补给水处理系统和除盐水系统等, 而PLC技术在顺序控制具有独特的优势。因此, 应根据现场总线通信协议的PLC对辅助系统的仪表进行改造, 或是以与FCS进行信息交换的PLC作为优选对象。

3 运行效果

通过改造PLC技术, 系统工作效率和设备的自动化水平都有了一定程度的提高, 根据长久以来的运行情况, 大幅减少了检修和维护的工作量, 从而使检修和维护的费用大大减少。该技术可通过有效的信号分析, 对电除尘器灰斗进行操作, 以提高仓泵和饲料机等设施的运行效率, 降低设备损耗;能对仓泵的料位进行准确测量, 帮助操作人员准确掌握运行状态, 从而确保整个系统的正常运行, 达到操作目的和运行效果。

4 结束语

目前, 满足我国电厂控制要求的智能现场装置并不是很多。在实际应用中, 现场总线的功能还没有得到充分发挥, 将现场总线控制系统应用在大型机组上的技术尚未成熟, 但在辅助控制系统中, FCS系统可以被大力推广应用。在电力方面, PLC和DCS将逐渐被FCS取代。在此过程中, 一些组合系统结构将被逐步开发出来。PLC、DCS和FCS系统之间可互相促进、共同发展, 而并非完全排斥, 这样可以形成一个统一的FCS系统, 以更好地迎接电工业信息化的挑战。

参考文献

PLC整合升级DCS系统方案 第3篇

关键词：DCS,PLC,工艺优化,通讯

目前, 在工业环境下控制系统基本都是以DCS、PLC为主, 两者都是计算机与工业控制技术相结合的产物, 通过I/ O卡件完成与一次元件和执行机构的数据交换。但PLC和DCS仍存在核心概念的差别, DCS是一个体系, PLC是一个装置。目前小型的系统大多采用PLC为主的控制方案, 大型则多以DCS为首选。本文主要介绍将几个PLC系统整合为一个主控DCS系统, 最终完成集中操作及数据上传。

1系统介绍及改造方案

随着企业新上项目的不断增加, 所使用的控制系统种类繁多, 由于供应商不同, 造成系统间相互独立, 不便于生产操作, 在这主要介绍我厂环保系统的一套整合方案。

1. 1系统组成

我厂环保系统现有脱硫Ⅰ、Ⅱ期、脱硝系统、在线设备, 脱硫I期采用SIEMENS PLC S7-300控制系统, 脱硝系统采用上海新华XDC-800系统, 锅炉主控系统采用GE XDPS- 400e, 脱硫II期、在线监测采用SIEMENS PLC S7-200, 以现有系统分布, 存在以下几个弊端:

1) 目前工艺繁杂, 相互之间没有关联, 造成操作及反应不及时。

2) 部分控制系统因设计理念、数据存储等原因, 不方便数据处理。

3) 原有工艺操作流程落后, 亟待对系统升级、优化控制流程。

1. 2整合方案设计

为了能够提高运行效率, 优化人员结构, 减少人力物力的投入, 达到简洁快速的目的, 在考虑节约成本的基础上, 将控制工艺进行优化, 让操作更简便直观, 突发情况时可以作出快速反应。具体方案如下:

1) 新增X-DPU控制器一套, 不再添加其他硬件设施, 现场信号仍接入原有I/O通道。

2) 基于MODBUS与Profibus DP间的协议基础, 建立各个独立的系统联系的桥梁, 便于集中处理及数据调用。

3) 整合脱硫Ⅰ、Ⅱ期系统, 将原有独立的两套系统合并接入X-DPU, 重新编译工艺流程及程序, 优化控制增加联锁及自动调节。

2 X-DPU结构性能及特点

分布式处理单元X-DPU是过程控制站, 通过冗余的Ethernet实时数据网络与MMI节点及其它硬件设备连接, 通过I/O网络与I/O站节点连接, 提供双向的信息交换, 实现各种先进的控制策略, 完成数据采集、模拟调节、顺序控制、 高级控制、专家系统以及其它不同用户的特殊功能要求[1]。

X-DPU选用C3 400 MHz的CPU板, 它具有处理速度快, 能快速响应各种事件并能准确地完成诸如I/O输入输出、PID运算、网络通讯、逻辑运算、事件量处理等功能[2]。

X-DPU不仅具备通用控制处理单元的运算功能, 他还将通讯功能集成于控制器内, 支持多接口的接入, 方便系统较杂控制环境的升级改造。

3系统间通讯

鉴于脱硫控制系统优化升级及环保实际需要, 考虑统一将脱硫、脱硝、在线检测、锅炉主控关键数据接入X-DPU控制器。

3. 1外部系统I / O通讯介绍

X-DPU提供了多种标准通讯驱动程序, 例如: 标准MODBUS驱动, 支持串行口连接和TCP / IP连接; OPC客户驱动; Profibus主站驱动; 外部系统可以通过RS232、RS485、 以太网RJ45等连接到控制器上, 其系统结构如图1所示。

3.2不同设备间具体通讯配置

3.2.1 GE与上海新华系统对接

GE与上海新华系统同采用MODBUS通讯协议, 我们可以直接通过TCP/IP网络连接, 需要配置Modiplc. ini文件[3], 部分配置如下:

[CONFIG]

communication _ port2 = MODICON _ TCP, 222. 222. 223. 47, 502, 1, debug

[Port1_DCS1]

