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謝朝輝

1  前言
自80年代中期以來DCS產品在電力、石化、化工等行業發揮了重大作用，但是國際上DCS產品的專有化生產和高昂的價格，阻礙了DCS的普及和技術改造。近20年來計算機和信息技術的飛速發展，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）、通訊聯網技術、過程控制軟件都獲得了長足進步，為工業自動化控制注入前所未有的生機和活力，也使利用PLC及網絡技術來開發集成DCS成為可能。雖然在大多數人慣性思維中，PLC是低檔次、低性能的可編程控制器，只是應用在小型的、安全等級不高的控制系統上。但現在PLC的發展已發生根本的變化，其主要特點為：①向高功能、高速度和大容量發展，形成可與DCS媲美的大型系統；②網絡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合編程；④基于國際標準的開放設計，允許與第三方軟硬件的技術融合。因此利用PLC為基礎開發應用于火電廠DCS的基礎條件已經成熟。
2  總體設計
DCS下位機控制系統采用以PLC為基礎系列產品，上位機控制系統采用工業以太網＋PC的設計標準；上、下位機的軟件根據需要集成最優的軟件開發平臺，并在此基礎上進行二次開發。現主要以OMRON CVM1D系列PLC和Intellution公司的iFIX2.1過程軟件為例，論述基于PLC和網絡技術的DCS總體設計方案。
2.1  控制網絡的構成
基于PLC的DCS系統的建設，最關鍵的問題是控制系統的網絡建設，由于火電廠高瞬態、大容量、快速響應等過程特點，網絡設置不當將導致DCS的通訊網絡堵塞和人機界面死機問題，嚴重威脅電廠安全。控制網絡主要功能包括數據采集、數據存儲、信息管理和實時監控等，要求DCS通訊網絡具有極高的技術標準和安全可靠性。目前流行的分布式網絡是基于PLC的DCS通訊網絡解決方案，其基本構成可分為三層：監控管理層、信息服務層和過程控制層，如圖1所示。

