西门子6ES7216-2AD23-0XB8参数说明

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现阶段在许多仪表研究所或仪表检定单位，气体标准装置的控制部分是由以工控机为主的计算机系统组成，这种系统不仅所花费用大，而且在组成，使用，维修方面有许多不便。而PLC 系统则可以解决这些问题。本文通过比较计算机系统和PLC 系统在基于文丘里喷嘴的气体流量标准装置中应用，体现出PLC的优越性。同时给出PLC 在本套装置中的软硬件组态及各控制功能的实现过程。此方案已经在多个应用检测项目中实现。

引言

气体流量标准装置是检测气体流量仪表的计量测试设备。由于音速文丘利喷嘴具有结构简单、体积小、性能稳定、重复性好、精度高等优点,被作为气体流量传递标准,在国内外得到广泛的应用。在一些装置中，数据采集和控制功能一般由工控机,光电隔离卡块, 频率输人卡块, 开关量卡块,信号调理模块等组成的计算机系统完成。而上海工业自动化仪表研究所采取的数据采集和控制系统是由西门子公司提供的S7系列PLC组成。

1 气体流量标准装置的基本原理和控制要求

1.1基本结构

图1 气体流量标准装置基本结构图

基本结构组成如图1所示，从图1可知基于文丘里喷嘴的气体标准装置主要由检测和控制两部分组成。其中检测部分由被检表，文丘里喷嘴，真空泵，汇流罐，缓冲罐，温度变送器，压力变送器，试验管道，气动阀等组成。控制部分的实现主要是由西门子公司生产的S7-300,PC机，PROFIBUS-DP总线，RS-232,RS485总线等组成。

1.2 工作过程

装置开始工作时,打开真空泵，同时操作员在上位机中输入要测量的被检表流量值，此时PLC根据输入测量值自动打开相应的喷嘴开关阀。然后真空泵将空气由被检表的上游直管段入口吸入, 流过测试管段和被检流量计, 进入储气罐, 流经一定组合的临界流文丘里喷嘴后, 进入缓冲罐。当气体装置进入稳定状态后且喷嘴前后压力达到临界压比时，开始数据并记录在CPU里。在测试结束时计算出标准的累积流量，并与采集到的被检流量计的指示值进行比较和计算, 即可得到被检流量计的测量精度。

2 计算机采集系统和PLC系统的比较

在很多气体标准装置中，尤其是在*十年代，数据采集和控制部分是利用计算机系统来完成的，但是随着这几年PLC在各个领域的大量应用，他的优势越来越多地得到体现。在此套设备中，他的优势主要体现在如下几方面：

（1）硬件部分模块化。在一套气体标准装置中，由于涉及的点数比较多而且参数变量输入信号不定，所以计算机控制系统配备光电隔离卡块, 频率输人卡块, 开关量卡块, 高分辨率图象卡块,信号调理模块及端子等大量的比较琐碎的器件，如果点数越多，所需要的器件越多。而PLC有较多的，适应各种控制要求的功能模块可供选择,如果要实现一种功能只需插入一块模块即可。因此在现场工作性与通用性方面，PLC为好的选择。

（2）程序清晰明了且易上手。计算机系统编程需要人员的大量编程才能实现一些功能且程序不易修改。而PLC由专门的编程软件供使用，他结构化的编程语言，友好的编程环境让人可以在短的时间内完成比较繁琐的任务编程且可以很容易的修改程序，特别便于上手，同时由于内部采用了循环扫描的工作方式，程序性高。

（3）调试和模拟性强。由于PLC自带有模拟软件和组态软件WINCC，且模块的输出与输入接口都带有显示灯，这样就可以在设备安装前进行的模拟试验，可以避免由于程序的问题而导致设备受损。这一点是计算机系统所没法比拟的。

（4）现场总线的使用。由于本系统对现场采集的数据要求实时性较高，再加上现场需要采集的数据较多，所以如果采用计算机系统的话就会出现比较繁琐的布线和不统一。而采用PLC系统支持的PROFIBUS总线，效果就不一样了。PROFIBUS总线可以把所有的采集变送器连接起来，使数据的采集加及时，准确，结构名了和容易控制。

