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謝朝輝

1  前言
自80年代中期以來(lái)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(guó)際上DCS產(chǎn)品的專(zhuān)有化生產(chǎn)和高昂的價(jià)格，阻礙了DCS的普及和技術(shù)改造。近20年來(lái)計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，不斷成倍擴(kuò)大的功能和成倍降低的價(jià)格，使可編程控制器（PLC）、通訊聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、過(guò)程控制軟件都獲得了長(zhǎng)足進(jìn)步，為工業(yè)自動(dòng)化控制注入前所未有的生機(jī)和活力，也使利用PLC及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)開(kāi)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(jí)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(diǎn)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(qiáng)，安全性能不斷提高；③編程語(yǔ)言多樣化，大型PLC正越來(lái)越多地使用SFC、C、BASIC等高級(jí)語(yǔ)言編程或采用多種語(yǔ)言聯(lián)合編程；④基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放設(shè)計(jì)，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(kāi)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(jì)
DCS下位機(jī)控制系統(tǒng)采用以PLC為基礎(chǔ)系列產(chǎn)品，上位機(jī)控制系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)＋PC的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；上、下位機(jī)的軟件根據(jù)需要集成最優(yōu)的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。現(xiàn)主要以O(shè)MRON CVM1D系列PLC和Intellution公司的iFIX2.1過(guò)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(jì)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(wèn)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(guò)程特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)置不當(dāng)將導(dǎo)致DCS的通訊網(wǎng)絡(luò)堵塞和人機(jī)界面死機(jī)問(wèn)題，嚴(yán)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(chǔ)、信息管理和實(shí)時(shí)監(jiān)控等，要求DCS通訊網(wǎng)絡(luò)具有極高的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(guò)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(tái)運(yùn)行工作站(OIS)、工程師站(EWS)、性能站(PCS)和提供INTERNET遠(yuǎn)程訪問(wèn)的iWebServer，其標(biāo)準(zhǔn)可采用目前通用的商用冗余以太網(wǎng)，其速率可達(dá)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(fù)責(zé)在PLC過(guò)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(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)，采用TCP/IP、UDP/IP和FIP信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其速率可達(dá)到10Mbps。
過(guò)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(zhǎng)距離可達(dá)1km，光纜型最長(zhǎng)距離可達(dá)20km，其速率可達(dá)到2Mbps。
另外可通過(guò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議連接多處理系統(tǒng)構(gòu)成大型設(shè)備網(wǎng)， 進(jìn)行不同廠商PLC系統(tǒng)的互聯(lián)。如CVM1D可支持符合Device Net標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)
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(qiáng)了計(jì)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(biāo)來(lái)看，已具備了主流DCS的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。現(xiàn)以O(shè)MRON CVM1D為例，介紹新型的PLC系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)、設(shè)計(jì)方案及特點(diǎn)。
2.2.1  CPU冗余無(wú)擾切換
OMRON CVM1D是雙機(jī)熱備冗余的雙機(jī)系統(tǒng)，兩個(gè)CPU單元同時(shí)履行計(jì)算功能。一個(gè)CPU單元履行控制功能的同時(shí)，另外一個(gè)正在執(zhí)行計(jì)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(cuò)誤并停下或人為停機(jī)切換，控制功能立即無(wú)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(gè)CPU單元同步處理程序、數(shù)據(jù)記憶、定時(shí)、計(jì)時(shí)和其它數(shù)據(jù)。雙機(jī)系統(tǒng)具有CPU冗余無(wú)擾切換功能在工程中得到實(shí)際驗(yàn)證，無(wú)需通訊電纜，由雙機(jī)單元協(xié)調(diào)進(jìn)行快速無(wú)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(jì)出完整可靠的DCS電源系統(tǒng)。其中A、B相設(shè)計(jì)斷電自動(dòng)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(wú)需設(shè)計(jì)大型直流不斷電電源系統(tǒng)，也可在廠用電故障時(shí)保證系統(tǒng)的保護(hù)和監(jiān)視的正常運(yùn)行30分鐘。
2.2.3  高速和大容量
OMRON CVM1D系統(tǒng)對(duì)基本指令的處理達(dá)0.125µs，對(duì)特殊指令達(dá)0.5µs，可以滿(mǎn)足高速過(guò)程控制的特殊需求。OMRON CS1對(duì)基本指令的處理速度更高，可達(dá)0.04µs。
