DCS系统与PLC系统优缺点分析报告

DCS系统与PLC系统优缺点分析报告（推荐9篇）

DCS系统与PLC系统优缺点分析报告 篇1

工业界对于分布式控制系统(DCS)与可编程逻辑控制器(PLC)两者孰优孰劣的争论已经持续了至少40年。然而，随着技术的发展，争论并未停止。由于两者功能特性越来越接近，价格差异也在缩小，曾经一度很清晰的选择，现在似乎变得越来越模糊。要想理解这两者之间的争论，就一定要明确这两种平台之间的根本性差异。

要想理解这两者之间的争论，就一定要明确这两种平台之间的根本性差异。例如，DCS体系结构源自一种完整的系统方法，其焦点在于基于网络实现分布式控制，协助作业人员监视并操控工厂中的任何一个区域。通过高性能的确定性网络实现一致、同步并且完整的过程数据正是DCS体系结构的核心。

另一方面，PLC体系结构聚焦于灵活快速的本地控制，PLC技术最近的发展为其增加了过程控制能力。当PLC和HMI软件集成在一起时，其最终形态看起来与DCS十分类似，但是这仍旧是一种自建(DIY)的实现方法，意味着工程师必须亲力亲为实现系统的每一个环节。对于控制来说这种方法更加灵活，但是DIY通常意味着在组网和性能上更大的技术风险，其导致的成本增加会在后期慢慢体现。

以前，相对于PLC系统来说，DCS通常更加昂贵，而且与今天面临的状况不同，当年很多工厂对生产速度、产量、废物排放、安全性和遵循法规上的需求并不高。正是因为这样，基于PLC的系统才获得了发展，因为它们能够提供更低的固定资产投资，同时提供的功能也足够用。但是随着时代的变迁，在全球市场范围DCS系统的价格不断降低，制造企业对其需求也随之上升。因此，在投建新自动化项目时，很多控制系统工程师、维护经理和工厂经理开始重新审视DCS和PLC控制系统两者的优劣。

在评价DCS和基于PLC架构的自建分布式控制系统时，有几个要点需要注意。

网络性能

优良的网络性能始于合理的网络设计，而合理的网络设计依赖于对每一个网络节点的通讯行为和用来承载网络信息的协议的详尽了解。主要的过程自动化供应商已经注意到这种需求，他们提供最优的方案，使用户可以为控制系统选择最优的网络设计。而DIY方案的应用工程师可能需要首先完成特定网络拓扑结构的搭建。网络设计和安装完成之后，下一步就是测试网络性能到底如何。对于不同的数据采集量、警报、历史信息、对等网络信息和随时可能发生的备份作业，同样的网络拓扑结构的性能可能具有很大的差异，这需要依靠全面的最优拓扑结构测试才能够得出结论。假设用户已经完成了网络的设计和安装，工厂达到了最大生产能力，一切都按照预期运行，那么此时需要面临的挑战就是如何维持这种平稳的网络作业状态。一种解决方案是在项目之初就安装容错以太网(FTE)，这是一种使用并不昂贵的成品组件实现冗余工业以太网的组网技术，这种技术能够提供高可用性。FTE还能够提供足够的网络诊断，实现对过程控制网络的持续关注，可以作为DCS的一部分。而且，工厂必须在补丁和更新被载入生产系统之前对其进行功能和性能的测评。有经验的网络工程师深知网络上的每一台设备都必须正常工作，才能构成一个健康的网络整体，正所谓一条臭鱼腥了一锅汤。

控制性能

良好的过程控制是建立在可靠和可重复的控制策略上的。过程控制器作为经典DCS体系结构的一部分，在作业方法上比PLC具有更多选择。PLC的运行速度相对来说更快，而过程控制器的强项在于可重复性，这意味着控制策略的运行周期是固定的运行的过快或者过慢都是不能接受的。在每一个运转周期内实现可重复的控制，有助于工厂实现可重复的质量、生产率和作业结果。运行周期并非唯一差别，其他系统服务也将优先解决控制器的配置，例如，如果控制器产生的报警会对控制任务产生影响，那么这些报警就会被屏蔽，当过程扰动渐趋平稳时，再恢复这些警报。为了有效实现这种警报管理机制，必须能够与控制产生警报的时间紧密配合，那些用来收集、存储和报告这些警报的报警子系统和事件子系统也是如此。老话重提，系统的作业方法是DCS的核心。

HMI图形

HMI软件包供应商通常都会吹嘘操作员设计图形界面是如何的容易。但是不管图形界面设计的多么令人印象深刻，它都不能为工厂带来直接的经济效益。设想一下过程控制环境无需建立图形界面，因为它们已经内置了图形界面，这是多么惬意的一件事。但是随着时代的变迁，在全球市场范围内DCS系统的价格不断降低，制造企业对其需求也随之上升。如果系统控制功能和作业环境整合在一起，那么支撑过程工厂运转的90%的功能都可以标准化。一些DCS平台能够提供上百种标准面板、分组显示和状态显示，这不仅对于安全有效的工厂作业非常重要，关键这些功能是现成的。

控制算法

面向对象的功能模块主要用于指定用户功能的属性。通过创建具有完整参数功能的功能模块，用户可以开发并对控制策略实现精准调整，无需重新设计控制功能，所有必需的功能都经过备案可选。应用工程师仅需将模块集成到所需的控制配置中即可，十分容易。无需编程的自动备案控制器配置使DCS体系结构对于工程师的使用和故障排查来说十分高效。让我们以一个常用的过程控制功能PID模块为例。使用DCS全球数据模型，可以通过配置界面获得PID功能模块的全部信息，此界面的各种算法已经通过验证，可以按需选择。HMI中的报警、趋势分析和历史数据功能所需的参数可以在一个站点轻松完成获取和配置，无需再对HMI配置进行更改。

应用软件

在一套自动化系统20~30年的服役期内，考虑用户需要对系统进行扩展、更改或者为系统增加新技术的频次是很重要的。“如果系统控制功能和作业环境整合在一起，那么支撑过程工厂运转的90%的功能都可以标准化。”对于DIY系统来说，要想找到工厂运行所需的所有应用程序，只需要翻翻PLC和HMI供应商的选型手册然后下订单即可，随后就可以获得授权、DVD安装盘、下载内容和其他一系列有用的资料。但是，如果只需要选择一种型号代码就可以立即收到所需的整套系统岂不是更加便利么？一个授权文件可以用于所有支撑过程工厂运行的控件、数据备份、趋势分析对象、业务集成软件和工厂运行中所需要的图形。DCS体系结构能够确保所有的控制应用程序都被正确加载，版本正确且经过兼容性测试。

数据管理

当DIY的DCS系统被拼凑起来后，各种不同的数据模型将会产生多种代表同样信息的数据。当这些个体被组装成一个系统之后，这些不同种类的数据模型必须同步并且受到维护，对于应用工程师和系统管理员来说，完成这项工作是一个不小的负担。而对于DCS体系结构来说，通用的数据模型能覆盖整套系统。因此，一个数据源可以为系统任何位置的任何一个应用程序或者服务提供数据。这个问题的关键并不在于数据库的数量，而在于单一的数据模型，不管数据组件在何处，它都可以被体系下的任何一个组件所使用，而且数据组件无需复制。综合的数据模型并不一定意味着仅使用一个数据库，但是它肯定意味着对于任何数据组件来说都具有同一个去处。

批量自动化

DCS体系结构的综合特性长久以来一直是批量自动化工程的上佳之选。相比于其他类型的自动化，批量要求在相位、单位、配方、公式和其他要素上做到精细的配合。即使经典DCS体系结构在提供完整的解决方案时也面临着不小挑战，因为批量环境中的组件实在过于多样化。正是基于此种原因，很多批量自动化工程都选择将多种解决方案混合成一种解决方案。不管怎样，批量数据模型已经不像从前那样令人心生畏惧了，批量自动化解决方案的各种不同的信息现在使用单一的DCS数据模型就可以采集完成。例如，批量管理和执行所需的所有组件都运行于过程控制器上，或者在要求耐用性的场合这些组件都运行于冗余控制器上。这意味着没必要非得使用一台PC作为批量服务器。因为所有的批量组件都运行于控制器上，批量执行更加快速，循环时间得以缩短，产量提升。而且，对于各种报警、安保和显示功能，操作人员只需要学习一种作业环境即可，误操作的可能性也更低。从工程和维护的观点来看，这种方法的优势在于仅需学习并支持一种工具即可控制工程网版权所有，事半功倍。

开放式连通性

今天的过程工厂很少选择单一品牌的控制器。这就是为什么经典DCS体系结构也能够将第三方设备以同样的数据模型引入的原因。这意味着操作人员能够以一种统一的风格浏览来自于不同厂家的控制器的信息。控制解决方案是否能够将企业解决方案无缝融入控制层也是一个重要的考虑方面。因为信息富集型应用通常都是如需则急需，所以对制造执行系统(MES)、资产管理系统、报表软件、统计过程控制(SPC)、停机跟踪或者其他企业层解决方案进行提前考虑是很重要的。

