6ES7332-7ND02-0AB0型号规格
随着化工自动化技术的不断发展，集散控制的思想越来越广泛地被广大自动化工程技术人员所青睐，并正在逐渐被应用于新建、扩建和技改项目中。但传统的集散控制系统一般由厂家生产，具有一定的专有性；另外传统的集散控制系统一般来讲其控制规模比较大，成本费用比较高；因此限制了在中小规模的自控系统项目中的推广应用。那么如何在中小规模控制系统中实现集散控制的思想呢？带着这一问题，笔者在阅读了大量技术资料的基础上对现有DCS和PLC的控制系统进行了总结对比，提出了在中小规模化工项目中用PC +PLC构成DCS的思想，并在贵州宏福实业开发有限总公司年产80万吨重钙装置改磷铵的技改项目中的液氨储运工段成功地得到了应用。
1.用PC和PLC实现集散控制（DCS）的基本原理
集散控制的基本思想是集中管理，分散控制。即：将流程工业的自动控制过程与操作管理人员对自动控制过程的管理过程相对分离；流程工业的自动控制过程由各控制站相对独立地自动完成，而操作人员对自动控制过程的管理则由中央控制室的操作站来完成。中央操作站与各现场控制站一方面各自相对独立地运行，从而将各种故障限制在局部范围内，极大地**了自动控制系统总体的安全性和可靠性；另一方面又相互进行实时数据通讯和信息交换，实现了操作人员在中央控制室的操作站对整个自动控制过程进行管理和调整。
现场控制站的主要任务是实现对生产过程的自动控制，因此它必需要能够自动采集全厂的各种工艺参数（如各种工艺介质的温度、压力、**、粘度、组分，物位高度等）以及设备的运行状态（如阀门的开度、机泵的开停、设备震动、机械位移）等生产信息，然后按照事先编好的控制程序进行大量的数值计算，后输出4~20mA标准模拟信号（或ON/OFF数字信号）去驱动各种阀门、电机等执行机构，调节各种工艺参数，实现生产过程的自动控制；另外还要与操作站进行实时通讯，将采集到的各种生产信息传送到操作站供操作人员使用，同时接收操作人员通过操作站发出的各种指令实时调整自动控制方案、优化生产过程。因此它还需要具有标准化的通讯接口。目前的各种PLC均具有这样的功能，而且其容量弹性大，扩充方便，控制方案的组态简单易学，性能价格比优越，因此是中小型DCS的操作站的理想选择。
中央控制室的操作站实际上是一个人机界面，一方面把控制站采集的各种生产信息进行加工处理，然后以操作人员所习惯和熟悉的各种流程画面、生产报表、历史趋势和声光报警等形式提供给操作人员。另一方面把操作人员的各种指令进行编码后传送给操作站对控制方案进行调整，以优化生产过程或对特殊情况的紧急处理。对中小型DCS来讲，目前市面上比较流行的各种监控软件均能实现这样的功能，且对计算机的硬件和操作系统无特别要求，用普通的PC机加一套监控软件就可实现。
用PC机+PLC组成集散控制系统时，PLC承担了现场控制站的工作，PC机承担了操作站和工程师站的工作。在安装有PLC系统软件的PC机上可以离线（或在线）编辑PLC的控制应用软件（一般称为梯形图），控制应用软件下载到PLC后，PLC独立完成现场数据采集、逻辑控制、模拟控制等。而操作站的各种功能都可以通过“实时监控软件”+“PC机”来实现，在安装有实时监控软件的PC机上可以方便对生产过程进行监控。
2.用PC和PLC实现集散控制（DCS）一例
2.1.工艺过程简介：
液氨储运工段是贵州宏福实业开发有限总公司年产80万吨重钙装置改磷铵的技改项目中的重要组成部份，设计卸氨能力250吨/小时，罐区缓冲能力9000吨。氨在常温常压下为气体，易燃、易爆、有毒、有害；液氨储运工段是总公司的高危区之一，安全生产是本自动控制系统应考虑的重点。
2.2.控制系统概况：