（5）扩展能力强。PLC的硬件部分是由几部分模块组成的，如果要实现什么其他的功能只需增加模块即可方便的扩展。而计算机系统在扩展中可能要增加很多元器件，甚至是变动系统的整体。从这点看PLC有利于扩展。

（6）标准化强且维修方便。PLC的软件和硬件部分都已标准化，不同的人可以在其他人做的基础上进行改动和扩展。这样就给未来的扩展和损坏后维修带来大的方便。而计算机系统各部分硬件电路的设计和软件的编程实现可以多样化，对以后的维修和扩展造成一定的影响。

3 控制功能的实现

3.1 数据采集和处理功能实现

数据的采集包括数字量和模拟量的采集。当系统进入稳定的临界流状态时，便可以通过控制PLC系统进行数据的采集。在气体标准装置中数据主要分三路采集，其中一路是对储气罐和被检表的压力和温度的模拟量测量，这路数据要求实时性和精度比较高，所以采用PROFIBUS-DP总线和现场的温度，压力变送器进行数据的直接传输，这样就可以保证数据的精度和实时性。

另一路模拟量数据是缓冲罐中的压力和被测表的表值，这组数据要求精度不是很高，所以可以通过PLC的模拟量输入模块AI来进行采集和转换。三路数据则是各个开关量数字量信号，这路信号主要是通过PLC的数字输入模块DI进行采集，通过信号的采集反馈可以知道各路开关的开关状况。

当所有数据都通过变送器采集到PLC的CPU中，CPU会根据程序已经编辑好的公式

进行累积流量计算，并将结果和被检表的显示值进行比较。

3.2 各控制开关的实现

在此设备中，数字量控制开关主要是控制喷嘴的气动阀，真空泵和被测表的开关阀。在气体标准装置中，有数个文丘里喷嘴，他们的流量是根据整套装置流量大小来设计的，且各个喷嘴的都不相同。在检测中，当操作员输入一个要检测的流量参数时，PLC会根据喷嘴自动组织一组喷嘴进行检测被检表，这时CPU便会通过数字量输出模块控制应该打开喷嘴的开关阀。

而真空泵和被测表的气动阀开关则在测量准备阶段就由PLC控制数字量输出模块打开。

3.3 临界压力比的PID控制实现

根据音速文丘里喷嘴的性质，他大的特点就是当喷嘴前后的压力比P2/P1达到一定比例时，流过喷嘴的气体流量将会保持不便。此套气体标准装置也就是利用这一原理而生成，所以保证气体前后的压力比在临界流非常重要。在此套装置中，由压力变送器，变频器，真空泵和PLC构成的PID控制系统能准确的控制装置的运行处于临界流状态。在测量过程中，CPU随时对采集到的喷嘴前后压力P1,P2进行比较，当P2/P1满足临界流时，则真空泵保持现状，一旦临界流开始小于某一设定值，则通过模拟量输出模块输出适当的电流信号以驱动变频器进行对真空泵动作，以保证装置在测量过程中始终处于临界流状态。基本控制框图如图2所示

图2 PID反馈控制临界流图

3.4 通讯的实现

本系统主要的通讯分为几块，一块为上位机和PLC的连接，他们的连接通过PROFIBUS总线连接，同时要在上位机中安装CP5621卡，并且之间遵循的是MPI协议。另一块是PLC与现场变送器的连接，现场的数据变送器一路通过PLC的模拟量模块输入，另一部分通过PROFIBUS总线和DP-bbbb模块直接进行，他们遵循的是PROFIBUS-DP协议。