Slave_No=2

Station_No=1

Plate Num=8

Plate1_No=1

Plate2_No=2

…

Plate1_AI=4, 0, 32, 3

Plate2_DI=2, 0, 32, 3

Plate3_DO=0, 32

Plate4_AO=0, 32

因TCP上的MODBUS协议, X-DPU系统所配置驱动程序都是按国际通用实现的, 因此这里不对协议的具体内容做详细描述。

4控制系统组态及施工

上述工作都已完成后, 就可以对系统进行组态, 包括点目录、图形画面、程序改造等。

4. 1前期准备

首先根据原有系统结构, 结合实际工艺操作流程、外围辅助设备接口等诸多因素, 图形画面尽量保留原有操作方式。程序方面, 加强了原有程序资料的收集、备份、整理、消化和吸收, 调研生产操作需求, 确定联锁等投入方式。最后, 做好外围接口连接的数据确认。

4. 2改造内容

将整个脱硫工艺画面整合, 归为一组界面, 所有操作均在远程可以实现。重点关注数据在盘面上集中显示。重新编译程序, 模块分类清楚。新增Ⅰ、Ⅱ期系统相关联锁, 新增数据异常处理程序。升级存储服务器, 新增历史数据点。

5总结

改造提高了整个控制系统的稳定性。故障率大幅下降。 改造简化了系统结构, 控制站的数量大幅减少。增强了系统和工艺连锁, 同时系统的外围设备通用性大幅增加, 减少了系统维护。新系统的控制功能非常强大, 在线组态维护安装方便, 为控制功能的进一步优化创造了条件。

参考文献

[1]火力发电厂设备手册.仪表及自动控制系统设备分册[M].北京:中国电力出版社, 1998.

[2]GE新华.XDPS-400e控制器和驱动软件用户手册V2.0[M].上海:上海科学技术出版社, 2007.

[3]GE新华.XDPS-400e HMI软件用户手册工程师站软件V1.0[M].上海:上海科学技术出版社, 2007.

DCS和PLC技术 第4篇

在我国, 除了少数大中型锅炉采用了先进的控制技术外, 绝大多数中小企业所用的锅炉, 大部分还停留在选用仪表和继电器控制, 甚至还是人工操作, 已无法满足要求[1]。因此, 对锅炉控制系统采用先进的控制技术, 不仅能够实现安全生产的目的, 还能够节煤节电并能使排放更环保, 具有很好的市场发展空间和投资收益前景。锅炉DCS (分散控制系统DistributedControlSystem) 自动控制, 是近年来开发的一项新技术, 它是计算机软件、硬件、自动控制、通讯网络和锅炉节能等几项技术紧密结合的产物。采用控制算法和DCS进行控制, 可以有效提高工业锅炉的热效率、降低耗煤量、降低耗电量, 是一件具有深远意义的工作[2]。作为锅炉控制装置, 其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行, 减轻操作人员的劳动强度。DCS控制的锅炉控制系统中, 包含两台鼓风机、两台引风机、两台炉排机共六台电动机, 采用PLC与变频器结合实施对锅炉六台电动机的控制, 具有十分周到的安全机制, 设置了多点声光报警, 和自动连锁停炉。控制系统采用前馈加PID控制器通过变频器调速系统调节引风量来控制炉膛负压, 节能和控制效果非常明显。

1工艺流程

锅炉系统主要包括:蒸汽系统、软化水处理系统、给水系统、燃烧系统、排污系统、凝结水系统、疏水系统等[3]。该控制系统主要是控制锅炉燃烧系统, 燃料煤由振动给料机加到煤斗中并落在炉排上, 电机通过减速机、链条带动炉排转动, 将燃料煤带入炉内。燃料煤一边燃烧一边向后移动, 燃烧所需要的空气由鼓风机送入炉排中间的风箱后, 向上通过炉排到达燃料燃烧层。风量和燃料量成比例 (风煤比) , 以便进行充分燃烧, 形成高温烟气。燃料煤燃烧剩下的灰渣, 在炉排末端通过除渣板后排入灰斗。在炉膛四周墙面上都布置着一排水管, 称为水冷壁。高温烟气与水冷壁进行强烈的辐射换热和对流换热, 将热量传递给管内的水流。继而烟气受引风机、烟囱的引力向炉膛上方流动。烟气经炉膛出口与省煤器内的水和空气预热器中的空气进行热交换后, 较低温度的烟气经过麻石除尘器除尘, 再经引风机通过烟囱排出。省煤器的作用是给水预热, 空气预热器的作用是给空气预热, 以降低排烟温度, 提高锅炉效率, 从而节省燃料。

2 DCS系统的组成与网络结构

系统是根据工艺流程要求和控制任务, 本着“分散控制、集中管理”的特点, 整个控制系统按3层结构和2种网络进行结构规划和系统配置, 并预留与全厂生产管理层的通讯接口。三层结构即为操作管理层、过程控制层和现场检测层。

操作管理层主要由2个工程师站 (ES) 组成。每台工程师站相对于过程控制站具有同等的监控地位, 互为热备。工程师站的硬件平台为研华工控机和研华19寸液晶显示屏, 软件平台为SEIMENS公司的WinCC 6.0组态软件。