为**生产的安全性，在本控制系统中对重要的工艺参数点采取了“3取2表决”的策略，并设计了21个自动连锁回路，对生产过程进行连锁保护；为保证生产过程的平稳运行和节能降耗，系统设计了6个调节回路。为便于监控和操作，在操作站设计了一幅流程画面总貌图，集中显示了与安全生产密切相关的一批工艺参数、设备运行状况态和报警信息；对其它化工单元操作过程设计了相关的局域流程画面，全面地显示了与其相关的各种详细生产信息；根据操作人员的习惯，在操作站设计了4组组画面，分别集中显示温度、压力、**和液位信号；对6个调节回路分别设计了调节画面，实现对PID参数的整定、手自动模式的切换以及对调节阀门的手动操作；对21个主要阀门分别设计了弹出式开关画面，实现对生产过程的自控或遥控；对主要工艺参数设计了历史趋势图，为故障诊断和优化控制提供了数据。为确保安全生产，实现对紧急事故的应急处理，对6个调节器回路加装外部自动跟踪调节器，一旦出现控制系统故障，自动切换到跟踪调节器独立于DCS来控制调节阀；对21个主要阀门加装应急处理按钮，独立于DCS实现对阀门的强制开关。
2.3.硬件配置：
控制站选用OMRON的C200型PLC，配置了数字模块（OD211/ ID212）9块，模拟模块（AD003）4块，调节模块（PID03）3块；操作站选用DELL OPTIPLEX GX150计算机；工程师站选用COMPA型PC机。构成图如下：
图1 硬件配置
2.4.控制站软件组态：
控制站的组态用OMRON的系统软件SSS作为技术平台，用梯形图作为编程工具，其组态内容主要有：
2.4.1.PLC内部地址的分配：
I/O地址的分配：PLC的I/O地址是PLC与现场检测设备、执行机构进行数据通信的唯一的一一对应的寄存器地址，I/O地址的分配是对PLC进行进一步组态的基础；对OMRON-C200而言，I/O地址与所连接的I/O模块有关；连接到数字模块上的现场设备，其I/O地址取决于I/O模块的安装位置和在该模块上的点号，连接到模拟模块、PID模块上的现场设备，其I/O地址取决于I/O模块的单元号（不同的模块应通过模块的硬开关设置不同的单元号）和在该模块上的点号；比如在本系统配置中，现场的雷达液位变送器LT-101输出的4~20mA的模拟信号连接在单元号为3的模拟输入模块AD003的第二点上，则它在PLC中的配置的地址便是IR：132；而阀门HV120的关闭状态信号（closed）连接到安装在的扩展机架第二槽的数字输入模块ID212的第十点上，则它在PLC中的配置的地址便是IR：01210；本系统中，共定义I/O地址142点。
操作站与控制站数据交换地址的分配：操作站与控制站的数据通信是通过读写PLC的内部寄存器来完成的，为了实现操作站与控制站的实时通讯，还必须为PLC配置足够的内部寄存器地址来存贮这些数据；比如，定义DM0232作为操作站与控制站交换LT－101的数据的内部寄存器，则PLC把采集到LT－101的液位信号经过预处理后存贮在DMO232，而操作站则到PLC的DM0232读取LT－101的数据来建立自己的数据库；本系统中，共定义此类地址184点。
中间地址的分配：PLC在运行过程中，还需要大量的中间寄存器来存放那些运算过程中的临时数据，为**应用程序的可读性，也必须对这些寄存器进行必要的定义和注释。
2.4.2.为控制策略编写梯形图
自动调节：本系统中选用3个PID03模块组成6个调节回路来完成生产过程的自动控制，为了方便操作人员在操作站对控制过程的管理，PID03的SW2应设置为ON，并编写相应梯形图以实现PLC与PID03的数据交换，比如：调节回炉PIC111由单元号为5的PID03的第二回路完成，当执行图2所示一段程序后，PLC中地址DM0060中的数据就被定义为调节回路PIC111的给定值。
图2 为PIC111写设定值
三取二表决：为保证安全生产，常压罐的压力必须控制在规定的范围内，每升高（降低）到一定范围时，就必须启动（停止）相应的设备；为此，在现场用三块压力表来测量其压力，PLC中对三个压力进行比较，只有三块中的二块同时具备条件时，连锁才动作；在编写梯形图时，采用比较指令、再加上与、或、非等逻辑指令就可实现此控制策略。（梯形图略）
连锁保护：梯形图与电气连锁逻辑图非常相似，I/O地址确定以后，为连锁保护编写梯形图既操作简单又可读性强。为保护设备和生产安全，本系统共编写连锁回路21个。（梯形图略）
2.4.3.I/O模块的设置与校正：
梯形图编写完成以后，还必须对I/O模块进行必要的设置和校正，PLC才能正常工作；模拟模块应设置与现场设备相对应的输入信号种类和对输入信号的预处理方法，还应对零点和量程进行校正；PID模块除了对输入信号种类、输入信号的预处理方法进行设置外，还要对PID模块存储区的内容及其修改方式、调节回路设定值的修改方式、PID的控制作用及其控制方式等内容进行设置。