仿真技术

控制策略在应用到实际的过程之前必须经过彻底的“排查”。由于过程控制关注可重复性，所以能够将控制策略直接运行于仿真环境而无需更改，这一点是十分必要的。过程控制中的计时是很必要的，仿真器必须能够可靠地重现过程执行的计时。“由于过程控制关注可重复性，所以能够将控制策略直接运行于仿真环境而无需更改，这一点是十分必要的。”

基于此种原因，DCS供应商都提供先进的仿真器技术，在工厂整个生命周期内帮助改善性能。有多种仿真选择，从离线的稳态设计仿真、控制核查和操作员培训到在线控制和优化、性能监控和作业计划仿真。

过程历史数据

彻底的过程改进依赖于优良的过程数据，这意味着历史数据的收集必须与工厂自动化系统的功能协调一致，不会妨碍更加紧急的控制要求。但是，如果出于某种原因必须中断历史数据收集，那么之后必须能够恢复历史数据，因为不完整的历史数据是不能接受的。工厂需要一种可靠的解决方案以获取历史数据，并将这些数据用于趋势和质量分析。基于此种目的，大多数现有的DCS平台现在都具有耐用的内置过程历史数据功能，工程师和工厂管理人员可以藉此在单一站点完成对整体作业性能的分析。冗余数据收集机制还能保证在主历史数据收集器失效时迅速切换至辅助历史数据收集器。做出决定。

DCS系统与PLC系统优缺点分析报告 篇2

辽阳石化140万t/年连续重整装置控制系统采用DCS(集散控制系统)、PLC(可编程控制器)相结合的方式完成对整个装置的自动控制。其中DCS系统采用霍尼韦尔新一代的Experion PKS控制系统,实现对整个装置的整体控制。PLC采用TRICON控制系统,完成对循环氢气压缩机组K261的控制。Tricon PLC独立于PKS系统,在正常情况下,TRICON系统自动运行,不需要人为干预。但为了撑握DCS操作人员监视压缩机过程的数据,有必要将压缩机的关键数据传至DCS中进行显示,这就涉及到PKS与TRICON之间的数据通讯问题。这里我们利用MODBUS通讯协议实现Honeywell PKS系统与Tricon PLC之间的串行通讯。

1 Modbus协议简介

Modbus是Modicon公司于1979年提出的一种通讯协议,经过多年的实际应用,已经成为一种应用于工业控制器上的标准通讯协议。有了它,不同厂商生产的控制系统可以连成工业网络,进行集中监控。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通讯的。它描述了控制器请求访问其它设备的过程,以及怎样侦测错误并记录,它制定了消息域格局和内容的公共格式。当在Modbus网络上通讯时,此协议决定了每个控制器需要知道它们的设备地址,识别按地址发来的消息,决定要产生何种动作。如果需要回应,控制器将产生反馈信息,并用Modbus协议发出。

1.1 Modbus报文

如图1所示,Modbus通讯使用查询-响应会话技术,即主设备初始化查询,从设备做出响应。主设备单独和从设备通讯,也能以广播方式和所有从设备通讯。Modbus主设备查询的格式:从设备地址、功能代码、起始地址、所查询的数据量、错误检测域。从设备响应消息的格式:从设备地址、功能代码、数据长度、响应的数据、错误检测域。

1.2 Modbus传输方式

Modbus协议有两种传输模式:ASCII(美国标准信息交换代码)或RTU(远程终端单元)。它定义了在这些网络上连续传输的消息段的每一位,以及决定怎样将信息打包成消息域和如何解码。用户选择想要的模式,包括串口通信参数(波特率、校验方式等)。在配置每个控制器的时候,在一个Modbus网络上的所有设备都必须选择相同的传输模式和串口参数。ASCII模式通信的主要优点是字符发送的时间间隔可达到1秒而不产生错误。RTU模式通信的主要优点是:在同样的波特率下,可比ASCII方式传送更多的数据。

1.3 错误检测方法

标准的Modbus串行网络采用两种错误检测方法。奇偶校验对每个字符都可用,帧检测(LRC或CRC)应用于整个消息。其中CRC(循环冗余校验)用于RTU模式;LRC(纵向冗余校验)用于ASCII模式。它们都是在消息发送前由主设备产生的,从设备在接收过程中检测每个字符和整个消息帧。用户要给主设备配置一预先定义的超时时间间隔,这个时间间隔要足够长,以使任何从设备都能作出正常响应。如果从设备侦测到传输错误,消息将不会被接收,也不会向主设备作出回应。这样超时事件将触发主设备来处理错误。发往不存在的从设备的地址也会产生超时错误。

2 系统结构及TRICON系统组态

如图2所示,Honeywell PKS系统采用冗余结构,通过CISCO(思科)Catalyst 2960系列交换机把控制器、服务器、操作站连接在一个FTE(容错以太网)网络中。基本网段IP地址为10.1.0.1;子网掩码为255.255.255.0。Tricon系统采用三重化冗余的结构,主要包括3块控制器、2块冗余通讯卡及其它I/O卡件。两套系统通过串口服务器Moxa NPort5630连接在一起。

2.1 通讯模件配置

TCM 4351(Tricon通讯模块)作为Tricon专有通讯卡件支持多种通讯协议及物理连接方式。具有2个网口,4个串口,1个专用调试口,可以实现10/100 M以太网,RS232/485等。冗余的4351通讯卡安装在Tricon主机架的第7个槽位,保障了通讯的可靠性及安全性。每一个串口具有一个唯一的地址,并且可以被组态为MODBUS主站或者从站。我们采用PLC与DCS point-to-point(点对点)的拓扑结构,采用RS-485两线制半双工的数据传输方式,连接头为DB9标准接口。最大传输距离为1 220 m。

如图3所示,使用TriStation 1131组态软件设置TCM卡的串口参数。设置通讯协议为MODBUS SLAVE RTU;从站地址为1;允许写端口;波特率为19200;8位数据传输格式;1位停止位;进行奇校验;传输模式为RS485,两线制的RS485必须勾选握手协议。

2.2 数据地址

如表1所示,Modbus地址由5位数字组成,包括起始的数据类型代号,以及后面的偏移地址。

如表2所示,实型数据的地址比较特殊。Tricon控制器通过Modbus协议传输32位浮点型数据需要使用特殊的映射通讯地址。它把一个32位的浮点型数据映射为两个16位的整型数据,其中高16位映射为一个Modbus整型地址n,低16位映射为n+1。例如:地址为41001的Memory REAL,Read/Write(可读/写内存实型)数据,对应的MODBUS地址高16位为42001,低16位为42002。

2.3 串口服务器组态

MOXA串口服务器Nport 5630-8为串口设备连接到以太网提供了便捷的传输方式。只需要做一些简单的配置任务,就可以使现有的串口设备做好了联网的准备。此外,NPort5630系列可以直接进行串口和以太网接口的双向传输数据;同时集中管理串口设备和分散的主机系统。其特点如下:

(1)简单易用的LCM状态显示及设置。

(2)10/100 M自适应以太网络。

(3)8个RS-485/422串口。

(4)所有串口信号带突波保护(15 KV ESD)。

(5)提供TCP Server,TCP Client,UDP等操作模式。

(6)提供ARP、web console、telnet console等进行设置。

(7)提供SNMP MIB-II来提供网络管理。

(8)支持静态IP、DHCP、BOOTP协议。

主要参数设置如下:

(1)网络设置

IP CONFIG:STATIC;IP 地址:10.1.0.79/80;子网掩码:255.255.255.0,网关:10.1.0.254。

(2)串口设置

波特率:19200;数据位:8;停止位:1;奇偶校验:奇;接口:RS485 2wire;操作模式:TCP server;PORT1端口号:4001。

如图4所示,串口服务器端的物理连接采用RJ-45接口,其中引脚5接Data-、引脚6接Data+、引脚7接GND。Tricon TCM端采用标准DB9 Female连接头。

3 Experion PKS系统组态

Experion PKS系统主要采用Configuration Studio组态软件包中的Quick Builder软件实现第三方通讯点的组态。包括:Channel(通道)、Controller(控制器)、Point(点)三方面的组态设置。为了更好地理解,我们以TIC2605(K261压缩机组润滑油温度控制回路)为例说明组态过程。整个控制回路包括4个参数,分别为测量值(PV)、设定值(SP)、输出值(OP)以及操作模式(MD)。