过程控制层主要由1个过程控制站 (PS) 组成, 完成对两台锅炉控制系统的安全联锁控制、回路调节、顺序控制、逻辑控制和综合报警。过程控制层的PS站一方面通过PorfibuS-DP现场总线网络与现场检测层的远程I/O站进行通讯, 采集系统相关的现场传感器、变送器、执行机构和其他设备的实时运行数据和状态信号, 控制相关设备的运行, 如调节鼓风机、引风机和炉排的运行速度等。另一方面将系统的数据信息通过现场总线上传到操作管理层的工作站进行处理, 同时执行工程师站发出的操作命令。PS站选用西门子S7-300系列PLC作为主站分别监控两台锅炉[4]。PLC处理器均为CPU 313-C, 它具多种突出特点, 包括紧凑、无槽位限制的模块化结构, 高扩展能力, 完整的系统功能, 间接的集中或分布式I/O连接, 通道隔离、带诊断, 并集成了Profibus-DP现场总线接口, 可以直接挂接于Profibus-DP网络。PS站的PLC编程软件采用Step7 5.4, 通讯设置软件为SIMATICNET。

现场检测层由1套Simenes公司的ET200M系列远程I/O站组成, 按每台蒸汽锅炉就地配置1套远程I/O站的原则进行设计。ET200M远程I/O站作为各过程控制站的从站, 具体负责与现场各开关量及传统仪表的接口, 并通过ProfibusDP现场总线网络与过程控制层进行数据交换, 实现2台锅炉系统所有现场设备、仪表的信号数据采集和控制等功能。

ET200M远程I/O模块作为从站, 通过接口模块IM 153与Profibus-DP现场总线相连。ET200M远程I/O站主要由通讯模块、开关量输入/输出 (I/O) 模块及模拟量输入/输出 (I/O) 模块等组成。组态之后, 分布式I/O将如同集中式I/O一样, 主要完成锅炉的热工检测与控制。整个控制系统的网络结构如图1所示。

3系统的软件设计

燃烧系统由6台变频器各自控制一个电动机组成。两台锅炉均有其相应的引风机、鼓风机和炉排机, 全部要求变频控制且有顺序控制功能, 其启动顺序如图2所示, 停机按逆序进行。该控制系统考虑了连锁保护, 一旦鼓风机或引风机或炉排停机或者变频器出现故障, 既报故障信号立即实现连锁, 整个锅炉系统停炉, 保证锅炉安全。另外手动控制部分也设计了连锁保护功能, 启动时必须是先启动引风机再启动鼓风机, 停机时必须先停止鼓风机, 然后停止引风机。

根据控制要求炉膛负压是一个重要的参数, 负压过大, 则漏风严重, 总的风量增加, 烟气热量损失增大, 同时引风机的电耗增加, 不利于经济燃烧, 负压偏正, 炉膛要向外喷火不利安全生产。控制系统采用前馈加PID控制, 炉膛负压设定为-10 Pa, 根据鼓风机转速调节引风机转速, 使炉膛负压维持在-10 Pa。炉膛负压控制系统如图3所示。

S7-300的CPU中已有PID模块FB41, 建立FB41的背景数据块DB41, 在DB41中把需要预先设置的参数设置好, 如PID参数、设定值和上下限幅值等。在OB35中进行数据的采集、输出和PID算法的实现。使用中只需设定三个参数 (KP , TI , TD) 即可。在很多情况下, 并不一定需要全部三个单元, 可以取其中的一到两个单元, 但比例控制单元是必不可少的。PID参数KP, TI, TD可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化, 例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化, PID参数就可以重新整定[4]。

燃烧控制系统应用先进的燃料-空气双交叉限制燃烧控制方式, 当升负荷时, 先加燃料后加风;当降负荷时, 先加风后加燃料, 并且燃料和风互相限制, 使燃烧过程无论在稳态工况或变工况下, 剩余空气系数始终控制在理想范围内, 把燃烧过程控制在低氧燃烧区。

4监控系统的画面及功能设计

控制界面采用WinCC开发, 如图4所示。其功能有:对现场锅炉及管网的模拟量如温度、压力、流量、液位、含氧量等进行采集、处理并上传到上位机进行监控;对电动机、变频器的运行状态 (包括起动、停止、运行、故障等) 信号进行采集、处理并上传到上位机, 操作员通过对系统运行状态的判断进行相应操作;上位机中要求有运行数据的实时显示、现场工艺画面, 还要求有报表、趋势图、报警纪录、PID参数设定、等功能, 同时还能按照控制锅炉系统的运行工艺对下位机实现全部控制。

在监控过程中, 不断地采集现场的实时数据, 并对这些数据进行归档、分析和处理。在WinCC资源管理器的变量记录组态中, 可以设置周期性归档的变量和非周期性归档的变量。这些变量记录数据存贮于变量记录数据库中, 可在监控画面中组态、显示。显示方式有两种:数据表格显示和曲线显示。无论是表格显示还是曲线显示, 系统均提供了方便的查询工具, 可以根据需要查寻不同时间段的监控数据。图5和图6给出4#锅炉炉膛负压和炉膛温度的曲线图。

5结论

结合工业锅炉系统实际监控要求, 提出了一种基于现场总线技术与PLC控制技术相结合的远程监控方案。PID控制器中引入鼓风量作为前馈补偿, 以使引风量能迅速跟随鼓风量的变化, 使炉膛负压保持在允许范围, 实现了对锅炉燃烧系统的自动控制。同时该监控系统具有先进性、开放性、成本低等特点。控制室的人机界面能显示各种运行状态参数和故障信息以及系统参数, 具有内容丰富、操作简便等优点。该控制系统自投运以来, 运行效果较好。