2.5.操作站软件的组态：
操作站的组态选用INbbbLUTION的系统软件FIX32作为技术平台：其主要内容包括：系统配置、建立数据库、绘制流程图、定义历史趋势和报表等。
系统配置在本系统中实际上就是在PC机上安装FIX系统，其主要内容是定义FIX系统的安装目录，安装接口设备驱动程序配置SCADA系统，配置报警系统，配置网络等。FIX提供有庞大的I/O接口设备驱动程序库，本系统配置控制站为OMRON的PLC，因此要选择安装I/O驱动程序OMR.drv和OMRON的PLC进行通讯。
建立数据库：数据库是SCADA系统赖以工作的基础，它由一系列数据点构成，每个数据点实际上就是一个功能块，FIX提供了各种功能块以满足不同的需要，这些功能块或对接口设备读写数据，或对数据进行运算和报警处理。在数据库中建立一个数据点就是定义一个功能块，其内容包括：功能块类型，数据点的位号、注释、零点、量程，接口设备，I/O地址，数据的格式，报警上、下限等。如：在数据库中添加一个AI模块，在其属性对话框中定义：“位号”为“LT-101”，“描述”为“缓冲球罐F0101A液位”，“接口设备”为“OMR”，“I/O地址”为“D：DM：232”，“数据的格式”为“12AL”，“零点”为“0”，“量程”为“17”，“单位”为“M”；则在数据库中便建立了一个数据点LT-101，它读取PLC中地址为DM0232的寄存器中的数据（0 -4095），并转换为0-17M的数据供FIX其它功能块和流程图调用。
绘制流程图：流程画面实际上是一个人机接口，操作人员就是通过流程画面来了解和控制生产过程的，所以流程画面既要信息全面，又要简单扼要。FIX系统提供了bbbbbbS风格的绘图工具和相关控件，可以很方便地绘制多种动态画面来满足操作人员的要求。比如：在流程画面中，为了形象地显示缓冲球罐F0101A的液位，只需在其图形的动态特性对话框中选中动态填充属性，定义其填充色的高度随“位号”为“LT-101”的数据的大小而变；为了准确地显示该液位的实际高度，可在该球罐图形旁边定义一个动态数据连接，连接到“位号”为“LT-101”的数据点；为了直观地显示各种阀门的工作状态，在其图形的动态属性对话框中选中动态颜色变化，阀门关显示静止的红色，阀门开显示静止的绿色，阀门关出现故障显示闪烁的红色，阀门开出现故障显示闪烁的绿色；为了快速控制阀门，把它的弹出式开关画面连接到其图形上，只需用鼠标单击其图形，即弹出开关画面，实现流程画面上的对象所见即所得。
定义报表：考虑到总公司已推行电子化办公，各种报表均设置为定时保存到文件，操作人员可以根据需要随时调用，并随着办公自动化的推行，与企业内部管理网连网，通过WEB页浏览和调用。
该控制系统投用2年多来，性能稳定、运行可靠，界面友好，操作简单，维护工作量很小，受到了操作和维护人员的欢迎；投用后，根据技改工作需要又进行了2次扩容均未影响正常生产，实践证明PC+PLC构成DCS，系统配置灵活、软件组态简单，便于自行设计和调试，性能价格比优越，系统扩展容易且维护工作量小，是企业进行技术改造和中小型生产过程的自控系统。
在传统的自动化工厂中，位于生产现场的许多设备和装置，如：传感器、调节器、变送器、执行器等都是通过信号电缆与计算机、PLC相连的。当这些装置和设备相距较远、分布较广时，就会使电缆线的用量和敷设费用大大地增加，造成了整个项目的投资成本增加、系统连线复杂、可靠性降低、维护工作量增大、系统进一步扩展困难等问题。因此人们迫切需要一种可靠、快速、能经受工业现场环境、低廉的通信总线，将分散于现场的各种设备连接起来，实施对其监控。现场总线（Field Bus）就是在这种背景下产生了。
1 现场总线的概念