3.1 通道组态

通道组态用于建立MODBUS通讯协议的连接,参数的设置要跟串口服务器相对应。定义一个名称为K261CH的Modbus通道。主要参数设置如下:通讯报警边缘限Marginal Alarm Limit(MAL)用于产生一个高优先级的通讯故障报警。MAL的计算公式:控制器数量开方X每个控制器MAL值。通讯失败报警限Fail Alarm Limit(FAL)设置一般为通道MAL的2倍。端口类型选择Terminal Server;协议为Modbus RTU;Terminal Server TCP Host Name(串口服务器TCP IP地址)为10.1.0.79、冗余端口设置为10.1.0.80;Terminal Server TCP Port No(串口服务器TCP端口号)为4001,对应Nport 5630第一个端口。

3.2 控制器组态

这里建立的控制器是依据Modbus协议定义的逻辑控制器,而不是物理上的控制器。控制器对应具体的数据类型,我们建立4个Modbus控制器,分别为K261CTLAI (只读模拟量控制器)、K261CTLAIH(可读/写模拟量控制器)、K261CTLDI(只读数字量控制器)、K261CTLDO(可读/写数字量控制器),对应的数据类型分别为Input Register、Holding Register、Digital Input和Digital Output。PLC Station ID(从站地址)设为1,Channel Name(通道名称)是K261CH。

3.3 点组态

如图5所示,我们建立一个名称为TIC2605的模拟量点,必须指定Parent Asset(区域),这里为REF;扫描周期一般设置为5秒;量程为0～100℃。控制点的Source Address(源地址)设置是关键也是难点,设置的正确与否将直接影响通讯结果的正误。源地址的格式为“控制器 地址 解析码”,其中控制器和解析码由控制点的数据类型决定,地址为去掉功能号的Modbus通讯地址。TIC2605控制回路的源地址组态参数详见表3。

整型数据是Modbus通讯中一种常见的数据类型,PKS系统提供了一些常用的16位整型数据解析码,详见表4。

Tricon PLC中输入整型测量值PV的数据范围为819～4095,PKS系统没有合适的解析码。我们使用PKS系统软件包中的“User-defined Data Format”工具建立自定义的数据格式。打开Station软件,从菜单栏中选择 Configure>Application Development>User-defined Data Formats。建立一个名称为KJC_1的解析码,其中Data type(数据类型):INT2 (16位整型);Conversion type(转换类型):Linear(线性);Field value(现场值):Node1=819;Node2=4095;Converted value(转换值):Node1=0;Node2=1。这样解析码KJC_1就把数据819～4095进行线性量程转换成为0～1。

对于32位的实型数据,PKS系统提供4种常用的解析码,分别为:IEEEFPB(大端格式);IEEEFPBB(字节交换的大端格式);IEEEFPL(小端格式);IEEEFPLB(字节交换的小端格式)。我们以设定值SP为例说明实型数据的读取方式。例如SP值为47,对应的32位浮点数为3C 42 00 00。在Tricon内存中为大端存取模式,其中MSB(最高有效位)3c 42两个字节存放在低地址42001中,LSB(最低有效位)00 00两个字节存放在高地址42002中。PKS系统读取Modbus浮点型数据是按address、address-1方式读取。所以读取到的数据格式为00 00 3c 42,这种数据格式也就是交换字节的小端格式IEEEFPLB。

4 总结

PKS系统与Tricon PLC之间的通信已经完成,两系统流程图画面上显示的数值完全一致,能够很好地对这些数据进行监控。PKS系统与Tricon PLC之间的顺利通信,使操作人员在监视工艺过程运行情况的同时,还能及时监视压缩机组某些重要测量点的实时值,不但减小了PKS系统的控制负荷,提高了控制精度,而且费用较低、安装方便,降低了系统的投资成本。

参考文献

[1]Honeywell.Experion Quick Builder Guide.EP-DSX285,R310,2007,11:75-131.

[2]TRICON.Communication Guide for Tricon v9-v10Systems.Tricon Manual,2009,11:74-88.

DCS系统与PLC系统优缺点分析报告 篇3

【关键词】PLC；DCS控制系统；污水处理；技术应用

污水处理是根据生产工艺、设备材质、水质条件，采用相应处理方法的较为复杂的系统工程。基于PLC的DSC控制系统广泛应用于污水处理，改善水质，提高水质，达到循环使用水资源的目的。

1.生产工艺简介

根据不同性质的行业对其污水处理的工艺要求，一般采用厌氧---缺氧---好氧生化处理法。基于PLC的DCS控制系统是工控机显示工艺流程、报警信号等为上位机，PLC控制为下位机，控制仪表等设备为现场控制单元的污水处理控制系统。

2.DCS控制系统选型及硬件配置

2.1 DCS系统的选型

制药厂污水处理采用的是生化法，在工程设计中应用基于PLC的DSC控制系统自动完成水处理的全过程控制。

2.2基于PLC的DCS系统

传统的DCS实现连续物理量的监视和调节，是针对流程工业的仪表控制系统发展起来的；PLC是针对传统的继电器控制系统而发展起来的，主要功能是实现开关量的逻辑控制。随着应用规模的扩大，现在已经形成多台PLC相连的较大控制系统。单台PLC控制系统与多台PLC控制系统有所区别。在网络上连接在线的通用计算机，实现系统组态、编程和下装以及在线监视被控过程的状态。在PLC中增加模拟量I/O接口和数值计算功能，可以完成逻辑控制和模拟监测、控制和混合控制的功能。把专用网络改为通用网络，使PLC和其他计算机系统集成组成大型的控制系统。

2.3 AC500系统简介

由CPU、通讯模块、CPU底板、I/O模块和端子板、FBP接口模块和端子板、CPU底板等组成。CPU的PM571、PM581和PM591三个不同等级均带有LCD显示、操作按键、SD卡的扩展口和集成串行通讯口。CPU可直接插在选择集成以太网或者ARCNET网络接口的CPU底板上。CPU上除了有集成的通讯接口外，还有扩展4个扩展通讯接口。这4个通讯接口可扩展为任意的标准总线协议。输入/输出模块有模拟量和开关量两大种类。CPU本地和通过FBP分布式扩展的子站，可最大扩展到7个输入/输出模块。每个输入/输出模块均可直接插到端子板上AC500ControlBuilder编程可支持功能块（FBD）、语句表（IL）、梯形图（LD）、结构文本（ST）、顺控图（SFC）五种不同的编程语言这套软件可完成AC500系统包括所有总线接口的全部设置，并且还有全面的自诊断功能、报警处理、可视化调试工具和开放的数据接口。

2.4污水处理厂DCS系统配置及构成

根据工艺流程、控制点、现场设备的安装地理环境，设计人员一般采用先进的管理控制技术，包括控制层、监控层、管理层三层进行有效得检测和控制。控制层是指用可编程控制器作为底层控制中心，分别对排污设备、监测点控制、检测，采集信息。PLC是以微型计算机为核心，集电控、电议、电传为一体的工业控制装置，成为现代工业三大支柱之一。PLC网络和个人计算机连接，可以向用户提供工艺流程图显示、动态数据画面显示、报表编制、趋势图生成、窗口技术以及生产管理等内容，实现一台或多台计算机对PLC进行监控、管理，它以功能强、可靠性高、适应性好、模块化结构等优点在工业控制中得到了广泛的应用。随着计算机科技的发展，PLC已经发展成为集各种控制、运算、通信为一体的功能强大的控制器。在泵房内设有控制室作为监控层。监控层带有视频监控，监控整个泵房内每台泵和格栅机的运行状态；由PLC模拟输入模块进行数据采集，实行监控处理过程；同时将信息上传污水处理监控中心，污水处理监控中心指令下传各PLC控制器，再由PLC控制各个设备。管理层在污水处理厂远程监控中心进行。所有采集的数据通过虚拟局域网远程通信传输到监控层桌面个人计算机，再通过RS232通信模块发送控制命令给PLC，完成水泵的启动和停止控制。

3.自控系统功能

3.1监控软件

在windows2000操作系统上，以S7—300PLC为主控器、step7为控制器编程软件、Simatic Wincc6.0+SQL SERVER2000为上位机组态监控软件的二次开发组态形成部分自动控制系统，MACSV DCS形成另一部分自动控制系统，从而组合形成企业一体化系统网络结构。 DCS、PLC等设备并入企业网和INTERNET过程中，OPC技术是解决这一关键问题广泛采用的技术手段。

3.2控制方式

DSC控制系统主要从电气部分、PLC程序开发、上位机监控软件开发三个部分进行污水处理自动控制。整个控制系统分为现场级、控制级、管理级三个级别，工程强大、运行可靠、操作方便。集中控制各个分站设备的运行状态，手机现场数据；接受管理层设置的参数或命令，控制污水处理生产过程，将运行过程中的主要工作参数、运行状态等信息输送到管理层。控制系统除了能够完成基本功能，还具有控制操作、显示功能、数据管理、报警功能、打印功能等。操作人员在中心控制室实时控制被控设备；用图形实时显示各个现场被控设备的运行工况；根据不同运行参数的变化快慢和重要程度，建立生产历史数据库；某一模拟量测量值超过给定范围或某一开关量阀发生变位发出不同等级的报警；打印报表和图形。

