PLC在现场总线中的应用

PLC在现场总线中的应用

近些年来，计算机控制以及被迅速地推广和普及，相当多的企业已经在大量地使用各种各样的可编程设备，例如工业控制计算机、PLC、变频器、机器人、数据机床、柔性制造系统等。有很多企业已经显示了全车间或者全厂的综合自动化，即将不同厂家生产的可编程设备连接在单层或多层网络上，相互之间进行数据通信，实现分散控制和集中管理。因此通信与网络已经成为了控制系统不可缺少的重要组成部分。而PLC作为其中的一部分也是有它重要地位的。

IEC（国际电工委员会）对现场总线的定义是“安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串式、多点通信的数据总线称为现场总线”。它是当前工业自动化的热点之一。现场总线以开放的、独立的、全数字化的双向多变量通信代替0-10mA或4-20mA现场电动仪表信号。现场总线I/O集检测、数据处理、通信为一体，可以代替变送器、调节器、记录仪等模拟仪表，它步需要框架、机柜、可以直接安装在现场导轨槽上。现场总线I/O的接线极为简单，只需要一根电缆，从主机开始，沿数据链从一个现场总线I/O连接到下一个现场总线I/O。使用现场总线后，自控系统的配线、安装、调试和维护等方面的费用可以节约2、3左右，现场总线I/O与PLC已经组成廉价的DCS系统，因而如果将PLC和现场总线结合起来使用，操作员可以在中央控制室实现远程监控，对现场设备PLC等进行参数的调整，还可以通过现场设备的自诊断功能预测故障和寻找故障点。

进入九十年代以后，计算机技术突飞猛进，更多新的技术被应用到了DCS之中。PLC是一种针对顺序逻辑控制发展起来的电子设备，它主要用于代替不灵活而且笨重的继电器逻辑。现场总线技术在进入九十年代中期以后发展十分迅猛，以至于有些人已做出预测：基于现场总线的FCS将取代DCS成为控制系统的主角。

PLC (可编程序控制器) 系统的特性如下：

a. 功能丰富。当今的PLC 已不局限于完成顺序逻辑控制功能, 多数的PLC 已采用了通用的高性能处理器(如Pen t ium、A lpha 处理器等) , 采用多任务操作系统, 在保证快速完成顺序逻辑运算的前提下普遍增加了回路调节功能和代数计算功能等。

b. 网络功能增强。过去的PLC 一般只具备慢速的通信功能, 如RS232、485, 多采用Modbu s 协议,通信速度一般在几kbp s 到几十kbp s 之间, 目的是将系统的控制状态和设备的运行状态传给监控设备, 供操作员检视或将操作员的修改指令传递到PLC。当今的PLC 都提供了高速的通信网络(如Ethernet 等) , 大大拓展了PLC 的应用领域。

c. 编程逐步标准化。随着工业的向前发展, PLC已经应用在越来越多的领域, 很多厂家都推出了各自的PLC, 随着DCS 逐步开放, PLC 也必然逐步开放。在开放方面最大的进步是PLC 编程语言的标准化。目前一般PLC 厂家大多遵循IEC1131- 3标准,该标准定义了5种不同的编程语言, 即梯形图、顺序功能图、功能块图、结构文本语言和指令表。 d. 模块微型化。目前PLC 厂家为了加强产品的竞争力, 除提高性能和网络功能外, 另一显著的特点就是模块小型化, 进一步降低价格。如Om ron 推出了一种只有一叠扑克牌大小的小型PLC; AB 公司生产了有8点的I?O 模块, 体积也很小; Siem en s公司最近推出的S7系列PLC 模块也已经做到了体积小型化。PLC 在电站中的应用已经非常广泛, 在湖南石门电厂一期工程中, 除吹灰程控、除灰除渣系统、化学补给水系统等辅助车间使用了PLC 外, 汽机、锅炉的主要辅助设备控制也采用了PLC 来实现, 除了带一些大容量的接点采用了少量的接触器外, 基本上取消了继电器盘。这样既减少了继电器盘的数量和电子设备间的面积, 也减少了盘与盘之间的电缆连接, 提高了系统的可靠性。PLC 系统比DCS 在使用方面一个最大的优势就是它的O EM 销售方式,即PLC 厂家只提供PLC 硬件设备和逻辑编程工