根据国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF（Fieidbus Foundation）的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通讯网络。也就是说基于现场总线的系统是以单个分散的，数字化，智能化的测量和控制设备作为网络的节点，用总线相连，实现信息的相互交换，使得不同网络，不同现场设备之间可以信息共享。现场设备的各种运行参数状态信息以及故障信息等通过总线传送到远离现场的控制中心，而控制中心又可以将各种控制、维护、组态命令又送往相关的设备，从而建立起了具有自动控制功能的网络。
现场总线的节点是现场设备或现场仪器，但不是传统的单功能的现场仪器，而是具有综合功能的智能仪表。例如，温度变送器不仅具有温度信号变换和补偿功能，而且具有PID控制和运算功能；调节阀的基本功能时信号驱动和执行，另外还有输出特性补偿、自效验和自诊断功能。现场设备具有互换性和互操作性，采用总线供电，具有本质安全性。
现场总线不仅是一种通信技术，也不仅是用数字仪表代替模拟仪表，关键是用新一代的现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）代替传统的集散控制系统DCS（Distributed Control System），实现现场通信网络与控制系统的集成。
2 现场总线的发展
现场总线始于20世纪80年代，到90年代其技术日趋成熟，并受到世界各自动化设备制造商和用户的广泛关注。它成为自动化技术发展的热点，并导致自动化系统结构与设备的深刻变革。
一般把控制系统的发展分为五代。
1) 代控制系统：50年代前的气动信号控制系统PCS。
2) 第二代控制系统：4~20mA等电动模拟信号控制系统。
3) 第三代控制系统：基于数字计算机的集中式控制系统。
4) 第四代控制系统：70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS。
5) 第五代控制系统：以开放性、分散性与数字通信为特征的现场总线控制系统FCS。
PLC的生产商也将现场总线技术应用于各自的产品之中，构成工业局域网的底层，使得PLC网络实现了真正意义上自动控制领域发展的一个热点，给传统的工业控制技术带来了有一次革命。
3 现场总线的主要特点
1) 全数字化通信：采用现场总线技术后只用一条通信电缆就可以将控制器与现场设备（智能化的、具有通信口）连接起来，**了信号传输的可靠性。
2) 系统具有很强的开放性：这里的开放是指对相关标准的一致性和公开性，用户可按自己的需要和对象，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。
3) 具有强的互可操作性与互用性：实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信，不同生产厂家的性能类似的设备可以进行互用。
4) 现场设备具有智能化与功能自治性：它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。
5) 系统结构的高度分散性：由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中于分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构。
6) 对现场环境的适应性：工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境工作而设计的，它可支持多种转输介质，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送点与通信，并可满足本质安全防爆要求等。
4 几种主要的现场总线协议及其特点
现场总线发展的初，各个公司都提出自己的现场总线协议，如AB公司的DeviceNet、TURCK公司的Sensoplex、Hpneywell公司的SDS、Phoenix公司的InterBus-S等。经过十几年的发展，现场总线的协议逐渐趋于统一。针对制造业自动化，DeviceNet在北美和日本用得比较普遍，PROFIBUS-DP在欧洲用得比较普遍。针对过程自动化，PROFIBUS-PA和Foundation Fieldbus占据大部分市场。其他的总线协议如ASI、InterBus-S、Sensoplex在某些特殊的领域也有一些市场。