摘要：随着现代化工业的飞速发展, 对能源利用率的要求越来越高, 由于工业锅炉在生活中使用广泛, 其控制和管理要求也越来越高。介绍了两台供暖锅炉控制系统的DCS系统设计, 控制系统运用PLC实现整体控制, 运用变频器调节鼓风、引风和炉排电动机, 运用工业计算机实现上位机监控, 利用PLC的PID功能, 对锅炉系统采用先进的控制技术, 不仅能够实现安全生产的目的, 还能够节煤节电并能使排放更环保, 具有很好的市场发展空间和投资收益前景。

关键词：锅炉,分散控制系统,PLC,WinCC

参考文献

[1] 佟亮, 赵肖宇, 黄操军, 等.模糊PID 控制在锅炉燃烧系统中的应用.信息技术, 2006;6:55—57

[2] 张绍娟, 吕淑菊.35 t/ h 锅炉PLC 热工监控系统设计.热能动力工程, 2003;9 (18.5) :532—534

[3] 张雪平.PLC在锅炉风机控制中的应用.微计算机信息 (测控自动化) , 2005;21 (6) :42—43

DCS和PLC技术 第5篇

万立氧空分装置是2008年辽化公司20万吨环氧乙烷/乙二醇改造的配套项目,该装置仪控系统采用了先进的Honeywell PKS集散控制系统来实现对整个装置的各系统及主要设备的工艺参数的监控,并实现各主要操作阀门、切换阀门的自动控制或遥控操作,以及必要的联锁保护措施。氮压机选用Ingersoll-rand的CENTAC 3C70MX5N2型压缩机,该压缩机配置独立的控制系统CMC控制器,为了有效的监控氮压机的运行参数,我们利用Modbus协议实现了Honeywell PKS集散系统与Ingersoll-rand CMC可编程序控制器之间串行通讯。

2 Modbus协议简介

Modbus是Modicon公司于1979年提出的一种通信协议,经过多年的实际应用,已经成为一种应用于工业控制器上的标准通信协议。有了它,不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络,进行集中监控。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了控制器请求访问其它设备的过程,以及怎样侦测错误并记录,它制定了消息域格局和内容的公共格式[5]。当在Modbus网络上通信时,此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址,识别按地址发来的消息,决定要产生何种行动。如果需要回应,控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。标准的Modbus口是使用RS-232C兼容串行接口,它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。控制器能直接或经由Modem组网。

2.1 Modbus报文

如图1所示,Modbus通信使用主从技术,即仅设备(主设备)能初始化传输(查询)。其它设备(从设备)根据主设备查询提供的数据作出相应反应。主设备可单独和从设备通信,也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独通信,从设备返回消息作为回应,如果是以广播方式查询的,则不作任何回应。Modbus协议建立了主设备查询的格式:设备(或广播)地址、功能代码、所有要发送的数据、错误检测域。从设备回应消息也由Modbus协议构成,包括确认要行动的域、任何要返回的数据、和错误检测域。如果在消息接收过程中发生错误,或从设备不能执行其命令,从设备将建立错误消息并把它作为回应发送出去[2]。

2.2 Modbus传输方式

Modbus协议有两种传输模式ASCII(美国标准信息交换代码)或RTU(远程终端单元)。它定义了在这些网络上连续传输的消息段的每一位,以及决定怎样将信息打包成消息域和如何解码。用户选择想要的模式,包括串口通信参数(波特率、校验方式等),在配置每个控制器的时候,在一个Modbus网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数。ASCII模式通信的主要优点是字符发送的时间间隔可达到1秒而不产生错误。RTU模式通信的主要优点是:在同样的波特率下,可比ASCII方式传送更多的数据[3]。

2.3 错误检测方法[4]

标准的Modbus串行网络采用两种错误检测方法。奇偶校验对每个字符都可用,帧检测(LRC或CRC)应用于整个消息。它们都是在消息发送前由主设备产生的,从设备在接收过程中检测每个字符和整个消息帧。

用户要给主设备配置一预先定义的超时时间间隔,这个时间间隔要足够长,以使任何从设备都能作为正常反应。如果从设备测到一传输错误,消息将不会接收,也不会向主设备作出回应。这样超时事件将触发主设备来处理错误。发往不存在的从设备的地址也会产生超时。

3 CMC控制器

CMC控制器是Ingersoll-rand CENTA C3C70MX5N2型压缩机随机配置的可编程序控制器,用来管理氮压机各种压力的控制和监控功能,以及控制辅助设备,如主电机启动器,润滑油加热器和预润滑油泵。其功能如下:

多功能LED显示屏显示数据和工作状态。

完成多种性能控制:卸载,调制和自动-双重工作方式。

先进的喘振监测与控制。

高电流限制,用于主驱动电机保护。

快速指示和事件纪录,有助于确定压缩机跳闸的根本原因。

CMC控制器提供RS422/RS485串行通讯接口,通过MODBUS协议与具有RS422/485端口的系列装置通信,以适应远程遥控和监控的需要。

利用Modbus协议,我们采用RTU通讯模式,把CMC控制器作为从设备,设备地址设置为2,通讯波特率为9600,校验方式为奇校验,通讯方式为全双工。

4 PKS系统的通讯功能[1]

图2硬件配置图

PKS系统是Honeywell公司推出的新一代DCS系统,全称为Experion Process Knowledge Solution System,它支持多种类型的控制器通讯,例如Modicon PLCS,Honeywell 9000系列和Allen-Bradley,并可以灵活的采用多种连接方式。如果控制器本身带网络接口,可以直接连接到网络上,如果控制器带有串口,可以通过“终端服务”(terminal sever)连接到网络上。一个“终端服务”允许多个控制器同时连接到网络上,并提供多种的连接接口RS-232,RS-422,RS-485。所谓“终端服务”其实质就是Modbos协议。我们利用“终端服务”配置方式实现了Honeywell PKS集散系统与Ingersollrand CMC可编程序控制器之间串行通讯。如图2所示。