4 PLC软件部分的实现

4.1 气体标准装置要实现的基本功能

PLC软件主要是按照系统要实现的功能进行合理有效的编程，同时在系统运行时进行上位机监视和管理。基于文丘里喷嘴的气体标准装置要实现的基本功能如图3所示。

图3 检定系统实现的功能图

4.2 PLC内部运行和用户程序的框图

只有PLC内部CPU和用户程序正常有序准确的运行才能保证整个测量的正常完成。PLC采用的是一种不断循环的顺序扫描工作方式。CPU在完成上电的基本系统程序后就开始按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束，然后返回条指令，开始新一轮的扫描。图4图5分别为PLC的运行框图和用户程序控制流程图。用户程序是由许多程序功能块来实现的，程序功能块包括模拟量数据采集的功能块，数字量采集功能块，数据处理功能块，中断处理功能块，PID反馈控制功能块等。编程时只要把这些功能块按气体标准装置的控制要求合理地添加在主程序中即可。

图4 PLC运行流程图          图5 应用程序流程图

4.3 软件的实现

软件的使用不仅使用户可以方便生动的看到整个检测装置在检测过程中的动态情况，而且可以在操作上也大大方便了操作者。本文所使用的是力控软件和STEP7编程软件的有效结合。通过他们的结合使用，组成了用户的人机友好监控系统。

5 结束语

PLC在基于文丘里的气体标准装置中的应用对这种装置的未来发展产生深远的影响。而且经过上海工业自动化仪表研究所成品的不断验证，他的性，重复性非常高，具有推广的意义。

一、引言
    分布式控制系统（简称DCS）是在20世纪给工业社会带来重大影响的一项技术。在其长达30年的发展历程中，DCS技术虽然日趋成熟，但是和今日信息技术的发展成就相比，DCS技术在标准化方面还面临着诸多挑战。显而易见，无论是DCS供应商还是用户，都期待着能够凭借DCS技术的标准化来获得多的利益。导致现在DCS技术标准化进展缓慢的重要原因是在DCS的硬件和软件之间还没有建立起一种合适的机制。鉴于软件技术的发展空间很大，硬件平台的选择就成为DCS标准化的关键。进入新的世纪，我们注意到可编程控制器（简称PLC）已经摆脱了传统技术的局限。以PLC为控制站的DCS正在进入工业控制领域，并在推动DCS技术标准化方面发挥着积的作用。
二、分布式控制系统标准化需求
    分布式控制系统具有两个方面的特征，一是面对各种各样的工业生产过程系统，其规模与功能是不确定的；二是面对各种复杂的生产工艺要求，其控制逻辑的组合也是不确定的。因此，DCS需要一种性能很好的技术环境，使之能够应用户需求的变化而变化。DCS标准化就是为构建这样的技术环境而建立的基础。目前，迫切进行的DCS标准化工作是在不同厂家生产的DCS之间能够统一使用规范的控制逻辑组态。虽然IEC61131、IEC61499等标准在这方面做出了努力，但是实际收效甚少。因为这些标准仅仅在控制逻辑组态语言形式上给予了规范，实际上各种组态元件的定义（包括控制算法）还是要依附于特定的DCS控制站平台。这就导致不同DCS之间的控制逻辑移植成本很高，而执行代码的兼容性无从谈起。除了DCS控制逻辑组态的互换性需要相应的技术标准支持外，建立一种能够立于工业控制对象的泛控制站控制元件算法库同样是非常必要的。DCS人机界面子系统中关于控制对象操作处理也是今后DCS技术标准化的重要内容之一。这涉及到操作界面的技术规范，操作过程的信息交换标准，以及操作过程与控制逻辑组态之间的关系确定问题。
三、PLC关键技术的发展状况
    PLC与DCS的关系问题在工业控制领域中讨论的时间已经很长了[1][6]。从今天PLC技术的发展状况来看，PLC不仅可以作为DCS的控制站计算平台，而且还可以为DCS的标准化问题开辟出一条新的路径。在PLC技术体系中，有几个关键技术发展，例如数据通讯技术、模拟量运算技术、内存管理技术、任务管理技术，是促成PLC成为DCS控制站的重要因素。现在，PLC的数据通讯技术性能已经达到甚至过了DCS。10MB或者100MB的工业以太网技术已经在PLC中普遍应用。相对于DCS而言，PLC的网络数据通讯技术加成熟，网络设备性高，网络稳定性好。传统观念认为，PLC的功能体现在继电器逻辑（及布尔代数控制）方面，模拟量的运算和处理能力则远不及DCS。现在，这种观念已成历史。今天的PLC具有非常优越的模拟量运算和处理能力。借助的软件技术，PLC已经可以实现32位或者64位的复杂的计算过程。实时性是DCS控制站重要的性能指标之一。日本OMRON公司的CS1序列PLC基本指令执行周期已达到0.02μs，而美国Rockwell公司的ControlLogix系列PLC每千布尔指令执行周期也达到了0.06ms的水平。这样的计算速度是PLC能够成为DCS控制站的充分条件。此外，PLC的实时性能与其内存管理的能力也有着密切的关系。现在，PLC已经具有足够的内存管理能力，包括了对内存的间接寻址，能满足控制过程实时计算的基本需求。许多中大型的PLC还具有多达32个或者多的任务管理性能，这也是PLC能够成为DCS的控制站基本的一个条件。此外，双机冗余系统配置、大容量存贮技术（例如OMRON公司的SPU模块）、加丰富的FB指令集合以及越来越完善的PLC自诊断功能[4]都驱使PLC尽快突破传统应用范畴的限制，融合到DCS的阵营中[2]，发挥大的作用。
四、数据引擎理论与DCS技术标准化
    要成为DCS控制站，并且在推动DCS的技术标准化过程中发挥作用，PLC除了具有自身的性能之外，还配置有相应的支撑软件。2000年，由华能福州电厂的DCS技术人员组成的一个研究小组提出了一个新的软件工程概念：数据引擎[8]，并将这个概念应用到PLC支撑软件的开发过程，使得PLC可以摆脱传统的以梯形图为主的编程环境的制约[3]，直接应用DCS的控制逻辑组态方法。这项研究成功为PLC取代传统DCS控制站计算平台铺平了道路。所谓数据引擎，就是一种机制，它一方面将DCS的控制逻辑组态图形界面所反映的计算关系转化为实时处理的数据；另一方面，它将这些数据安装在一种特定的实时数据库中，凭借该数据库的事件处理机制驱动整个控制站各项任务的执行。数据引擎的基本原理是将控制问题中的两种类型的对象（即控制算法元件和被控制设备）作为研究的基础（如图1所示），采用面向对象的方法把在DCS控制站中建立相应的实时数据库（RDB）和多代理控制
                             