4.工程效果

某污染处理厂采用分级分布式计算机控制系统，对工艺过程进行集中管理、分散控制。设计人员利用电信的虚拟专用网络VPN作为整个系统的通讯网络，满足不限距离、不限泵站和水池数量的要求，所有的控制和看管工作均由PLC和计算机远程自动完成。该系统实现了客户端操作，使客户端机器协调工作，提高整个排污系统的工作效率。整个系统运行中，节省大量资金，减少人员编制，提高管理，具有很大的经济效益和社会效益。

根据污水来源分为生活污水、工业废水、农业污水和医疗污水四类。污水处理工艺上包含曝气生物滤池、SPR、A/O法、MBFB膜生物等。沈阳新华根据提供不同工艺下的污水处理过程，设计自动化控制系统解决方案和模块化结构。此污水处理系统具有调试简单、操作方便、使用安全、效率高、故障率低，污水处理效果好、便于操作与维护等优势。

SBR污水处理厂的自动控制系统由三级分布式控制系统组成。监控管理，通过中央控制室的操作站完成。选用工控计算机，以TCP/IP工业以太网与PLC系统通讯， 实时监视全厂工艺参数变化、设备运行、故障发生等情况，同时负责日常报表打印、事故打印和数据记录等。过程控制，按场区配置分站，以AC500PLC系统作为现场控制核心，通过CS31网与所属分布I/O通讯对流量、液位、pH值、电机等参数进行采集、控制，由现场的各分系统或成套设备的控制系统实现。单机就地控制采用ABB公司的AC31系列产品组成分布I/O，采集现场参数，并且执行上一级PLC主站的控制命令，通过现场电气控制系统完成。

5.总结

PLC控制系统满足污水生产工艺的要求，避免功能浪费、降低系统造价，便于调试和维护，成为编程语言和系统结构统一性的控制器。在计算机科学不断地发展的同时，科研人员不断提高污水处理系统的功能，扩大污水处理系统技术的应用。

【参考文献】

[1]谢彤著.DCS控制系统运行与维护.北京理工大学出版社，2012，08.

[2]王常力，罗安著.分布式控制系统（DCS）设计与应用实例.电子工业出版社，2004，01.

DCS系统与PLC系统优缺点分析报告 篇4

【摘要】智能电网的发展对火力发电厂电气设备运行水平提出了更高的要求，本文基于此对火力发电厂的核心系统DCS进行了分析。首先介绍了DCS控制系统的相关概念，此后介绍了DCS系统在火力发电厂的应用，最后分析了DCS系统运行中的常见故障并提出了解决措施。

【关键词】DCS系统；火力发电厂；电气设备

引言

随着智能电网的建设和发展，火力发电厂向着规模化、高效化、复杂化发展，对机组控制系统的自动化水平要求不断提高。分散控制系统（DCS）是控制机组生产运行的核心部分，其可靠稳定的运行直接决定着整个运行机组生产过程的安全、经济稳定运行。

一、DCS控制系统的相关概念

DCS（Distributed Control Systems，分布式控制系统）是指：通过多个计算机来对火力发电厂生产过程中的多个回路进行控制，并可以进行集中数据管理。DCS系统因此又被称为集散控制系统。DCS系统是火力发电厂机组的核心控制程序之一，它集成了控制（Control）技术、计算机（Computer）技术、通信（Communication）技术、显示（CathodeRay Tube，CRT）技术的多级计算机系统，以通讯网络为纽带实现过程控制和监控控制。

二、DCS系统在火力发电厂电气设备中的应用

火力发电厂一般规模较大、占地面积广、内部体系庞杂，这些特征决定了对其电气设备的控制应该一方面注重全局调控，另一方面对其本地化问题不断进行响应和处理，实施分散集中控制。DCS系统具有灵活的组态软件、先进的控制算法、高度可靠性和开放的联网能力，完全符合火力发电厂的发展要求，因此近年来逐渐占据了大中型火力发电机组机、炉主控的自动化领域。

以DCS在某火力发电厂烟气脱硫控制系统中的应用为例，为确保系统的安全稳定运行，采用了西门子PCS7的DCS系统，该系统基于过程自动化，实现了从传感器、执行器到控制器、上位机的全集成自动化，设置两个操作员站和一个工程师站，对进行烟气脱硫的两套机组进行监控，每套机组的脱硫岛系统中，都设有一个控制站，通过I/O模块采集和输出现场参数。通讯方面，I/O模块通过PROFIBUS现场总线与控制站相连，工程师站、操作员站、控制站通过工业级以太网相连，通过DCS系统能够方面的控制各个参数，有利于提升烟气脱硫的工作效率，降低现场人员的劳动强度。

随着DCS技术的不断发展，其硬件和软件特性不断升级，在火力发电厂的各个工艺过程中的应用日益深入。目前，FSSS、DEH、SOE等都可以由DCS组态实现，机炉的整套电气设备均可以处于DCS系统的统一监控之下，大型火力发电厂的机、炉、电一体化控制成为主流趋势。近年来现场总线技术飞速发展，为DCS控制提供了新的发展空间，目前火力发电厂的第四代DCS系统中已经能够支持多种标准的现场总线仪表。

三、火力发电厂DCS系统的常见故障和应对措施

火力发电厂DCS系统的常见故障主要包括硬件故障、软件故障和人为故障三种，现将其常见故障及其应对措施归纳总结如下：

3.1硬件故障

火力发电厂运行环境相对复杂，受到高温、高热、粉尘等因素的影响，DCS系统中最常见的多为硬件故障。硬件故障常见的主要有DPU主控单元故障和I/O单元故障。

（1）DPU主控单元故障

DPU（Distributed Processing Unit，分散处理单元）用于执行工程师组态的控制策略，用来实现系统的离散梯形逻辑控制、连续调节、过程控制算法，还具有数据的采集、变换、告警、记录等功能，是火力发电厂DCS系统的核心软件之一。DPU主控单元故障主要有DPU脱网、初始化程序异常、切换异常等。

其中，DPU脱网的可能原因包括元器件严重老化、端子接触不良、主板故障、系统负载率过高等，DPU初始化程序异常的原因多为主DPU与从DPU之间的下位机程序出现问题，或是两者之间的DOC芯片兼容问题导致的。一旦出现DPU主控单元故障，应该立即检查报警日志，并对系统进行检修，及时分析故障原因并排除，对于出现器件老化或主板故障的DPU主控单元，应该立即更换相应的故障器件。

（2）I/O单元故障

I/O单元是DCS系统的模拟量采集元件，在运行中出现的I/O单元故障可能原因包括通讯线路接触不良、端子板接线虚焊、元器件特性不良、板卡因故损坏等。目前，I/O单元的故障率多与板卡的制造和安装工艺密切相关，因为I/O单元质量不过关导致DCS系统被迫停运的故障屡见不鲜。此外，火力发电厂内部运行环境相对恶劣，空气粉尘较大，I/O单元长期运行于高温环境下，一旦散热环境不佳，也很容易导致I/O单元出现接触不良或元件老化。针对这种情况，火力发电厂I/O单元在进行配置时，应该尽量将重要信号分散配置在不同的板卡上，用于同一个保护或控制系统的信号避免完全集中在一个控制站内，为系统硬件进行充足的容错处理，避免因某一块I/O板卡故障，引发电气设备整体失效，影响整个机组的整体运行。

3.2软件故障

DCS应用软件故障包括程序存在缺陷、控制模块异常、软件在线下载功能不完善、历史数据记录不全等，根据故障出现的原因，可以分为系统软件故障和应用软件故障两种。其中，系统软件故障主要是程序编写时设计存在缺陷，必须返厂进行整改和升级，应用软件故障主要是某一个具体应用存在待完善环节，可能是应用软件编写者的疏漏，导致图形软件画面与火力发电厂实际情况不符合，设备的位置序列号与软件不对应等。目前，火力发电厂DCS系统软件还处于不断的升级和优化的过程中，有些DCS系统生产厂商为了迎合业主的要求，增加某些新功能或新特性，而经常给系统软件打补丁或升级，软件开发缺乏持续追踪和系统性，可能会给软件安全带来较大隐患。例如，近年来安徽电网中发生的两起火力发电大机组故障，就是由于DCS版本升级后，因系统软件存在缺陷、软件与硬件驱动不匹配、系统容错性差等原因造成的。因此，火力发电厂在进行DCS系统升级和改造时，应该慎重考虑，必须经过严谨的系统验证和技术检测后才能进行，以确保DCS系统的安全稳定。

