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謝朝輝

1  前言
自80年代中期以來DCS產(chǎn)品在電力、石化、化工等行業(yè)發(fā)揮了重大作用，但是國際上DCS產(chǎn)品的專有化生產(chǎn)和高昂的價格，阻礙了DCS的普及和技術(shù)改造。近20年來計算機和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，不斷成倍擴大的功能和成倍降低的價格，使可編程控制器（PLC）、通訊聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、過程控制軟件都獲得了長足進步，為工業(yè)自動化控制注入前所未有的生機和活力，也使利用PLC及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來開發(fā)集成DCS成為可能。雖然在大多數(shù)人慣性思維中，PLC是低檔次、低性能的可編程控制器，只是應(yīng)用在小型的、安全等級不高的控制系統(tǒng)上。但現(xiàn)在PLC的發(fā)展已發(fā)生根本的變化，其主要特點為：①向高功能、高速度和大容量發(fā)展，形成可與DCS媲美的大型系統(tǒng)；②網(wǎng)絡(luò)化和通信能力不斷增強，安全性能不斷提高；③編程語言多樣化，大型PLC正越來越多地使用SFC、C、BASIC等高級語言編程或采用多種語言聯(lián)合編程；④基于國際標準的開放設(shè)計，允許與第三方軟硬件的技術(shù)融合。因此利用PLC為基礎(chǔ)開發(fā)應(yīng)用于火電廠DCS的基礎(chǔ)條件已經(jīng)成熟。
2  總體設(shè)計
DCS下位機控制系統(tǒng)采用以PLC為基礎(chǔ)系列產(chǎn)品，上位機控制系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)＋PC的設(shè)計標準；上、下位機的軟件根據(jù)需要集成最優(yōu)的軟件開發(fā)平臺，并在此基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)。現(xiàn)主要以O(shè)MRON CVM1D系列PLC和Intellution公司的iFIX2.1過程軟件為例，論述基于PLC和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的DCS總體設(shè)計方案。
2.1  控制網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成
基于PLC的DCS系統(tǒng)的建設(shè)，最關(guān)鍵的問題是控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，由于火電廠高瞬態(tài)、大容量、快速響應(yīng)等過程特點，網(wǎng)絡(luò)設(shè)置不當將導(dǎo)致DCS的通訊網(wǎng)絡(luò)堵塞和人機界面死機問題，嚴重威脅電廠安全。控制網(wǎng)絡(luò)主要功能包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、信息管理和實時監(jiān)控等，要求DCS通訊網(wǎng)絡(luò)具有極高的技術(shù)標準和安全可靠性。目前流行的分布式網(wǎng)絡(luò)是基于PLC的DCS通訊網(wǎng)絡(luò)解決方案，其基本構(gòu)成可分為三層：監(jiān)控管理層、信息服務(wù)層和過程控制層，如圖1所示。

 
圖1  基于PLC的DCS分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

監(jiān)控管理層包括多臺運行工作站(OIS)、工程師站(EWS)、性能站(PCS)和提供INTERNET遠程訪問的iWebServer，其標準可采用目前通用的商用冗余以太網(wǎng)，其速率可達到100Mbps。
信息服務(wù)層包括雙冗余的監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集盲服務(wù)器SCADA（不使用圖形顯示以釋放更多的可用資源），主要負責在PLC過程控制層與監(jiān)控管理層之間的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲和網(wǎng)絡(luò)管理，利用OMRON系列通訊模件的工業(yè)以太網(wǎng)通訊接口作為標準，采用TCP/IP、UDP/IP和FIP信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其速率可達到10Mbps。
