用PC和PLC實(shí)現(xiàn)集散控制

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(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)?；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(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)控制過程與操作管理人員對(duì)自動(dòng)控制過程的管理過程相對(duì)分離；流程工業(yè)的自動(dòng)控制過程由各控制站相對(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(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(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)過程或?qū)μ厥馇闆r的緊急處理。對(duì)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(duì)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(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“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(duì)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(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(duì)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(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(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)。