系統(tǒng)一個(gè)控制站最多能再掛上6個(gè)I/O機(jī)架，使系統(tǒng)擁有多達(dá)2048點(diǎn)的I/O控制能力。同時(shí)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(qiáng)大功能，而不必?fù)?dān)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(yùn)行時(shí)，可使用手持式編程器進(jìn)行I/O單元更換和維護(hù)工作。在I/O單元發(fā)生故障時(shí)，可在維持系統(tǒng)運(yùn)行的同時(shí)，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(fēng)險(xiǎn)。
2.3  系統(tǒng)軟件組成
強(qiáng)大的系統(tǒng)軟件是開(kāi)發(fā)DCS關(guān)鍵所在，但它無(wú)法通過(guò)一次性購(gòu)買(mǎi)得到，因此需要進(jìn)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(jī)界面軟件和過(guò)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(dòng)程序Finsgateway，通過(guò)該驅(qū)動(dòng)程序，上位機(jī)可以通過(guò)各層網(wǎng)絡(luò)（包括網(wǎng)絡(luò)互連）來(lái)訪問(wèn)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(gè)用于創(chuàng)建通信協(xié)議序列的軟件，通過(guò)該協(xié)議序列，可以以RS-232C或RS-485/422方式對(duì)外圍設(shè)備發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。
(2)  人機(jī)界面軟件在工控領(lǐng)域產(chǎn)品主要有美國(guó)Intellution公司的iFIX、美國(guó)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(guò)程可視化、實(shí)時(shí)和歷史趨勢(shì)、監(jiān)視性控制、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)管理、報(bào)警和報(bào)警管理、基于用戶(hù)的分級(jí)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(mǎn)足了電力生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化建立先進(jìn)人機(jī)界面系統(tǒng)的基本要求。可以完成電力生產(chǎn)流程圖、過(guò)程參數(shù)實(shí)時(shí)和歷史趨勢(shì)、報(bào)警顯示、操作指導(dǎo)、事故首出、事件追記、報(bào)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(guò)Internet遠(yuǎn)程訪問(wèn)iFIX過(guò)程畫(huà)面，瀏覽發(fā)電廠的實(shí)時(shí)過(guò)程，而無(wú)需安裝特殊驅(qū)動(dòng)程序或客戶(hù)應(yīng)用程序，這符合國(guó)際主流DCS的Internet技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。
(3)  過(guò)程控制軟件是DCS開(kāi)發(fā)的核心部分，過(guò)程控制軟件圖形組態(tài)格式的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)――IECll31第三部分，規(guī)定一些標(biāo)準(zhǔn)組態(tài)技術(shù)用于先進(jìn)的控制、連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程、批量生產(chǎn)過(guò)程及離散功能，這個(gè)規(guī)定已被許多廠家應(yīng)用和發(fā)展，但是沒(méi)有一種編程語(yǔ)言能夠滿(mǎn)足所有過(guò)程控制的應(yīng)用項(xiàng)目和所有工業(yè)的需要，因此多種編程語(yǔ)言的混合使用是必要的。一些DCS，如北京和利時(shí)公司使用的控制語(yǔ)言符合IECll31-3標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)支持FBD、SFC、IL、LD、ST五種語(yǔ)言，可方便實(shí)現(xiàn)批量控制、專(zhuān)家系統(tǒng)等。被SIEMENS兼并的原美國(guó)MOORE公司DCS 的組態(tài)程序4-mation也符合IECll31-3標(biāo)準(zhǔn)，支持四種編程語(yǔ)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(yǔ)言也已向多樣化方向發(fā)展，如德國(guó)SIEMENS SIMATIC PLC系統(tǒng)的編程語(yǔ)言支持梯形圖、功能塊、結(jié)構(gòu)文本；美國(guó)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(kāi)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(kāi)發(fā)DCS的選擇將越來(lái)越多。
3  基于PLC的DCS系統(tǒng)獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)
(1)  系統(tǒng)配置靈活 多系列、多品種可為不同用戶(hù)量身定做，價(jià)格低廉，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期短。
(2)  結(jié)構(gòu)開(kāi)放，擴(kuò)展方便 專(zhuān)有DCS是昂貴的，其維護(hù)、升級(jí)和擴(kuò)展的成本高昂，而開(kāi)放的應(yīng)用系統(tǒng)，易于維護(hù)并可由其他公司提供系統(tǒng)的替換。
(3)  實(shí)現(xiàn)機(jī)爐電一體化設(shè)計(jì)和維護(hù) 基于PLC的DCS使用統(tǒng)一的軟件平臺(tái)，同一系列的硬件產(chǎn)品，在人員培訓(xùn)、設(shè)備維護(hù)、備品備件方面將得到極大的效益。
(4)  便于第三方高級(jí)應(yīng)用軟件的接入 隨著火電廠先進(jìn)管理軟件的不斷應(yīng)用，如性能分析計(jì)算、狀態(tài)檢修技術(shù)，運(yùn)行管理專(zhuān)家系統(tǒng)、競(jìng)價(jià)上網(wǎng)等，集成軟件系統(tǒng)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)越性將得到充分體現(xiàn)。
(5)  基于PLC開(kāi)發(fā)DCS始終是最先進(jìn)的 因?yàn)橄到y(tǒng)軟硬件來(lái)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(jìn)技術(shù)的前沿，并擁有自主選擇產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)。
4  結(jié)語(yǔ)
在IT技術(shù)高度發(fā)展的今天，過(guò)去不可想象、難以逾越的技術(shù)難點(diǎn)已變得簡(jiǎn)便易行，如多上位機(jī)系統(tǒng)安全穩(wěn)定、通訊瓶頸、在線組態(tài)等，實(shí)踐證明基于PLC的DCS改造路線不但可行，而且通過(guò)靈活嫁接PLC技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、過(guò)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(kāi)發(fā)和應(yīng)用將打破目前國(guó)際上幾強(qiáng)爭(zhēng)霸的市場(chǎng)格局，為國(guó)家節(jié)省大量外匯，同時(shí)為廠家創(chuàng)造更加可觀的經(jīng)濟(jì)效益和管理效益。