過程控制層包括PLC系統(tǒng)各控制站，利用OMRON系列通訊模件Controller Link和SYSMAC LINK建立OMRON CVM1D系列、C系列和CV系列的可編程控制器網(wǎng)絡(luò)，屏蔽雙絞線電纜最長距離可達1km，光纜型最長距離可達20km，其速率可達到2Mbps。
另外可通過國際標準通信協(xié)議連接多處理系統(tǒng)構(gòu)成大型設(shè)備網(wǎng)， 進行不同廠商PLC系統(tǒng)的互聯(lián)。如CVM1D可支持符合Device Net標準CompoBus/D元件總線建立多供應(yīng)商的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。
2.2  PLC系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)指標
PLC系統(tǒng)是構(gòu)建DCS的基礎(chǔ)部分，新型的PLC系統(tǒng)在穩(wěn)定可靠及低故障率基礎(chǔ)上，增強了計算速度、通訊性能和安全冗余技術(shù)，純粹從模件技術(shù)指標來看，已具備了主流DCS的關(guān)鍵技術(shù)指標。現(xiàn)以O(shè)MRON CVM1D為例，介紹新型的PLC系統(tǒng)的技術(shù)指標、設(shè)計方案及特點。
2.2.1  CPU冗余無擾切換
OMRON CVM1D是雙機熱備冗余的雙機系統(tǒng)，兩個CPU單元同時履行計算功能。一個CPU單元履行控制功能的同時，另外一個正在執(zhí)行計算功能的CPU單元被置于備用狀態(tài)。如果執(zhí)行控制功能的CPU單元自檢錯誤并停下或人為停機切換，控制功能立即無縫切換到處于備用狀態(tài)的CPU單元。為了確保彼此之間順利切換，這兩個CPU單元同步處理程序、數(shù)據(jù)記憶、定時、計時和其它數(shù)據(jù)。雙機系統(tǒng)具有CPU冗余無擾切換功能在工程中得到實際驗證，無需通訊電纜，由雙機單元協(xié)調(diào)進行快速無擾切換。
2.2.2  系統(tǒng)電源的高可靠性
OMRON CVM1D雙電源模件具有冗余功能，結(jié)合在線UPS和火電廠廠用電的A、B相電源系統(tǒng)可設(shè)計出完整可靠的DCS電源系統(tǒng)。其中A、B相設(shè)計斷電自動切換功能，在切換縫隙UPS在線接入，保證電源的穩(wěn)定，電廠無需設(shè)計大型直流不斷電電源系統(tǒng)，也可在廠用電故障時保證系統(tǒng)的保護和監(jiān)視的正常運行30分鐘。
2.2.3  高速和大容量
OMRON CVM1D系統(tǒng)對基本指令的處理達0.125µs，對特殊指令達0.5µs，可以滿足高速過程控制的特殊需求。OMRON CS1對基本指令的處理速度更高，可達0.04µs。
系統(tǒng)一個控制站最多能再掛上6個I/O機架，使系統(tǒng)擁有多達2048點的I/O控制能力。同時控制器24K字的數(shù)據(jù)內(nèi)存容量和62K字的程序容量，可以展現(xiàn)PT(可編程終端)的所有強大功能，而不必擔心內(nèi)存溢出。
2.2.4  在線更換I/O模件
系統(tǒng)支持在線更換I/O模件。在線運行時，可使用手持式編程器進行I/O單元更換和維護工作。在I/O單元發(fā)生故障時，可在維持系統(tǒng)運行的同時，在線更換故障的I/O單元，被更換模塊的輸入或輸出數(shù)據(jù)被鎖存保持并停止刷新，模件更換完畢，系統(tǒng)重新刷新數(shù)據(jù)，大大降低了生產(chǎn)的停滯風險。
2.3  系統(tǒng)軟件組成
強大的系統(tǒng)軟件是開發(fā)DCS關(guān)鍵所在，但它無法通過一次性購買得到，因此需要進行軟件系統(tǒng)集成。需要的軟件主要有網(wǎng)絡(luò)通信軟件、人機界面軟件和過程控制軟件。
(1)  OMRON網(wǎng)絡(luò)通信軟件主要有FINS協(xié)議的驅(qū)動程序Finsgateway，通過該驅(qū)動程序，上位機可以通過各層網(wǎng)絡(luò)（包括網(wǎng)絡(luò)互連）來訪問網(wǎng)上的PLC；內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)配置軟件CX-SERVER協(xié)調(diào)其它軟件與OMRON PLC的通信；協(xié)議宏支持軟件CX-Protocol，它是一個用于創(chuàng)建通信協(xié)議序列的軟件，通過該協(xié)議序列，可以以RS-232C或RS-485/422方式對外圍設(shè)備發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。