4.1 硬件说明

串行接口模件(SIM)是安装在PKS系统标准卡槽上的双宽度I/O模件,它的功能是实现通过FTA(现场端子板)连接串行接口模件(SIM)的现场设备与PKS控制器之间通讯的桥梁。串行接口模件可以提供与单FTA电源适配器连接的两个FTA通讯的两个串口的双向通讯接口,它不存储和保持任何现场I/O设备的组态数据和实时数据,它只在与它相连接的现场设备与控制器之间传送数据参数。

FTA采用插接模件根据现场设备的需要选用指定的串行接口,共有两种标准的FTA产品。

MU-TSIM12 Modbus型FTA提供点对点RTU EIA-232(RS-232)或EIA-422/485(RS-422/485)多点通讯接口。

MU-TSIA12 Allen-Bradley(A-B)型FTA提供一个EIA-232(RS-232)通讯接口用于DF1通讯协议的A-BPLC-2,PLC-3,PLC-5等现场设备。

在此我们选用第一种产品

一个SIM卡可带两个FTA接线端子板(即FTA A,FTAB图2),由单独电源模块供电,每个FTA接线端子板通过屏蔽双绞通讯线与第三方设备连接。需要注意各通讯设备以总线方式接入(即相互串连起来最后接入FTA端子上),当通讯距离超过100米或干扰很强时两端均应加上120欧姆电阻,连接第三方通讯设备到FTA端子的最大接线长度不应超过300米,如超过300米应采用信号中继器或放大器,每个FTA接线端子板最多可接入的设备为15个。

4.2 软件说明

如图3所示。PKS系统组态工具中提供一种SIM I/O模件功能块来实现将一个SIM组态并分配给一个控制器。当SIM功能块一旦指派并下装到指定的控制器,SIM和控制器之间便可以建立通讯关系,但这并不意味着SIM和现场设备也建立了通讯关系,为了与现场设备建立起通讯关系必须还要组态、指派下装串行接口通道阵列功能块(SI)到CM(控制模件)。SI阵列通道功能块有三种:

Numeric(SINUMARRCH):接收/发送数值型量,包括整数、浮点数;

Flag(SIFLAGARRCH):接收/发送布尔量,即标志位;

Text(SITEXTARRCH):接收/发送字符型量。

4.3 组态说明(以SINUMARRCH功能块为例)

(1)每个SIM卡有32个软通道(Channel),其中0~1 5通道与连接在FTA“A”板上的第三方设备的进行通讯,而16~31通道与通道与连接在FTA“B”板上的第三方设备的进行通讯。当只有1个FTA板时,那么这块F T A板必须配置成FTA“A”使用(即按1图将FTA接到Power Adapter的“Channel A”上),且只能使用0~15通道。

(2)Control Builder中SI通讯功能块(软通道类型)有三种:

对于一个“SINUMARRCH”功能块(即一个软通道),可接收/发送最多16个32位浮点数或32个16位整型数。

(3)组态

具体组态见图4。

Serial Link Device Address:为设备地址,即Modbus ID;

Starting Element Index:为接收/发送数据的起始地址,此为第三方厂家提供的,是modbus通讯寄存器首地址,1个寄存器地址存储一个16位二进制数;

Number of Numeric Value:接收/发送的数据的个数。

其中Starting Element Index的设置也包含了接收/发送数据的类型,这是通过其最高位的数字来识别的(如图4中的Starting Element Index设置为20020,其最高位数字为2,表示接收/发送的数据类型为可读写的32位浮点数)。

这里需要注意的是一个SINUMARRCH块(SIFLAGARRCH或SITEXTARRCH)只能设置为一种数据类型,且接收/发送数据的地址必须是连续的。故Number of Numeric Value这一项设置的值是从起始地址开始连续存储的数据的个数;如果第三方设备发送/接收数据的Modbus存储地址是放在不连续的几个地址段上,那么就必须用多个SINUMARRCH块来接收不同地址段的数据。

图4中右侧的Auxiliary Config Data的设置,仅需要配置第3和4行即可,如图4中红圈所示(图4红圈中配置表示采用串行485通讯方式、通讯波特率为9600、校验方式为奇校验)。

5 结束语

目前,石油天然气生产装置中,普遍存在着DCS与其他多个专用控制系统同时使用的情况,这些专用控制系统包括PLC、数据采集器和各种智能仪表。若将多个系统融合成一个整体,使所有监视、控制都在DCS上进行,就涉及DCS与其他专用控制系统的通讯问题。目前,Modbus协议是应用最为广泛的一种形式,需特别注意的是:在Modbus网络上传输方式和串行参数(波特率、校验方式等)对各装置的设置必须是相同的。

摘要：本文主要通过讨论Honeywell PKS集散系统与Ingersoll-rand CMC可编程序控制器之间实现串行通讯所需的Modbus协议,硬件配置,软件组态以及连线,来说明用Modbus协议实现DCS与PLC之间串行通讯的一般方法及注意事项。

关键词：Modbus协议,PKS系统,CMC控制器

参考文献

[1]Honeywell.Experion PKS Serial Interface ModuleImplementation Guide.EP-DCX143,R210,2004,10:18-45.