3.3人为故障

火力发电厂DCS系统操作内容庞杂、涉及技术多样、对人员素质要求较高，对DCS熟悉使用需要一个逐步深入的过程。在火力发电厂的日常运行和维护过程中，因为对DCS系统特性不熟悉而导致的人为故障也时有发生，这种故障具有一定的偶发性，也容易被发现和解决。在实际工作中，火力发电厂应该经常对在岗人员展开技术培训，尤其是对新上岗员工，要及时进行深入的专项培训，使得员工真正能够熟练掌握DCS系统特性。同时，建立健全相应的管理制度，降低人为误操作导致的DCS系统故障概率。

结语

DCS系统目前已经在火力发电厂电气设备中得到普遍应用，并处于不断发展和完善的过程中。火力发电是我国最主要的发电形式，伴随国家建设智能电网的进程不断深入，各类火力发电厂将不断兴建和投产，火力发电企业应该不断地引进新技术，完善电气设备的控制，提升DCS系统的应用水平，推动我国电网持续健康发展。

参考文献

加氢系统DCS监控简介 篇5

一、DCS监控系统简介

1、概述

加氢工系共有五套加氢系统组成，其自动化控制系统由美国爱默生公司FISHER-ROUSEMOUNT DELTAV 控制系统和一台工程师站及三台操作员站组成，实现对加氢装置的自动化管理和控制。

2、仪表控制组成每套加氢系统均配有一台质量流量计、一台温度变送器、一台压力变送器，质量流量计为本安型的Danfoss质量流量计（有瞬时流量、累积流量及温度、密度等显示），温度变送器及压力变送器均为本安型的罗斯蒙特变送器，以及计量罐采用的是本安型的罗斯蒙特的双法兰液位变送器，DCS控制柜内采用英国的MTL齐纳式安全栅与现场变送器相连接。

3、重要检测参数报警

对每套加氢系统的加氢釜的温度、压力进行设定声光报警，设定了高报及高高报警值。

4、监控与管理功能

1）动态数据监视及操作，工艺流程画面显示，工艺流程的各重要检测点实时数据；

2）历史趋势与实时趋势：各重要检测点的历史数据记录、趋势显示；

3）报警：声光、显示报警并记录；

4）分级权限管理：操作管理权限分级制度有利于保护系统运行安全，防止系统参数被无故修改等不安全行为。对于重要参数过程控制均有分级用户及密码。权限分为：操作员（Operator）权限（基本操作）、工程师（Engineer）权限（可修改过程控制参数）、主管（Administrator）权限（所有操作）。

二、基本操作方法

 报警值的设定与修改：只有工程师权限以上才可进入（点击监控画面的人员管理图标进行切换用户），打开组态画面对报警值进行设定或修改。报警值共有：高高报、高报、低报、低低报。

 确认报警与消音：当出现报警时，监控下方会出现报警的位号、颜色闪烁及发出报警声音，高报与低报为黄色闪烁，高高报与低低报为红色闪烁。点击报警闪烁条可跳至报警位号所在的监控画面及打开报警点的操作面板，点击面板右下角的报警确认按钮可进行报警确认。

DCS系统与PLC系统优缺点分析报告 篇6

分散控制系统DCS ( Distributed Control System) , 又称分布式控制系统, 产生于20 世纪70 年代中期, 最初是由仪表制造厂商研发出来, 当时主要应用于化工行业。它是在集中控制系统的基础上发展而来, 综合了计算机、通信、显示和控制等4C技术, 是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统, 具有连续控制、批量控制、逻辑顺序控制、数据采集等功能。DCS将分散的仪表控制和集中式计算机控制系统二者的优势有机结合起来, 体系结构是一个分布式、分支树状结构, 从垂直结构来看, 分为分散过程控制级、集中操作监控级以及综合信息管理级三级, 各级之间既相互独立又相互联系, 每一级中又可水平分解成不同的子模块, 如分散过程控制级就可分为现场控制站、PLC、智能调节器和其他测控装置。其具有通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、人机界面友好、安装简单规范化、调试方便、运行安全可靠等优点。

二、可编程控制器 ( PLC) 概述

可编程控制器PLC ( Programmable Logic Controller) , 是集微机技术、自动化技术、通信技术于一体的通用工业控制装置, 20 世纪60 年代末研制成功, 研发之初主要应用于汽车制造业。随着计算机网络技术和通信技术的不断发展, PLC在工业控制的各个领域里得到了广泛的应用, 由输入部分、逻辑处理部分及输出部分构成, 其工作原理是将传感器、仪表等控制设备分散地置于工业控制的现场, 在PLC运行时, 其内部事先存储好的PLC程序执行每条指令, 通过远程I/O、同位链路, 将现场数据采集到上位机 ( 或上位网络) 处理, 形成具有一定实时性的监控系统, 具有工作可靠、编程容易、安装灵活、性能价格比高等特点。

三、分散控制系统 ( DCS) 与可编程控制器 ( PLC) 的主要区别

( 一) 概念不同。DCS和PLC之间最直观的区别就是, DCS是一个体系, 而PLC只是一个装置, DCS系统可以实现任何装置的功能, 而PLC装置只具备本单元的功能。这种区别影响到了方方面面的不同。

( 二) 设计原理不同。DCS是伴随着运算放大器的发展而发展起来的, 早期的DCS使用模拟量控制的方式, 所有的函数、各变量之间的关系以功能块或者膨胀块的方式存储于DCS中; 而PLC则是在模仿原继电器控制原理的基础上产生的, 早期的PLC通过开关量逻辑进行控制, 应用时需要事先将需要的生产工序要求以程序的形式存入PLC的用户程序存储器中, 接着输入相应的数字就可按照程序的要求进行生产。20 世纪80 年代后期, PLC增加了新的功能, 除了进行逻辑运算之外, 还可进行一些控制回路算法, 但仅限于简单的控制回路算法, 复杂的算法还无法实现。PLC在运算方面有着简单快捷的优势, 解算时间以微秒甚至毫秒来计算。有关研究表明, 运用PLC解算1K逻辑程序耗时不到1 毫秒。尽管PLC在解算方面有着巨大的优势, 但是由于其所用的是梯形图编程的方式在模拟量的运算上同DCS还有着不小的差距。DCS解算一些较为复杂的运算, 特别是模拟量的运算方面仅需几百微秒, 运算速度高于PLC。

( 三) 应用范围不同。DCS一般应用于中型或者大型的自控场所, 设备的控制量在600 点以上; 而PLC一般应用于设备的控制量在600 以下的小型自控场所。

( 四) 数据通讯不同。DCS通常使用两层网络结构, 第一层为程级网络, 在这一层中, 大部分DCS在标准串口传输协议的RS232 或RS458 的基础上建立自己的总线协议, 特别是在模拟量采集数据庞大以及现场干扰因素较多的时候, 标准串口协议无法满足控制系统数据量大、安全性高的要求, 需要建立抗干扰能力强的异步通讯方式的总线结构; 第二层是操作级网络, 在这一层中通常选用TP/CP协议这种标准的以太网使采集到的数据经CPU转换成整形数据或实形数据开始传输, 通讯速度为100Mbit/s。由于PLC通常应用于小型控制系统中, 工作任务相对简单, 交换和传输的数据有限, 通常使用一层网络结构, 建立的是基于RS232 或RS458 的标准串口传输协议。

( 五) 数据库不同。DCS有着统一的数据库, 系统内诸如组态、报表、记录等在内的信息数据都存储在数据库中, 数据库是独立于控制系统而存在的, 当系统运行时所有的数据都会被保存下来并且不断更新, 这样一旦有需要就可在数据库中直接提取使用; 而PLC中没有统一的数据库, 即使是大型的PLC系统中的数据库也是通过服务且嵌入式实施的, 所有的数据并不是统一的, 系统运行时组态软件和监控软件的数据会自动保存于自身的数据库中, 而不会保存在系统中的数据库中。

( 六) 组态维护不同。早期DCS以模块功能为主, 侧重仪表控制, 可靠性、安全性高, 系统昂贵, 通常应用于主厂房的控制; 而PLC以梯形图为主, 强调逻辑运算能力, 价格较DCS稍微便宜一些, 多用于辅助车间。DCS是一个体系, 在设计之初就考虑到了调试和维护等方面的需要, 留有大量的可扩展性接口, 当发现现有的系统无法满足需要时, 可扩展性接口就能发挥作用。系统运行时要及时对系统硬件进行检查, 测试DPU的负荷率, 不得擅自更改组态功能。DCS采用的是双冗余的控制单元, 当某些控制单元发生故障时, 相关的冗余单元会实时切换为工作单元, 确保了整个系统的安全可靠运行, 有着成熟且完善的解决方案, 维修人员既可到现场对设备进行维修, 也可以利用计算机进行在线修改; 而PLC之间多为松散的连接关系, 整个系统完成后无法增加或减少操作员站, 只有极少量的PLC模块中会配置智能芯片, 一旦发生问题, 相应的单元会瘫痪, 由于缺乏完善的解决方案, 短时间内系统无法恢复正常。早期的DCS由厂家提供专用的人机交换装置, PLC多采用通用的监控软件, 用户可直接在市场中购买。

