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(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(cháng)足進(jìn)步，為工業(yè)自動(dòng)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(lái)開(kāi)發(fā)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(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；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(yǔ)言多樣化，大型PLC正越來(lái)越多地使用SFC、C、BASIC等高級語(yǔ)言編程或采用多種語(yǔ)言聯(lián)合編程；④基于國際標準的開(kāi)放設計，允許與第三方軟硬件的技術(shù)融合。因此利用PLC為基礎開(kāi)發(fā)應用于火電廠(chǎng)DCS的基礎條件已經(jīng)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(chǎn)品，上位機控制系統采用工業(yè)以太網(wǎng)＋PC的設計標準；上、下位機的軟件根據需要集成最優(yōu)的軟件開(kāi)發(fā)平臺，并在此基礎上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)?，F主要以OMRON 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總體設計方案。
2.1  控制網(wǎng)絡(luò )的構成
基于PLC的DCS系統的建設，最關(guān)鍵的問(wèn)題是控制系統的網(wǎng)絡(luò )建設，由于火電廠(chǎng)高瞬態(tài)、大容量、快速響應等過(guò)程特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò )設置不當將導致DCS的通訊網(wǎng)絡(luò )堵塞和人機界面死機問(wèn)題，嚴重威脅電廠(chǎng)安全?？刂凭W(wǎng)絡(luò )主要功能包括數據采集、數據存儲、信息管理和實(shí)時(shí)監控等，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，其基本構成可分為三層：監控管理層、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(fǎng)問(wèn)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)層包括雙冗余的監視控制和數據采集盲服務(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(guò)程控制層與監控管理層之間的數據采集、數據存儲和網(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(guò)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(wǎng)絡(luò )，屏蔽雙絞線(xiàn)電纜最長(cháng)距離可達1km，光纜型最長(cháng)距離可達20km，其速率可達到2Mbps。
另外可通過(guò)國際標準通信協(xié)議連接多處理系統構成大型設備網(wǎng)， 進(jìn)行不同廠(chǎng)商PLC系統的互聯(lián)。如CVM1D可支持符合Device Net標準CompoBus/D元件總線(xiàn)建立多供應商的設備網(wǎng)絡(luò )。
2.2  PLC系統關(guān)鍵技術(shù)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(shù)，純粹從模件技術(shù)指標來(lái)看，已具備了主流DCS的關(guān)鍵技術(shù)指標?，F以OMRON CVM1D為例，介紹新型的PLC系統的技術(shù)指標、設計方案及特點(diǎn)。
2.2.1  CPU冗余無(wú)擾切換
OMRON CVM1D是雙機熱備冗余的雙機系統，兩個(gè)CPU單元同時(shí)履行計算功能。一個(gè)CPU單元履行控制功能的同時(shí)，另外一個(gè)正在執行計算功能的CPU單元被置于備用狀態(tài)。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(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、數據記憶、定時(shí)、計時(shí)和其它數據。雙機系統具有CPU冗余無(wú)擾切換功能在工程中得到實(shí)際驗證，無(wú)需通訊電纜，由雙機單元協(xié)調進(jìn)行快速無(wú)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(xiàn)UPS和火電廠(chǎng)廠(chǎng)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(dòng)切換功能，在切換縫隙UPS在線(xiàn)接入，保證電源的穩定，電廠(chǎng)無(wú)需設計大型直流不斷電電源系統，也可在廠(chǎng)用電故障時(shí)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(mǎn)足高速過(guò)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(gè)控制站最多能再掛上6個(gè)I/O機架，使系統擁有多達2048點(diǎn)的I/O控制能力。同時(shí)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(xiàn)更換I/O模件