[2]温照方,冯建呈.基于Modbus协议的DSP与PLC通信实现研究[J].实验室研究与探索,2008,27(9):27-28.

[3]彭兰,李松柏.Modbus通讯协议在空气压缩机监控系统中的应用[J].金属材料与冶金工程2007,35(3):41-43.

[4]周铭,刘晓军,王箭.Modbus协议在CENTUM CS系统中的应用[J].自动化与仪器仪表,2008,(2):51-53.

DCS和PLC技术 第6篇

在当前技术条 件支持下,Modbus通讯协议 以RS232/ RS485作为标准运行。在以该通讯协议为载体的接口系统中, 可根据实际应用需求选择科学的运行标准。其中,基于RS232通讯协议的接口系统仅能实现“一对一”的连接关系,理想状态下传输速率在20.0kB/s范围之内,同步运行状态下可支持设备为8台,传输距离仅为15.0m;而对于基于RS485通讯协议的接口系统而言,所对应的连接关系为“一对多”,理想状态下传输速率在100.0kB/s以上,同步运行状态下可支持设备为32台,传输距离达到1 200.0m。

1通信系统硬件组织及连接

在通讯协议的支持下,每个XP244控制卡接口可支持4个设备的互联,连接方法以参考手册为准。同时,为保障其质量安全、可靠,要求该终端配备120.0Ω 的终端电阻装置。整个DCS系统与串行设备的连接示意图如图1所示。

2DCS系统组态

为满足DCS组态要求,具体实施方法为:在工程师站电脑上通过相应权限进入系统组态进行组态修改,首先在控制站进行所选卡件的组态,设置相应卡件名称、地址、扫描周期、卡件类型、型号等,其中需要注意的是组态中卡件地址必须与拨码开关一致,扫描周期不宜过短,以免影响总线系统运行。在进行Modbus通讯组态中,主要使用SCX语言编程和图形编辑2种。在组态中,主要进行以下操作:(1)串行通讯设置:主要是对应串行设备的波特率和通讯方式选择,需要和串行设备保持一致,从站地址不能冲突,地址范围在0~255;(2)自定义变量设置:设置控制卡内部使用变量,主要根据通讯和系统要求设置内部变量字节和数量,其设置变量名不能和DCS其他控制站的变量名冲突;(3)图形编辑使用:通过图形编辑的各种指令来对通讯数据进行转换和运算,如果通讯需要使用其他控制站数据,需要使用站间通讯方式来调用变量,并可以使通讯数据在各控制站内灵活调用;(4)SCX语言调用:控制卡通信驱动程序可以通过SCX语音编写来实现,直接对控制站和串行设备进行数据交换,主要是对保持寄存器进行读写操作,需要注意的是控制卡内部通讯数据组要和从站设备的保持寄存器起始地址和变量数量保持一致。

通过以上的编程组态,在Modbus通讯协议基础上,DCS通过XP244控制卡件与外部串口设备连接,其中控制卡支持连接4台从站设备,从站设备需使用Modbus Slave协议,DCS和每个串行设备能够传输64个字节变量,即512个Bool量或32个Int量。

编程中需要注意的问题如下:(1)串行设备地址:每个控制卡最多带4台串行设备,而且串行设备之间地址不能冲突,每台串行设备协议能够进行地址识别;(2)串行设备接口:控制卡带多台串行设备时,如果其中某台串行设备使用RS232接口, 需要对其安装RS232/RS485转换模块,以实现和其他串行设备的连接;(3)主从站关系:Modbus协议中,控制卡只能做主站,各串行设备只能做从站,主站主动发送指令,各串行设备进行响应;(4)通讯协议:串行设备只能使用Modbus Slave协议, 而不是Modbus Plus协议;(5)数据格式:控制卡和串行设备进行数据通讯时,进行SCX语言编程,指令变量为Bool或者Int, 控制卡读写串行设备都需要符合数据格式,如果控制卡调用其他控制站变量不符合数据格式,需要对其进行转换;(6)时间函数设置:在SCX语言中,系统延迟等待时间和通讯指令等待时间要设置恰当,系统延迟时间如果太短则造成系统无法接收返回数据,而通讯指令等待时间太短则系统无法执行下一条指令,会造成通讯中断。

3PLC下组态及编程方法

在支持Modbus通讯协议的基础条件下,首先需选择能够支持该协议的操作模块。当前多推荐选择CP341/CP441-2模块。CP341/CP441-2模块常态下对应有1/2个串行通讯接口, 可支持Modbus通讯协议下的串行通讯需求。通过对该操作模块的应用,可以Modbus为载体,满足主从站通讯需求。具体的实现思路为:在实现Modbus的过程中,基于CP341/CP441-2模块,插入与该通讯协议相对应的硬件狗,以确保Modbus通讯协议下所对应的*.rtu格式数据信息能够为CP模块所支持与读取。