(2)  人機界面軟件在工控領(lǐng)域產(chǎn)品主要有美國Intellution公司的iFIX、美國GE公司的CIMPLICITY、北京亞控科技發(fā)展公司的組態(tài)王。以iFIX2.1為例，其主要功能包括：過程可視化、實時和歷史趨勢、監(jiān)視性控制、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)管理、報警和報警管理、基于用戶的分級安全管理、網(wǎng)絡(luò)功能、在線組態(tài)、即插即解決(Plug and Solve)的結(jié)構(gòu)[支持VBA(Visual Basic for Applications)、OPC(OLE for Process Control)、COM(Component Object Model)和ActiveX控件等第三方附加應(yīng)用軟件]，其性能已滿足了電力生產(chǎn)過程自動化建立先進人機界面系統(tǒng)的基本要求。可以完成電力生產(chǎn)流程圖、過程參數(shù)實時和歷史趨勢、報警顯示、操作指導(dǎo)、事故首出、事件追記、報表定義、打印操作及控制邏輯在線顯示等功能。另外Intellution公司的iWebServer軟件，允許使用瀏覽器通過Internet遠程訪問iFIX過程畫面，瀏覽發(fā)電廠的實時過程，而無需安裝特殊驅(qū)動程序或客戶應(yīng)用程序，這符合國際主流DCS的Internet技術(shù)發(fā)展趨勢。
(3)  過程控制軟件是DCS開發(fā)的核心部分，過程控制軟件圖形組態(tài)格式的國際標準――IECll31第三部分，規(guī)定一些標準組態(tài)技術(shù)用于先進的控制、連續(xù)生產(chǎn)過程、批量生產(chǎn)過程及離散功能，這個規(guī)定已被許多廠家應(yīng)用和發(fā)展，但是沒有一種編程語言能夠滿足所有過程控制的應(yīng)用項目和所有工業(yè)的需要，因此多種編程語言的混合使用是必要的。一些DCS，如北京和利時公司使用的控制語言符合IECll31-3標準，同時支持FBD、SFC、IL、LD、ST五種語言，可方便實現(xiàn)批量控制、專家系統(tǒng)等。被SIEMENS兼并的原美國MOORE公司DCS 的組態(tài)程序4-mation也符合IECll31-3標準，支持四種編程語言：功能塊、梯形邏輯、順序功能圖以及結(jié)構(gòu)文本。而大型PLC編程語言也已向多樣化方向發(fā)展，如德國SIEMENS SIMATIC PLC系統(tǒng)的編程語言支持梯形圖、功能塊、結(jié)構(gòu)文本；美國Allen-Bradley PLC系統(tǒng)支持梯形圖、順序功能、結(jié)構(gòu)文本；OMRON的CX-Programmer支持梯形圖、順序功能，并以高效的多程序開發(fā)環(huán)境提供豐富的顯示和監(jiān)控功能以及調(diào)試功能。因此隨著編程軟件技術(shù)的不斷發(fā)展，利用第三方編程軟件開發(fā)DCS的選擇將越來越多。
3  基于PLC的DCS系統(tǒng)獨特優(yōu)點
(1)  系統(tǒng)配置靈活 多系列、多品種可為不同用戶量身定做，價格低廉，設(shè)計和生產(chǎn)周期短。
(2)  結(jié)構(gòu)開放，擴展方便 專有DCS是昂貴的，其維護、升級和擴展的成本高昂，而開放的應(yīng)用系統(tǒng)，易于維護并可由其他公司提供系統(tǒng)的替換。
(3)  實現(xiàn)機爐電一體化設(shè)計和維護 基于PLC的DCS使用統(tǒng)一的軟件平臺，同一系列的硬件產(chǎn)品，在人員培訓(xùn)、設(shè)備維護、備品備件方面將得到極大的效益。
(4)  便于第三方高級應(yīng)用軟件的接入 隨著火電廠先進管理軟件的不斷應(yīng)用，如性能分析計算、狀態(tài)檢修技術(shù)，運行管理專家系統(tǒng)、競價上網(wǎng)等，集成軟件系統(tǒng)開放標準的優(yōu)越性將得到充分體現(xiàn)。
(5)  基于PLC開發(fā)DCS始終是最先進的 因為系統(tǒng)軟硬件來自集成，且集成的是世界最新的技術(shù)，因此可以作到始終站在先進技術(shù)的前沿，并擁有自主選擇產(chǎn)品的優(yōu)勢。
4  結(jié)語
在IT技術(shù)高度發(fā)展的今天，過去不可想象、難以逾越的技術(shù)難點已變得簡便易行，如多上位機系統(tǒng)安全穩(wěn)定、通訊瓶頸、在線組態(tài)等，實踐證明基于PLC的DCS改造路線不但可行，而且通過靈活嫁接PLC技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、過程控制軟件技術(shù)可以打造世界一流的DCS。基于PLC和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的DCS開發(fā)和應(yīng)用將打破目前國際上幾強爭霸的市場格局，為國家節(jié)省大量外匯，同時為廠家創(chuàng)造更加可觀的經(jīng)濟效益和管理效益。