下面介绍几种主要的现场总线协议及其特点。
1) PROFIBUS
PROFIBUS是在1987年，由德国科技部集中了13家公司和5家科研机构的力量，按照ISO/OSI参照模型制订的现场总线的德国国家标准，并已成为欧洲标准EN50170，主要由拥有400多个公司成员的PROFIBUS用户组成（PNO）进行管理。
PROFIBUS有3部分组成，即PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-DP及PROFIBUS-PA。
2) DeviceNet
DeviceNet（设备网）是一种低价位的总线，初由AB公司设计，现在已经发展成为一种开放式的现场总线的协议，可连接自动化生产线系统中广泛的工业设备。它的管理组织ODVA由全球多家公司组成，提供设备网的产品、支持设备网规范的进一步开发。
DeviceNet能够降低设备安装的费用和时间。控制系统中的接近开关、光电开关和阀门等可通过电缆、插件、站等产品进行长距离通信。并且能够**设备级的诊断能力。相对于PROFIBUS-DP，DeviceNet具有更强大的通信功能，支持除了主-从方式之外的，多种通信方式，可以更灵活地应用于控制系统中。
3) Foundation Fieldbus
过程控制现场总线Foundation Fieldbus（基金会现场总线）是针对过程自动化而设计的，它是通过数字、串行、双向的通信方法来连接现场装置的。Foundation Fieldbus通信不是简单的数字4~20mA信号，而是使用复杂的通信协议，它可连接执行简单的闭环算法（如PID）的现场智能装置，一个通信段可配置32各现场装置。
4) LonWorks
LonWorks（Local Operating Network）由美国Ecelon公司推出，它采用了ISO/OSI模型的全部七层通信协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率从300bit/s至15Mbit/s不等，直接通信距离可达2700m（78kbit/s，双绞线），支持双绞线、同轴电缆、光线、射频、红外线、电源线等多种通信介质，被誉为通用控制网络。
5) CAN
CAN是控制网络Control Area Network的简称，早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。
CAN协议也是建立在组织的开放系统互连模型基础上的，但其模型结构只有三层：OSI底层的物理层、数据链层和顶层的应用层。其信号传输介质为双绞线，通信频率高可达1Mbit/s/40m，具有较强的抗干扰能力。
6) HART
HART是Highway Addressable Remote Transduer的缩写。早由Rosemout公司开发并得到80多家仪表公司的支持。HART通信模型也是由三层组成：物理层、数据链路层和应用层。物理层采用了FSK（Frequency Shift Keying）技术，在4~20mA模拟信号上叠加一个频率信号，数据传输速率为1200bit/s，逻辑“0”的信号频率为2200Hz，逻辑“1”的信号传输频率为1200Hz。
5 PROFIBUS简介
各类现场总线协议具有各自的特点及应用领域，为进一步说明现场总线技术的特点，以下对PLC系统中应用较广泛的PROFIBUS作一简要介绍。
5.1 PROFIBUS的组成
PROFIBUS主要由三个相互兼容的部分：PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA和PROFIBUS-DP组成。
1) PROFIBUS-DP（Distrbuted Periphery）：一种高速（数据传输速率9.6kbit/s~12Mbit/s）、经济的设备级网络，主要用于现场控制器与分散I/O之间的通信，可满足快速响应的时间要求；位于这一级的PLC或工业控制计算机可以通过PROFIBUS-DP同分散的现场设备进行通信。