( 七) 历史沿革不同。DCS产生于仪表制造行业, 其产生的目的是为用户提供安全可靠的工业生产控制系统, 因此发展的过程是将计算机技术、控制技术的研究成果应用到DCS中, 构建一个完整的、安全系数更高的集散控制系统, PLC源于继电控制装置, 生产的目的是取代以电路物理来进行控制的继电器, 成为依靠存储于PLC内存中程序的实现控制的具有计数、计时等功能的柔性程序控制装置, 因此其发展的方向是不断提高各项能力指标, 给用户提供一个完善的功能灵活的控制装置。

四、DCS、PLC的实际应用对比

尽管PLC技术日益成熟, 运算能力、寻址能力有了大幅度的提高, 分布式IO站点也在提高, 但是与DCS相比仍有着一定的差距。以二者在火力发电行业中的应为为例, 火力发电的热控主机对于系统的专业性和安全性有着较高的要求, DCS由于IO模块大多采用光隔离16 位卡, 在电源、网络、CPU等重要环节中采用的是1: 1 冗余设计, 其监控软件由厂家根据DCS硬件“量身定制”, IO模块为可插拔式, 具有维修简单的特性, 因此热控主机部分大多由DCS控制, 而PLC因其模块型号繁多, 多为非冗余设计, 维修难度大, 安全性、可靠性相对差一些, 因此辅网部分多采用PLC控制, 极少有主机部分用PLC控制。

五、结语

DCS和PLC作为计算机技术和控制技术结合的产物, 对推动自动化水平的提高有着积极的意义。二者在应用上有着较大的相通性, 从总体趋势来看, 行业决定了各自的发展方向。未来DCS的开放性将逐渐加强, 实现DCS与CLIPS系统的调度层、管理层、决策层 ( 辅助决策层) 无缝连接, 真正实现管控一体化; PLC将朝两方面发展, 一方面向简单、超小型方向发展, 以适应单机控制的“机电一体化”, 另一方面则向大型化、复杂化、多功能、分散型、多层分布式、全自动网络方向发展。

摘要：本文阐述了分散控制系统 (DCS) 与可编程控制器 (PLC) 的特点及发展, 从概念、设计原理、应用范围、数据库、组态维护以及实际应用等方面分析了两者的不同。

关键词：分散控制系统,可编程控制器,设计原理

参考文献

[1]张敏, 凌东雄, 陈项.PLC集散控制系统上位网络通信基于NT的研究[J].昆明理工大学学报, 2002, 27 (3)

[2]张彬.可编程序控制器与计算机的串行通信[J].机电一体化, 2002, 5

[3]吴宏岐, 乔永明.PLC控制系统提高可靠性的接地措施[J].山西电子技术, 2001, 2

PLC系统干扰源与可靠性分析 篇7

摘要:PLC广泛应用于社会生产的各个行业,因此讨论其可靠性是非常重要的,而系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。本文分析了与PLC可靠运行有关的各个干扰因素,提出了克服这些因素影响的方案,探讨了提高控制系统可靠性的硬软件措施。

关键词:PLC 干扰源 系统可靠性

中图分类号:F23文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)03-0069-01

随着科学技术的发展,PLC在工业控制中的应用越来越广泛。PLC控制系统的可靠性直接影响到工业企业的安全生产和运行,系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。自动化系统中所使用的各种类型PLC,它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。设计人员只有预先了解各种干扰才能有效保证系统可靠运行。因此,分析PLC系统的各类干扰源及其相应的抗干扰措施是一项十分重要的工作。

1 电磁干扰源及其对系统的干扰

影响PLC控制系统的干扰源与一般影响工业控制设备的干扰源一样,大都产生在电流或电压剧烈变化的部位,这些部位就是噪声源,即干扰源。

干扰类型通常按干扰产生的原因、噪声的干扰模式和噪声的波形性质的不同划分。其中:按噪声产生的原因不同,分为放电噪声、浪涌噪声、高频振荡噪声等;按噪声的波形、性质不同,分为持续噪声、偶发噪声等;按声音干扰模式不同,分为共模干扰和差模干扰。共模干扰和差模干扰是一种比较常用的分类方法。共模干扰是信号对地面的电位差,主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态(同方向)电压送加所形成。共模电压有时较大,特别是采用隔离性能差的电器供电室,变送器输出信号的共模电压普遍较高,有的可高达130V以上。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压,直接影响测控信号,造成元器件损坏(这就是一些系统I/O模件损坏率较高的原因),这种共模干扰可为直流、亦可为交流。差模干扰是指用于信号两极间得干扰电压,主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压,这种让直接叠加在信号上,直接影响测量与控制精度。

2PLC控制系统中电磁干扰的主要来源

2.1 来自空间的辐射干扰

辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小,特别是频率有关,一般通过设置屏蔽电缆和PLC局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。

2.2 来自系统外引线的干扰

主要通过电源和信号线引入,通常称为传导干扰。这种干扰在我国工业现场较严重。

2.3 来自电源的干扰

实践证明,因电源引入的干扰造成PLC控制系统故障的情况很多,PLC系统的正常供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广,将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电路。

2.4 来自信号线引入的干扰

与PLC控制系统连接的各类信号传输线,除了传输有效的各类信号之外,总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径:一是通过变送器或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰,这往往被忽略;二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰,即信号线上的外部感应干扰,这是很严重的。由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低,严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统,还将导致信号间互相干扰,引起共地系统总线回流,造成逻辑数据变化、误动和死机。PLC控制系统因信号引入干扰造成I/O模件损坏数相当严重,由此引起系统故障的情况也很多。

3 解决PLC系统干扰的探讨

选用隔离性能较好的设备、选用优良的电源,动力线和信号线走线要更加合理等等,能解决干扰问题,但是比较烦琐、不易操作而且成本较高。利用信号隔离器解决干扰问题是一个比较可行的办法。只要在有干扰的地方,输入端和输出端中间加上合适的信号隔离器,可有效解决干扰问题。信号隔离器的使用简单方便、可靠,成本低廉。同时它可大量减轻设计人员、系统调试人员工作量,即使复杂的系统在普通的设计人员手里,也会变的非常可靠。信号隔离器工作原理是将PLC接收的信号,通过半导体器件调制变换,然后通过光感或磁感器件进行隔离转换,然后再进行解调变换回隔离前原信号或不同信号,同时对隔离后信号的供电电源进行隔离处理。保证变换后的信号、电源、地之间绝对独立。除此之外,为了提高PLC控制系统可靠性,抗干扰措施贯穿系统和软、硬件设计的始终。具体来说有如下几点措施:

3.1 输入与输出端子的保护

当输入信号源与输出驱动的负载为感性元件时,对于直流电路应在其两端并联续流二极管;对于交流电路,应在其两端并联阻容吸收电路。采用以上措施,可防止在电感性输入或输出电路断开时产生很高的感应电势或漏电流对PLC输入、输出端点及内部电源造成的冲击。

3.2 输入与输出信号的防错

当输入信号源为晶体管,或者是光电开关输出类型时;当输出元件为双向晶闸管,或是晶体管输出,而外部负载又很小时,会因为这类输出元件在判断时有较大的漏电流,使输入电路和外部负载电路不能关断,导致输入与输出信号的错误。为此应在这类输入、输出电路上并联旁路电阻,以减少PLC输入电流和外部负载电流。

3.3 安装与布线采取一定的抗干扰措施

PLC电源、I/O电源一般都采用带屏蔽层的隔离变压器供电,在有较强干扰源的环境中使用时,或在PLC工作可靠性很高时,应将屏蔽层和PLC浮地端子接地,接地线截面积不能过小,保证接地点与PLC机的距离应小于50m。接地线要采取独立的方式,不能用与其它设备串联接地的方式。

PLC电源线,I/O电源线,输入、输出信号线,交、直流线都应尽量分开布线。开关量信号线与模拟量信号线也应分开布线,后者应用屏蔽线,并且将屏蔽层接地。数字传输线也要采用屏蔽线,并且要将屏蔽层接地。

4 结语

通过对PLC控制系统干扰源的分析,提出了若干抗干扰措施,为工业控制中PLC可靠性设计提供了一定的依据。提高PLC控制系统可靠性的措施还有很多,只要我们在实际应用过程中,充分考虑到对PLC的各种不利因素,在系统应用中采取适当的保护措施,就完全可以使控制系统安全、可靠地运行。

参考文献:

[1] 苏淦万.提高PLC可靠性抗干扰措施[J].能源与环境,2004,(4).