软件（MAS），从而实现实时控制软件资源的复用。图2是DCS控制站数据引擎技术架构示意图。很显然，数据引擎理论能够应用到包括PLC在内的所有计算平台中。在PLC中应用数据引擎理论，除了能够直接应用DCS的控制逻辑组态软件之外，还可以实现控制逻辑组态的兼容和标准化，因为所有控制组态的信息在PLC中将不会以控制指令的形式出现，而是以数据的形式出现。另一方面，采用数据引擎之后，PLC的实时计算模式发生了根本的变化，DCS用户可以在DCS实时运行过程中对相关控制逻辑组态进行修改，中止DCS的运行并能确保控制系统的连续性。这其中关键的原因就是所有控制逻辑组态的在线修改过程并非是数据结构和数据处理机制的改变，而是数据引擎中实时数据库的局部数据的调整，因此可以实现实时在线组态。
                            
    在DCS的数据引擎机制中，控制逻辑的组态软件Pine是一个重要的组成部分，也是DCS技术标准化的重要手段。该软件和传统的DCS控制逻辑组态软件表面上并没有什么区别，但是它却可以和不同的PLC组成的DCS控制站连接在一起的，即能够将相同的控制逻辑组态传送到不同的PLC中运行，实时监控它们的运行状态，并能够支持DCS控制站控制逻辑的在线组态。这是DCS技术标准化的主要特征。图3是以数据引擎机制为的DCS控制逻辑组态软件Pine的界面拷贝。该软件以控制逻辑编辑窗口为，具有自动诊断控制逻辑语法错误和对控制元件进行拓扑排序的功能。在切换至运行监控状态时，该软件可以对DCS控制站的所有控制元件的动态输出和静态参数进行监控，并且能够以实时趋势图和X－Y关系图的形式来绘制所有控制元件的动态关系曲线，给DCS的在线调试创造了非常便利的条件。Pine还具有实时功能，即在完成相关控制逻辑的设计之后，DCS用户可以应用这个功能来验证逻辑的合理性。此外，控制元件的管理功能也很有特色，该项功能能够使得用户在无任何DCS厂家技术支持的前提下，帮助他们方便地进行控制元件算法的修正和新控制元件的添加工作。
                 