在基于Modbus通讯协议实现PLC模块组态与编程的过程中,由于所选择的操作模块为CP341/CP441-2模块,因此需要选择安装上述模块所对应的STEP 75.x以及CP 34.x软件驱动程序。所安装驱 动程序覆 盖运行内 容包括:对CP341/ CP441-2模块参数化处理窗口;基于满足串行通讯需求的FB程序模块;不同模板应用方式下对应例子程序模块;CP模块通讯口针脚定义标准。在通电条件下,完成CP341/CP441-2模块的初始化工作,初始化后SF灯处于“ON”状态。断电操作后, 插入基于Modbus通讯协议的从站硬件狗,进而安装附属从站软件包。启动程序后,可对CP341/CP441-2模块进行双击启动操作,记录后期标称所需的 模板硬件 地址参数。进而,选择 “Parameter”按钮,实现Modbus通讯协议下PC单机与PLC的可靠连接。需要特别注意以下几个问题:(1)在安装基于Modbus驱动程序的过程中,需要确保PLC处于“STOP”状态;(2) 参数设置期间,Modbus通讯协议所对应的设置参数构成内容包括数据位指标、波特率指标、停止位指标、从站地址指标、奇偶校验位指标几方面。

在PLC编程操作期间,每针对PLC模块进行一次冷启动, 就需对该Modbus功能模块进行一次初始化设置工作。该操作下的具体表现形式为:系统给CP-START 1个上升沿触发信号,而在PLC模块冷启动的状态下,OB100即所执行的第1个功能模块,其主要功能在于面向基于Modbus的通讯协议实现相关参数的初始化设置工作。通讯功能块可通过对“FB8PSND-RK”进行调用,支持功能块与CP在通信上关系的构建, 与之相对应的功能块也应组在工程中并下装到CPU中。

4结语

本文围绕Modbus通讯协议在DCS以及PLC通讯领域中的应用要点展开了详细分析与探讨,其研究价值表现在:通过DCS中的Modbus通讯模块连接现场支持Modbus工况的设备或PLC的Modbus模块,能够实现现场分散设备或异构设备之间的集中统一控制,提高控制效率,降低控制费用,并可作为进一步研究应用PLC与DCS相结合的自动控制方案的基础。

摘要：着眼于当前自动控制领域中应用最为广泛的通讯语言——Modbus通讯协议,在对该通信系统硬件组织及连接进行分析的基础之上,分别从DCS系统组态和PLC下组态及编程方法2个角度入手,就Modbus通讯协议在DCS与PLC通讯领域中的应用要点展开了详细分析与探讨。

DCS和PLC技术 第7篇

分散控制系统DCS ( Distributed Control System) , 又称分布式控制系统, 产生于20 世纪70 年代中期, 最初是由仪表制造厂商研发出来, 当时主要应用于化工行业。它是在集中控制系统的基础上发展而来, 综合了计算机、通信、显示和控制等4C技术, 是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统, 具有连续控制、批量控制、逻辑顺序控制、数据采集等功能。DCS将分散的仪表控制和集中式计算机控制系统二者的优势有机结合起来, 体系结构是一个分布式、分支树状结构, 从垂直结构来看, 分为分散过程控制级、集中操作监控级以及综合信息管理级三级, 各级之间既相互独立又相互联系, 每一级中又可水平分解成不同的子模块, 如分散过程控制级就可分为现场控制站、PLC、智能调节器和其他测控装置。其具有通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、人机界面友好、安装简单规范化、调试方便、运行安全可靠等优点。

二、可编程控制器 ( PLC) 概述

可编程控制器PLC ( Programmable Logic Controller) , 是集微机技术、自动化技术、通信技术于一体的通用工业控制装置, 20 世纪60 年代末研制成功, 研发之初主要应用于汽车制造业。随着计算机网络技术和通信技术的不断发展, PLC在工业控制的各个领域里得到了广泛的应用, 由输入部分、逻辑处理部分及输出部分构成, 其工作原理是将传感器、仪表等控制设备分散地置于工业控制的现场, 在PLC运行时, 其内部事先存储好的PLC程序执行每条指令, 通过远程I/O、同位链路, 将现场数据采集到上位机 ( 或上位网络) 处理, 形成具有一定实时性的监控系统, 具有工作可靠、编程容易、安装灵活、性能价格比高等特点。

三、分散控制系统 ( DCS) 与可编程控制器 ( PLC) 的主要区别

( 一) 概念不同。DCS和PLC之间最直观的区别就是, DCS是一个体系, 而PLC只是一个装置, DCS系统可以实现任何装置的功能, 而PLC装置只具备本单元的功能。这种区别影响到了方方面面的不同。

( 二) 设计原理不同。DCS是伴随着运算放大器的发展而发展起来的, 早期的DCS使用模拟量控制的方式, 所有的函数、各变量之间的关系以功能块或者膨胀块的方式存储于DCS中; 而PLC则是在模仿原继电器控制原理的基础上产生的, 早期的PLC通过开关量逻辑进行控制, 应用时需要事先将需要的生产工序要求以程序的形式存入PLC的用户程序存储器中, 接着输入相应的数字就可按照程序的要求进行生产。20 世纪80 年代后期, PLC增加了新的功能, 除了进行逻辑运算之外, 还可进行一些控制回路算法, 但仅限于简单的控制回路算法, 复杂的算法还无法实现。PLC在运算方面有着简单快捷的优势, 解算时间以微秒甚至毫秒来计算。有关研究表明, 运用PLC解算1K逻辑程序耗时不到1 毫秒。尽管PLC在解算方面有着巨大的优势, 但是由于其所用的是梯形图编程的方式在模拟量的运算上同DCS还有着不小的差距。DCS解算一些较为复杂的运算, 特别是模拟量的运算方面仅需几百微秒, 运算速度高于PLC。