[2] 郑亮,蒋大明,戴胜华.PLC可靠性分析与冗余设计[J].工矿自动化,2005,(2).

[3] 赵跃华.可编程序控制器及其应用[M].成都:电子科技大学出版社,1998.

DCS系统与PLC系统优缺点分析报告 篇8

在我国, 除了少数大中型锅炉采用了先进的控制技术外, 绝大多数中小企业所用的锅炉, 大部分还停留在选用仪表和继电器控制, 甚至还是人工操作, 已无法满足要求[1]。因此, 对锅炉控制系统采用先进的控制技术, 不仅能够实现安全生产的目的, 还能够节煤节电并能使排放更环保, 具有很好的市场发展空间和投资收益前景。锅炉DCS (分散控制系统DistributedControlSystem) 自动控制, 是近年来开发的一项新技术, 它是计算机软件、硬件、自动控制、通讯网络和锅炉节能等几项技术紧密结合的产物。采用控制算法和DCS进行控制, 可以有效提高工业锅炉的热效率、降低耗煤量、降低耗电量, 是一件具有深远意义的工作[2]。作为锅炉控制装置, 其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行, 减轻操作人员的劳动强度。DCS控制的锅炉控制系统中, 包含两台鼓风机、两台引风机、两台炉排机共六台电动机, 采用PLC与变频器结合实施对锅炉六台电动机的控制, 具有十分周到的安全机制, 设置了多点声光报警, 和自动连锁停炉。控制系统采用前馈加PID控制器通过变频器调速系统调节引风量来控制炉膛负压, 节能和控制效果非常明显。

1工艺流程

锅炉系统主要包括:蒸汽系统、软化水处理系统、给水系统、燃烧系统、排污系统、凝结水系统、疏水系统等[3]。该控制系统主要是控制锅炉燃烧系统, 燃料煤由振动给料机加到煤斗中并落在炉排上, 电机通过减速机、链条带动炉排转动, 将燃料煤带入炉内。燃料煤一边燃烧一边向后移动, 燃烧所需要的空气由鼓风机送入炉排中间的风箱后, 向上通过炉排到达燃料燃烧层。风量和燃料量成比例 (风煤比) , 以便进行充分燃烧, 形成高温烟气。燃料煤燃烧剩下的灰渣, 在炉排末端通过除渣板后排入灰斗。在炉膛四周墙面上都布置着一排水管, 称为水冷壁。高温烟气与水冷壁进行强烈的辐射换热和对流换热, 将热量传递给管内的水流。继而烟气受引风机、烟囱的引力向炉膛上方流动。烟气经炉膛出口与省煤器内的水和空气预热器中的空气进行热交换后, 较低温度的烟气经过麻石除尘器除尘, 再经引风机通过烟囱排出。省煤器的作用是给水预热, 空气预热器的作用是给空气预热, 以降低排烟温度, 提高锅炉效率, 从而节省燃料。

2 DCS系统的组成与网络结构

系统是根据工艺流程要求和控制任务, 本着“分散控制、集中管理”的特点, 整个控制系统按3层结构和2种网络进行结构规划和系统配置, 并预留与全厂生产管理层的通讯接口。三层结构即为操作管理层、过程控制层和现场检测层。

操作管理层主要由2个工程师站 (ES) 组成。每台工程师站相对于过程控制站具有同等的监控地位, 互为热备。工程师站的硬件平台为研华工控机和研华19寸液晶显示屏, 软件平台为SEIMENS公司的WinCC 6.0组态软件。

过程控制层主要由1个过程控制站 (PS) 组成, 完成对两台锅炉控制系统的安全联锁控制、回路调节、顺序控制、逻辑控制和综合报警。过程控制层的PS站一方面通过PorfibuS-DP现场总线网络与现场检测层的远程I/O站进行通讯, 采集系统相关的现场传感器、变送器、执行机构和其他设备的实时运行数据和状态信号, 控制相关设备的运行, 如调节鼓风机、引风机和炉排的运行速度等。另一方面将系统的数据信息通过现场总线上传到操作管理层的工作站进行处理, 同时执行工程师站发出的操作命令。PS站选用西门子S7-300系列PLC作为主站分别监控两台锅炉[4]。PLC处理器均为CPU 313-C, 它具多种突出特点, 包括紧凑、无槽位限制的模块化结构, 高扩展能力, 完整的系统功能, 间接的集中或分布式I/O连接, 通道隔离、带诊断, 并集成了Profibus-DP现场总线接口, 可以直接挂接于Profibus-DP网络。PS站的PLC编程软件采用Step7 5.4, 通讯设置软件为SIMATICNET。

现场检测层由1套Simenes公司的ET200M系列远程I/O站组成, 按每台蒸汽锅炉就地配置1套远程I/O站的原则进行设计。ET200M远程I/O站作为各过程控制站的从站, 具体负责与现场各开关量及传统仪表的接口, 并通过Profibus—DP现场总线网络与过程控制层进行数据交换, 实现2台锅炉系统所有现场设备、仪表的信号数据采集和控制等功能。

ET200M远程I/O模块作为从站, 通过接口模块IM 153与Profibus-DP现场总线相连。ET200M远程I/O站主要由通讯模块、开关量输入/输出 (I/O) 模块及模拟量输入/输出 (I/O) 模块等组成。组态之后, 分布式I/O将如同集中式I/O一样, 主要完成锅炉的热工检测与控制。整个控制系统的网络结构如图1所示。

3系统的软件设计

燃烧系统由6台变频器各自控制一个电动机组成。两台锅炉均有其相应的引风机、鼓风机和炉排机, 全部要求变频控制且有顺序控制功能, 其启动顺序如图2所示, 停机按逆序进行。该控制系统考虑了连锁保护, 一旦鼓风机或引风机或炉排停机或者变频器出现故障, 既报故障信号立即实现连锁, 整个锅炉系统停炉, 保证锅炉安全。另外手动控制部分也设计了连锁保护功能, 启动时必须是先启动引风机再启动鼓风机, 停机时必须先停止鼓风机, 然后停止引风机。

根据控制要求炉膛负压是一个重要的参数, 负压过大, 则漏风严重, 总的风量增加, 烟气热量损失增大, 同时引风机的电耗增加, 不利于经济燃烧, 负压偏正, 炉膛要向外喷火不利安全生产。控制系统采用前馈加PID控制, 炉膛负压设定为-10 Pa, 根据鼓风机转速调节引风机转速, 使炉膛负压维持在-10 Pa。炉膛负压控制系统如图3所示。

S7-300的CPU中已有PID模块FB41, 建立FB41的背景数据块DB41, 在DB41中把需要预先设置的参数设置好, 如PID参数、设定值和上下限幅值等。在OB35中进行数据的采集、输出和PID算法的实现。使用中只需设定三个参数 (KP , TI , TD) 即可。在很多情况下, 并不一定需要全部三个单元, 可以取其中的一到两个单元, 但比例控制单元是必不可少的。PID参数KP, TI, TD可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化, 例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化, PID参数就可以重新整定[4]。

燃烧控制系统应用先进的燃料-空气双交叉限制燃烧控制方式, 当升负荷时, 先加燃料后加风;当降负荷时, 先加风后加燃料, 并且燃料和风互相限制, 使燃烧过程无论在稳态工况或变工况下, 剩余空气系数始终控制在理想范围内, 把燃烧过程控制在低氧燃烧区。

4监控系统的画面及功能设计

控制界面采用WinCC开发, 如图4所示。其功能有:对现场锅炉及管网的模拟量如温度、压力、流量、液位、含氧量等进行采集、处理并上传到上位机进行监控;对电动机、变频器的运行状态 (包括起动、停止、运行、故障等) 信号进行采集、处理并上传到上位机, 操作员通过对系统运行状态的判断进行相应操作;上位机中要求有运行数据的实时显示、现场工艺画面, 还要求有报表、趋势图、报警纪录、PID参数设定、等功能, 同时还能按照控制锅炉系统的运行工艺对下位机实现全部控制。

在监控过程中, 不断地采集现场的实时数据, 并对这些数据进行归档、分析和处理。在WinCC资源管理器的变量记录组态中, 可以设置周期性归档的变量和非周期性归档的变量。这些变量记录数据存贮于变量记录数据库中, 可在监控画面中组态、显示。显示方式有两种:数据表格显示和曲线显示。无论是表格显示还是曲线显示, 系统均提供了方便的查询工具, 可以根据需要查寻不同时间段的监控数据。图5和图6给出4#锅炉炉膛负压和炉膛温度的曲线图。