具, 而具体的工程实现则是由系统集成商或用户自己实现。这样技术就很容易被用户掌握。

在石门电厂一期工程中, 硬件采用AB 公司的PLC, 而系统调试基本上都由火电公司调试班和中试所完成, 而DCS 厂家主要是采用交钥匙工程的应用方式。

DCS 和PLC 在例如火力发电厂的热工控制系统中已经得到了广泛的应用。目前在许多由DCS 来实现的功能如FSSS 系统已安全可以用PLC 系统来实现, 只要PLC 不断在以下几个方面加以改进, PLC完全有可能在功能上变成DCS:a. 加强CPU 的处理能力, 使PLC 的CPU 不仅可以实现顺序逻辑处理功能, 而且可以用多任务的实时操作系统同时实现模拟回路调节功能和复杂回路计算功能;b. 在关键部件(如控制器) 可以实现冗余配置;c. 采用实时性、确定性(如令牌总线和令牌环) 的冗余网络等。同样, DCS 系统也在逐步包容PLC 的功能, 如采用PLC 编程语言进行编程。PLC 和DCS 的实现功能越来越接近, 价格越来越接近, PLC 和DCS 之间的差别将会消失, 变成过程控制系统PCS (P rocess Con ro l System )。事实上现在这种产品已经出现, 如三菱公司最新推出的“Q ”系统就声称具有了PLC 价格的DCS 系统。

现场总线的系统结构简化, 设计、安装、投运到正常生产运行及检修维护, 都体现出了优越性:a. 节省硬件数量与投资。由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感控制报警和计算功能, 因而可减少变送器的数量, 不再需要单独的调节器、计算单元等, 也不再需要DCS 系统的信号调制板、隔离放大器、I/O 板、I/P转换器以及它之间复杂的接线。还可以用工控PC机作为操作站, 从而可节省一大笔硬件投资并减少控制室面积。并且有的PLC 已经可以支持快速的现场总线通信。采用现场总线技术比传统意义上的 DCS 可以减少许多I/O 卡。b. 节省安装费用和材料。现场总线系统的接线十分简单, 由于1对双绞线或1根电缆上可挂接多个设备, 因而电缆、端子、桥架的用量大大减少, 连线的设计与接头校对的工作量也减少。当需增加新的现场设备时, 无需新增电缆, 这既节省了投资, 又减少了设计、安装的工作量。目前DCS 的主要盘台都集中在电子设备间, 与现场信号的连接电缆很多,如采用现场总线控制系统, 电缆可减少1/ 3。c. 用户节省了维护费用, 掌握了高度的系统集成主动权。过去用户采用某种DCS 系统, 一旦出现某些功能块损坏, 就必须使用这一厂家的模板, 用别的产品会出现系统集成中不兼容的协议。而现在现场总线却让所有的设备厂家遵循一定的协议, 用户自己牢牢地掌握了系统的集成主动权。

自1973年提出第一台以微处理器为基础的控制器以来，它逐步完善，并最终形成功能齐全、安全可靠的数字式分散控制系统DCS。它的性能大大优于以住任何一种控制系统。可以满足火电厂DAS、MCS、SCS和APS各系统的各种要求，目前还可以通过工业以太网建立管理层网络，以满足火电厂呼声越来越高的加强管理的要求。可以这样说，DCS系统的监控可以复盖大型火电机组的工艺全过程。

但是，自从有了FCS，并于90年代走向实用化以来，不断有如下论点在公开刊物上发表，即：“从现在起，新的现场总线控制系统FCS将逐步取代传统的DCS”；“当调节功能下放到现场去以后，传统的DCS就没有存在的必要而会自动消失”；“今后十年，传统的4~20mA模拟信号制将逐步被双向数字通信现场总线信号制所取代，模拟与数字的分散型控制系统DCS将更新换代为全数字现场总线控制系统FCS”……。这些论点归纳为一句话：FCS将取代DCS，DCS从此将消亡。

上述论点皆出自于权威专家之口，确实不无道理。数字通讯是一种趋势，它代表了技术进步，是任何人阻挡不了的。双向数字通信现场总线信号制以及由它而产生的巨大的推动力，加速现场装置与控制仪表的变革，开发出越来越多的功能完善的数字智能现场装置。这些都是DCS系统所不具备的，而由此产生的优越性以及给火电厂的设计、配置、组态、运行、维护、管理等方面带来的效益也是DCS系统所不及的。再则，FCS是由DCS以及PLC发展而来，它保留了DCS的特点，或者说FCS吸收了DCS多年开发研究以及现场实践的经验，当然也包括教训。由此而得出结论，“FCS将取代DCS”，似乎也是顺理成章之事。

同时我们也应看到，DCS系统发展也近30年，在火电厂的应用如此广泛。它的设计思想、组态配置、功能匹配等已达十分完善的程度（当然，DCS也存在进一步发展的需求，例如高级软件开发，以满足信息集成的要求），已渗透到火电厂控制系统的各个领域，并且在FCS系统中也有些体现。从这个角度来看，DCS系统似乎不能说从此消亡。再则，从前面的章节叙述中已经谈到，对那些FCS系统不能充分发挥其特点及优越性的领域，DCS系统仍有用武之地。

所以，一定要强调谁取代谁。正如目前的DCS与新型的PLC，由于多年的开发研究，在各自保留自身原有的特点外，又相互补充，形成新的系统，现在的DCS已不是当初的DCS，同样如此，新型的PLC也不是开发初期的PLC。我们能够说是DCS取代了PLC或者说是PLC取代了DCS，显然都是不合适。只有在PLC运用到现场总线FCS中，这样的发展前景才能更大。

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