 
圖1  基于PLC的DCS分布式網絡結構

監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，其速率可達到100Mbps。
信息服務層包括雙冗余的監視控制和數據采集盲服務器SCADA（不使用圖形顯示以釋放更多的可用資源），主要負責在PLC過程控制層與監控管理層之間的數據采集、數據存儲和網絡管理，利用OMRON系列通訊模件的工業以太網通訊接口作為標準，采用TCP/IP、UDP/IP和FIP信息網絡協議，其速率可達到10Mbps。
過程控制層包括PLC系統各控制站，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絡，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議連接多處理系統構成大型設備網， 進行不同廠商PLC系統的互聯。如CVM1D可支持符合Device Net標準CompoBus/D元件總線建立多供應商的設備網絡。
2.2  PLC系統關鍵技術指標
PLC系統是構建DCS的基礎部分，新型的PLC系統在穩定可靠及低故障率基礎上，增強了計算速度、通訊性能和安全冗余技術，純粹從模件技術指標來看，已具備了主流DCS的關鍵技術指標。現以OMRON CVM1D為例，介紹新型的PLC系統的技術指標、設計方案及特點。
2.2.1  CPU冗余無擾切換
OMRON CVM1D是雙機熱備冗余的雙機系統，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，另外一個正在執行計算功能的CPU單元被置于備用狀態。如果執行控制功能的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、數據記憶、定時、計時和其它數據。雙機系統具有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，由雙機單元協調進行快速無擾切換。
2.2.2  系統電源的高可靠性
OMRON CVM1D雙電源模件具有冗余功能，結合在線UPS和火電廠廠用電的A、B相電源系統可設計出完整可靠的DCS電源系統。其中A、B相設計斷電自動切換功能，在切換縫隙UPS在線接入，保證電源的穩定，電廠無需設計大型直流不斷電電源系統，也可在廠用電故障時保證系統的保護和監視的正常運行30分鐘。
2.2.3  高速和大容量
OMRON CVM1D系統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。
系統一個控制站最多能再掛上6個I/O機架，使系統擁有多達2048點的I/O控制能力。同時控制器24K字的數據內存容量和62K字的程序容量，可以展現PT(可編程終端)的所有強大功能，而不必擔心內存溢出。
2.2.4  在線更換I/O模件
系統支持在線更換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單元發生故障時，可在維持系統運行的同時，在線更換故障的I/O單元，被更換模塊的輸入或輸出數據被鎖存保持并停止刷新，模件更換完畢，系統重新刷新數據，大大降低了生產的停滯風險。
2.3  系統軟件組成
強大的系統軟件是開發DCS關鍵所在，但它無法通過一次性購買得到，因此需要進行軟件系統集成。需要的軟件主要有網絡通信軟件、人機界面軟件和過程控制軟件。
(1)  OMRON網絡通信軟件主要有FINS協議的驅動程序Finsgateway，通過該驅動程序，上位機可以通過各層網絡（包括網絡互連）來訪問網上的PLC；內部網絡配置軟件CX-SERVER協調其它軟件與OMRON PLC的通信；協議宏支持軟件CX-Protocol，它是一個用于創建通信協議序列的軟件，通過該協議序列，可以以RS-232C或RS-485/422方式對外圍設備發送或接收數據。
(2)  人機界面軟件在工控領域產品主要有美國Intellution公司的iFIX、美國GE公司的CIMPLICITY、北京亞控科技發展公司的組態王。以iFIX2.1為例，其主要功能包括：過程可視化、實時和歷史趨勢、監視性控制、數據采集和數據管理、報警和報警管理、基于用戶的分級安全管理、網絡功能、在線組態、即插即解決(Plug and Solve)的結構[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用軟件]，其性能已滿足了電力生產過程自動化建立先進人機界面系統的基本要求。可以完成電力生產流程圖、過程參數實時和歷史趨勢、報警顯示、操作指導、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，瀏覽發電廠的實時過程，而無需安裝特殊驅動程序或客戶應用程序，這符合國際主流DCS的Internet技術發展趨勢。
(3)  過程控制軟件是DCS開發的核心部分，過程控制軟件圖形組態格式的國際標準――IECll31第三部分，規定一些標準組態技術用于先進的控制、連續生產過程、批量生產過程及離散功能，這個規定已被許多廠家應用和發展，但是沒有一種編程語言能夠滿足所有過程控制的應用項目和所有工業的需要，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，可方便實現批量控制、專家系統等。被SIEMENS兼并的原美國MOORE公司DCS 的組態程序4-mation也符合IECll31-3標準，支持四種編程語言：功能塊、梯形邏輯、順序功能圖以及結構文本。而大型PLC編程語言也已向多樣化方向發展，如德國SIEMENS SIMATIC PLC系統的編程語言支持梯形圖、功能塊、結構文本；美國Allen-Bradley PLC系統支持梯形圖、順序功能、結構文本；OMRON的CX-Programmer支持梯形圖、順序功能，并以高效的多程序開發環境提供豐富的顯示和監控功能以及調試功能。因此隨著編程軟件技術的不斷發展，利用第三方編程軟件開發DCS的選擇將越來越多。
3  基于PLC的DCS系統獨特優點
(1)  系統配置靈活 多系列、多品種可為不同用戶量身定做，價格低廉，設計和生產周期短。
(2)  結構開放，擴展方便 專有DCS是昂貴的，其維護、升級和擴展的成本高昂，而開放的應用系統，易于維護并可由其他公司提供系統的替換。
(3)  實現機爐電一體化設計和維護 基于PLC的DCS使用統一的軟件平臺，同一系列的硬件產品，在人員培訓、設備維護、備品備件方面將得到極大的效益。
(4)  便于第三方高級應用軟件的接入 隨著火電廠先進管理軟件的不斷應用，如性能分析計算、狀態檢修技術，運行管理專家系統、競價上網等，集成軟件系統開放標準的優越性將得到充分體現。
(5)  基于PLC開發DCS始終是最先進的 因為系統軟硬件來自集成，且集成的是世界最新的技術，因此可以作到始終站在先進技術的前沿，并擁有自主選擇產品的優勢。
4  結語
在IT技術高度發展的今天，過去不可想象、難以逾越的技術難點已變得簡便易行，如多上位機系統安全穩定、通訊瓶頸、在線組態等，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、網絡技術、過程控制軟件技術可以打造世界一流的DCS。基于PLC和網絡技術的DCS開發和應用將打破目前國際上幾強爭霸的市場格局，為國家節省大量外匯，同時為廠家創造更加可觀的經濟效益和管理效益。