( 三) 应用范围不同。DCS一般应用于中型或者大型的自控场所, 设备的控制量在600 点以上; 而PLC一般应用于设备的控制量在600 以下的小型自控场所。

( 四) 数据通讯不同。DCS通常使用两层网络结构, 第一层为程级网络, 在这一层中, 大部分DCS在标准串口传输协议的RS232 或RS458 的基础上建立自己的总线协议, 特别是在模拟量采集数据庞大以及现场干扰因素较多的时候, 标准串口协议无法满足控制系统数据量大、安全性高的要求, 需要建立抗干扰能力强的异步通讯方式的总线结构; 第二层是操作级网络, 在这一层中通常选用TP/CP协议这种标准的以太网使采集到的数据经CPU转换成整形数据或实形数据开始传输, 通讯速度为100Mbit/s。由于PLC通常应用于小型控制系统中, 工作任务相对简单, 交换和传输的数据有限, 通常使用一层网络结构, 建立的是基于RS232 或RS458 的标准串口传输协议。

( 五) 数据库不同。DCS有着统一的数据库, 系统内诸如组态、报表、记录等在内的信息数据都存储在数据库中, 数据库是独立于控制系统而存在的, 当系统运行时所有的数据都会被保存下来并且不断更新, 这样一旦有需要就可在数据库中直接提取使用; 而PLC中没有统一的数据库, 即使是大型的PLC系统中的数据库也是通过服务且嵌入式实施的, 所有的数据并不是统一的, 系统运行时组态软件和监控软件的数据会自动保存于自身的数据库中, 而不会保存在系统中的数据库中。

( 六) 组态维护不同。早期DCS以模块功能为主, 侧重仪表控制, 可靠性、安全性高, 系统昂贵, 通常应用于主厂房的控制; 而PLC以梯形图为主, 强调逻辑运算能力, 价格较DCS稍微便宜一些, 多用于辅助车间。DCS是一个体系, 在设计之初就考虑到了调试和维护等方面的需要, 留有大量的可扩展性接口, 当发现现有的系统无法满足需要时, 可扩展性接口就能发挥作用。系统运行时要及时对系统硬件进行检查, 测试DPU的负荷率, 不得擅自更改组态功能。DCS采用的是双冗余的控制单元, 当某些控制单元发生故障时, 相关的冗余单元会实时切换为工作单元, 确保了整个系统的安全可靠运行, 有着成熟且完善的解决方案, 维修人员既可到现场对设备进行维修, 也可以利用计算机进行在线修改; 而PLC之间多为松散的连接关系, 整个系统完成后无法增加或减少操作员站, 只有极少量的PLC模块中会配置智能芯片, 一旦发生问题, 相应的单元会瘫痪, 由于缺乏完善的解决方案, 短时间内系统无法恢复正常。早期的DCS由厂家提供专用的人机交换装置, PLC多采用通用的监控软件, 用户可直接在市场中购买。

( 七) 历史沿革不同。DCS产生于仪表制造行业, 其产生的目的是为用户提供安全可靠的工业生产控制系统, 因此发展的过程是将计算机技术、控制技术的研究成果应用到DCS中, 构建一个完整的、安全系数更高的集散控制系统, PLC源于继电控制装置, 生产的目的是取代以电路物理来进行控制的继电器, 成为依靠存储于PLC内存中程序的实现控制的具有计数、计时等功能的柔性程序控制装置, 因此其发展的方向是不断提高各项能力指标, 给用户提供一个完善的功能灵活的控制装置。

四、DCS、PLC的实际应用对比

尽管PLC技术日益成熟, 运算能力、寻址能力有了大幅度的提高, 分布式IO站点也在提高, 但是与DCS相比仍有着一定的差距。以二者在火力发电行业中的应为为例, 火力发电的热控主机对于系统的专业性和安全性有着较高的要求, DCS由于IO模块大多采用光隔离16 位卡, 在电源、网络、CPU等重要环节中采用的是1: 1 冗余设计, 其监控软件由厂家根据DCS硬件“量身定制”, IO模块为可插拔式, 具有维修简单的特性, 因此热控主机部分大多由DCS控制, 而PLC因其模块型号繁多, 多为非冗余设计, 维修难度大, 安全性、可靠性相对差一些, 因此辅网部分多采用PLC控制, 极少有主机部分用PLC控制。

五、结语

DCS和PLC作为计算机技术和控制技术结合的产物, 对推动自动化水平的提高有着积极的意义。二者在应用上有着较大的相通性, 从总体趋势来看, 行业决定了各自的发展方向。未来DCS的开放性将逐渐加强, 实现DCS与CLIPS系统的调度层、管理层、决策层 ( 辅助决策层) 无缝连接, 真正实现管控一体化; PLC将朝两方面发展, 一方面向简单、超小型方向发展, 以适应单机控制的“机电一体化”, 另一方面则向大型化、复杂化、多功能、分散型、多层分布式、全自动网络方向发展。

摘要：本文阐述了分散控制系统 (DCS) 与可编程控制器 (PLC) 的特点及发展, 从概念、设计原理、应用范围、数据库、组态维护以及实际应用等方面分析了两者的不同。

关键词：分散控制系统,可编程控制器,设计原理

参考文献

[1]张敏, 凌东雄, 陈项.PLC集散控制系统上位网络通信基于NT的研究[J].昆明理工大学学报, 2002, 27 (3)

[2]张彬.可编程序控制器与计算机的串行通信[J].机电一体化, 2002, 5

[3]吴宏岐, 乔永明.PLC控制系统提高可靠性的接地措施[J].山西电子技术, 2001, 2