系統支持在線(xiàn)更換I/O模件。在線(xiàn)運行時(shí)，可使用手持式編程器進(jìn)行I/O單元更換和維護工作。在I/O單元發(fā)生故障時(shí)，可在維持系統運行的同時(shí)，在線(xiàn)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(chǎn)的停滯風(fēng)險。
2.3  系統軟件組成
強大的系統軟件是開(kāi)發(fā)DCS關(guān)鍵所在，但它無(wú)法通過(guò)一次性購買(mǎi)得到，因此需要進(jìn)行軟件系統集成。需要的軟件主要有網(wǎng)絡(luò )通信軟件、人機界面軟件和過(guò)程控制軟件。
(1)  OMRON網(wǎng)絡(luò )通信軟件主要有FINS協(xié)議的驅動(dòng)程序Finsgateway，通過(guò)該驅動(dòng)程序，上位機可以通過(guò)各層網(wǎng)絡(luò )（包括網(wǎng)絡(luò )互連）來(lái)訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)上的PLC；內部網(wǎng)絡(luò )配置軟件CX-SERVER協(xié)調其它軟件與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方式對外圍設備發(fā)送或接收數據。
(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(guò)程可視化、實(shí)時(shí)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(hù)的分級安全管理、網(wǎng)絡(luò )功能、在線(xiàn)組態(tài)、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(mǎn)足了電力生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化建立先進(jìn)人機界面系統的基本要求?？梢酝瓿呻娏ιa(chǎn)流程圖、過(guò)程參數實(shí)時(shí)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(xiàn)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遠程訪(fǎng)問(wèn)iFIX過(guò)程畫(huà)面，瀏覽發(fā)電廠(chǎng)的實(shí)時(shí)過(guò)程，而無(wú)需安裝特殊驅動(dòng)程序或客戶(hù)應用程序，這符合國際主流DCS的Internet技術(shù)發(fā)展趨勢。
(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)格式的國際標準――IECll31第三部分，規定一些標準組態(tài)技術(shù)用于先進(jìn)的控制、連續生產(chǎn)過(guò)程、批量生產(chǎn)過(guò)程及離散功能，這個(gè)規定已被許多廠(chǎng)家應用和發(fā)展，但是沒(méi)有一種編程語(yǔ)言能夠滿(mǎn)足所有過(guò)程控制的應用項目和所有工業(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標準，同時(shí)支持FBD、SFC、IL、LD、ST五種語(yǔ)言，可方便實(shí)現批量控制、專(zhuān)家系統等。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(yǔ)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(yǔ)言也已向多樣化方向發(fā)展，如德國SIEMENS SIMATIC PLC系統的編程語(yǔ)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(kāi)發(fā)環(huán)境提供豐富的顯示和監控功能以及調試功能。因此隨著(zhù)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系統獨特優(yōu)點(diǎn)
(1)  系統配置靈活 多系列、多品種可為不同用戶(hù)量身定做，價(jià)格低廉，設計和生產(chǎn)周期短。
(2)  結構開(kāi)放，擴展方便 專(zhuān)有DCS是昂貴的，其維護、升級和擴展的成本高昂，而開(kāi)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(shí)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(chǎn)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(zhù)火電廠(chǎng)先進(jìn)管理軟件的不斷應用，如性能分析計算、狀態(tài)檢修技術(shù)，運行管理專(zhuān)家系統、競價(jià)上網(wǎng)等，集成軟件系統開(kāi)放標準的優(yōu)越性將得到充分體現。
(5)  基于PLC開(kāi)發(fā)DCS始終是最先進(jìn)的 因為系統軟硬件來(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。
4  結語(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，如多上位機系統安全穩定、通訊瓶頸、在線(xiàn)組態(tài)等，實(shí)踐證明基于PLC的DCS改造路線(xiàn)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?；赑LC和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的DCS開(kāi)發(fā)和應用將打破目前國際上幾強爭霸的市場(chǎng)格局，為國家節省大量外匯，同時(shí)為廠(chǎng)家創(chuàng )造更加可觀(guān)的經(jīng)濟效益和管理效益。