2) PROFIBUS-PA（Process Automation）：它是专为过程自动化所设计的协议，可用于安全性要求较高的场合。
3) PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification）：可以用于车间级监控网络，FMS提供大量的通信服务，用以完成中等级传输速度进行的循环和非循环的通信服务。对于FMS而言，它考虑的主要是系统功能而不是系统响应时间。FMS服务向用户提供了广泛的应用范围和更大的灵活性，通常用于大范围，复杂的通信系统。
5.2 PROFIBUS协议结构
PROFIBUS协议以ISO/OSI参考模型为基础，层为物理层，定义了物理的传输特性；第二层为数据链路层；第三层至第六层PROFIBUS未使用；第七层为应用层，定义了应用的功能。
PROFIBUS-DP使用了ISO/OSI通信标准中的及第二层（即物理层和数据链路层）和用户接口层。第三层到第七层未使用，这种的精简的结构确保高速数据传输。直接数据链路映像程序（DDLM）提供对第二层的访问。在用户接口中规定了PROFIBUS-DP设备的应用功能，以及各类型的系统和设备的行动特性。这种为高速传输用户数据而优化的PROFIBUS协议特别适用于PLC与现场级分散的I/O设备之间的通信。
PROFIBUS-DP物理层与ISO/OSI参数模型的层相同，采用EIA-RS485协议，如图1所示。
图1 RS485总线段结构图
图1中两根数据线通常被称为A线和B线，分别对应RXD/TXD-N和RXD/TXD-P信号。根据数据线传输速率的不同，可选用双绞线和光纤两种传输媒体。
PROFIBUS采用了统一的介质存取协议，由OSI参考模型的第二层来实现，并提供了两种基本介质存取控制方式：令牌总线和主从方式。其中令牌总线与局域网IEEE8024协议一致，主从方式的数据链路协议与局域网标准不同，它符合HDLC中的非平衡正常响应模式（NRM）
HDLC中的非平衡正常响应模式的工作特点是：总线上一个主站控制着多个从站，主站与每一个从站建立一条逻辑链路：主站发出命令（Command），从展给出响应(Respond)，主站与从站间传输帧的格式如图2所示。从站可以连续发出多个帧，直到无信息发送、达到发送数量或被主站停止为止。数据链路中帧的传输过程分为三个阶段：数据链路建立、帧传输和数据链路释放。
图2 主站与从站之间传输帧的格式
对图2的各项说明如下。
1) F为帧标志字段（8位）
2) A为从站地址字段。
3) C为控制字段，表示帧类型、编号、命令和控制信息。该字段将HDLC帧分为3种类型：信息帧（I）、监控帧（S）、和无编号帧（U）。其中信息帧用于应用数据（Useful Date）的传输并捎带应答；监控帧用于监视链路上的正常操作，对链路状态做出各种响应（如认可帧、请求重传或暂停等）；无编号帧（不含信息字段）用于传输各种无编号命令和响应，例如建立链路工作模式，释放链路及报告特殊情况等
4) 信息字段由PKW和PZD两部分构成。PKW（bbbbbeter ID）用于读写参数值，如写入控制字或读出状态字等，一般为4Byte长；而PZD（Process Date）用于存放控制器的具体控制值，设置站点或状态字的参数，一般为2~10Byte长。
5) FCS是帧校验字段，它对整个帧的内容进行循环冗余码（CRC）校验。该HDLC帧长可达24Byte。
PROFIBUS-DP并未采用ISO/OSI的应用层，而是自行设置了一个用户层，即用户接口。该层定义了DP的功能、规范与拓展要求等。
，PROFIBUS是一种国际化的、开放的、不依赖与设备生产商的现场总线标准，在制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他自动化领域。特别是，PROFIBUS在满足实时性方面有更大的特点，PROFIBUS-DP的实时性远高于其他局域网，因而特别适用于工业现场。
PROFIBUS在我国的应用也较为广泛。2001年11月，PROFIBUS现场总线成为中华人民共和国机械行业标准JB/T10308.3-2001。