5结论

结合工业锅炉系统实际监控要求, 提出了一种基于现场总线技术与PLC控制技术相结合的远程监控方案。PID控制器中引入鼓风量作为前馈补偿, 以使引风量能迅速跟随鼓风量的变化, 使炉膛负压保持在允许范围, 实现了对锅炉燃烧系统的自动控制。同时该监控系统具有先进性、开放性、成本低等特点。控制室的人机界面能显示各种运行状态参数和故障信息以及系统参数, 具有内容丰富、操作简便等优点。该控制系统自投运以来, 运行效果较好。

摘要：随着现代化工业的飞速发展, 对能源利用率的要求越来越高, 由于工业锅炉在生活中使用广泛, 其控制和管理要求也越来越高。介绍了两台供暖锅炉控制系统的DCS系统设计, 控制系统运用PLC实现整体控制, 运用变频器调节鼓风、引风和炉排电动机, 运用工业计算机实现上位机监控, 利用PLC的PID功能, 对锅炉系统采用先进的控制技术, 不仅能够实现安全生产的目的, 还能够节煤节电并能使排放更环保, 具有很好的市场发展空间和投资收益前景。

关键词：锅炉,分散控制系统,PLC,WinCC

参考文献

[1] 佟亮, 赵肖宇, 黄操军, 等.模糊PID 控制在锅炉燃烧系统中的应用.信息技术, 2006;6:55—57

[2] 张绍娟, 吕淑菊.35 t/ h 锅炉PLC 热工监控系统设计.热能动力工程, 2003;9 (18.5) :532—534

[3] 张雪平.PLC在锅炉风机控制中的应用.微计算机信息 (测控自动化) , 2005;21 (6) :42—43

DCS系统与PLC系统优缺点分析报告 篇9

设备的运行状态和性能参数对于设备的管理和维护至关重要,它能够帮助维修人员对设备的运行状况进行准确判断,进而合理安排设备运行时间、制定维修方案。但是设备的运行状态和性能参数一般包含于生产管理系统DCS之中。若能将MAXIMO与DCS通过一定方式联通起来,使MAXIMO能够从DCS上实时获取设备运行数据,进而将这些数据用于设备状态监测和维修策略的制定中去,将使设备的管理与维护实现精确化,并在一定程度上实现自动化。

1 MAXIMO系统与DCS系统简介

MAXIMO系统是一种EAM(Enterprise Asset Management,即企业资产维护管理)系统[1]。EAM是面向资产密集型(Asset-intensive)企业的企业信息化解决方案的总称,主要适用于资产密集型企业对高价值固定资产的维护、保养、跟踪等信息管理。它以提高资产可利用率、降低企业运行维护成本为目标[2],以优化企业维修资源为核心,通过信息化手段,合理安排维修计划及相关资源与活动,从而提高企业的经济效益和企业的市场竞争力。MAXIMO的关键用户是设备管理与维护人员。

DCS是分布式控制系统(Distributed Control System)的英文缩写,所谓的分布式控制系统是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统,是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统,综合了计算机、通信、显示和控制等技术,其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。DCS应用的好坏是生产装置安、稳、长、满、优运行的重要因素。DCS的关键用户是生产操作人员。

2 DCS与MAXIMO的联通

站场设备的运行状态和运行时间以及测量仪表的值等信息通过DCS汇集起来,出于对DCS系统稳定性的考虑,DCS不直接与别的系统或网络连接,当调用DCS数据时,需要一个中间的服务器作为缓冲,在这里采用的是OPC服务器。

OPC[3]数据信息访问技术规范通过OPC服务器描述了OPC COM部件对象和接口的运行情况。通过一个或者多个软件供应商所提供的OPC驱动程序和一个OPC客户应用程序能够连接到OPC服务器。软件供应商提供的程序代码决定了每个服务器所能够访问的过程控制设备和数据信息,以及服务器怎样访问物理控制设备数据信息的详细内容和数据名称。OPC数据信息访问技术规范已明确规定,一个OPC服务器组态地址空间利用IpersistFile对象接口可进行管理和持续性的存储。所有OPC客户应用程序组态数据信息(组和项目定义)必须通过各自的客户应用程序进行持续性的存储。

图1为DCS与MAXIMO联通的网络拓扑结构图。

根据DCS系统提供的OPC服务器端应用程序,开发出了OPC的客户端,用以读取OPC服务器端的数据。此客户端不仅可以查询到某一测点的实时数值,还可以通过实时曲线图将一段时间内的数据变化情况反映出来。同时还支持将DCS测点导出成文本文件,方便查看。图2为OPC服务器客户端界面。

通过OPC接口读到的DCS数据可以保存起来,以便用户通过MAXIMO系统在网页中查看所需要的数据。为此,开发了一个单独的程序,将所需要的数据插入到数据库中。由于DCS传输过来的数据量很大,如果时间太长,积累的数据太多会影响系统的运行速度。因此,这里不直接将数据插入到应用程序服务器的数据库中,而是专门建立了一个DCS数据库,通过筛选,将数据再次过滤后传入应用程序服务器的数据库。建立数据库后,应定期清理一些冗余数据,尽可能地避免应用程序服务器数据库因为数据量太大而影响系统的运行速度。事先将所需要的测点号以文本格式保存好,将该文本文件导入程序中,程序会自动执行将该文本中测点的实时数值保存到数据库中;若数据插入失败,则会有提示信息(如测点号格式不正确等)。图3为DCS数据实时读取与存储界面。

DCS数据已存储在数据服务器后,如需要在MAXIMO系统中查看这些信息,只需将相应的数据转移到应用程序服务器的数据库中即可。这样既可以实现在MAXIMO系统中查看、处理数据,又不会因为数据量太大而影响系统的运行速度。

3 DCS数据在MAXIMO中的应用

在MAXIMO系统中,通过对DCS数据的处理,主要实现了3种功能:(1)测点数据的查看分析;(2)根据设备运行时间生成维护工单;(3)数据超值报警等。

3.1 测点数据的查看

DCS数据查询可以查看某一测点的历史数据以及在某一时间段内的数据变化折线图,同时还可以与其他测点以图形化的方式作比较,可以更直观地查询分析数据变化趋势。在设置读数频率的时候,需要考虑数据库的承受能力和可能对系统运行产生的影响。将频率设置为0.5s刷新一次或1s刷新一次的时候,系统在运行一周之后速度会有较大的延迟,特别是在打开DCS界面的时候,反应时间最长时可达3min。经过多次试验,最终确定的频率为30s刷新一次,这样既不会使测得的数据产生较大误差,也可以将因数据量过大对系统运行产生的影响降到最低。图4为查询到的点数据。

3.2 根据设备运行时间生成维护工单

在设备运行状态参数设置里将DCS测点号填写完整,即可查看由DCS收集的信息,其中包括设备运行状态和运行时间,还可以设置PM(预防维修)触发频率,即每隔一定的时间就会触发设备预防性维护工单。系统本身会在每天的零点对系统进行一次扫描,若达到系统设定好的预防性维护日期,就会自动生成预防性维护工单,触发预防性维护任务。但系统扫描的累积时间是由系统本身计算的自然日,还不能精确到时。但一些重要设备的预防性维护需要根据实际的运行时间来确定,这就需要将从DCS取得的设备运行时间的数据与预防性维护融合在一起。通过修改程序源文件,在不影响系统本身架构的情况下,系统会自动扫描DCS传过来的设备运行时间数据,将其与设定值相比较,如果达到设置的触发值,即会自动产生预防性维护工单,见图5。

3.3 数据超值报警

设备在运行过程中随时会出现故障,随时发现或提早预知并处理这些故障可以很大程度地减少设备的故障性维修。通过仪表监测设备运行,可以采集到一些设备运行的状态参数,例如温度、压力、振动、液位等。MAXIMO系统的DCS报警管理,可以在DCS测点管理中设置报警值,当DCS数据传输过来的时候,系统会将需要进行比对的测点数据摘录出来并与系统本身设定的报警值进行比对,当数据值达到报警范围时,会产生报警信息,在用户登录的启动中心界面显示出来,提醒相关人员及时处理。数据超值报警界面见图6。

4 结论

MAXIMO系统与DCS相结合实现了生产系统与设备管理和维修系统的融合,方便了检修人员对设备的监控,极大地提高了设备维修的水平。但是,受制于数据传输方式,两系统间的数据传输速率还不理想,针对单点数据的传输频率还较低,MAXIMO系统对传输数据的功能应用还有待增加。若能从两系统的基本构架着手,实现二者的有机结合,实现生产、检修全面融合,将会极大地提高系统的运行可靠性。

参考文献

[1]王晓峰.MAXIMO软件在油田设备维修管理中的应用浅析[J].数字技术与应用,2011(8):140-142.

[2]张琨,葛利宏.MAXIMO平台下电气工作票系统的实现方式[J].内蒙古电力技术,2009(1):13-19.