五、以PLC为控制站平台的分布式控制系统
    根据数据引擎理论，可以建立一种纯粹以PLC和微机及网络设备组成的分布式控制系统。这种系统将充分体现PLC高性的优点，同时也将体现其技术标准化的优势。事实上，以往许多工业控制系统中，过程控制对象通常采用DCS进行控制，而以离散状态为主的控制对象则多采用PLC为控制装置。使用基于PLC的DCS之后，这些原本分离的控制系统就可以整合为一个整体，无论是硬件还是软件，都可以统一在一个技术架构中。为此，我们提出一种标准控制机柜的设计方案。在这样的一个机柜中，配置着一套冗余的基于PLC的控制站和相应的输入输出模块，另外还要一些接线端子和必要的隔离或者驱动用继电器。在DCS中，通过网络设备可以连接若干套标准控制柜。控制柜的数量取决于控制对象的输入输出规模，各个控制柜的硬件体系一致，因此系统配置的设计过程非常简单，设计成本可以大幅下降。在这里各个控制站的内部底层支撑软件也是一致的，只有它们的控制逻辑组态内容不同，因为这要取决于被控对象的控制要求。为确保这种标准控制柜在重要的工业系统应用场合的性能，特别强化了冗余配置的设计。标准控制柜中，CPU模块、电源模块、以太网模块以及局部重要的控制输出模块均采用了双重的配置设计。图4为基于PLC的DCS标准控制柜结构示意图。
                     
六、工程应用分析
    采用PLC作为DCS的控制站，辅之以若干PC和冗余的网络设备，所构成的新一代基于PLC的智能网络环境分布式控制系统（PineControl）已经在工程项目中得到成功应用[5]，该系统在2002年通过了国家电力公司的技术鉴定。到目前位置，已经有过100套这种标准的控制柜被应用到包括350MW和300MW亚临界燃煤发电机组、135MW和75MW循环流化床锅炉供热发电机组、锅炉除灰渣系统、化学水处理系统以及冶金企业的燃气锅炉等大型工业系统的控制。这些项目的应用表明，PLC能够作为DCS的控制站，并且具有比传统DCS控制站加优越的性、稳定性和控制品质；数据引擎和标准控制柜的概念得到了工程实践的验证，PLC成为DCS技术标准化重要基础的论断也得到了充分的体现。
                        
    华能福州电厂是早应用PineControl分布式控制系统的电厂。该厂1和2号发电机组在商业运行十多年后进行了DCS系统的改造。在这个项目中，以OMRON的CS1为的标准控制柜被用于覆盖锅炉、汽轮机、发电机、吹灰器、机组联锁保护装置、机组自动起停装置、远程测量装置、汽轮机热应力计算装置、化学水处理装置、除灰渣系统等设备的自动控制。实现了针对不同控制对象而采用统一的软硬件装置的控制模式。这是目前应用基于PLC的DCS标准控制柜成功的。图5是华能福州电厂1号汽轮机在低负荷阀门切换过程中的控制品质记录曲线。由图5可见，在汽轮机从单阀向顺序阀运行方式转移过程中，发电机组的负荷、汽压等主要参数都维持在一个稳定的范围中。而事实上这是电站DCS中难控制的一个工况。
七、结论
    随着工业生产过程的复杂化和工艺技术要求的不断提高，分布式控制系统的技术标准化需求日趋紧迫。DCS在控制逻辑组态方法、硬件技术规范和控制站支撑软件方面的标准化将对DCS产品和技术的发展、提高DCS系统的开发效率以及降低DCS实施成本都具有非常重要的意义。现在，PLC技术越来越成熟，PLC的各项技术性能指标与DCS控制站已没有明显的差距。采用PLC作为DCS控制站不仅有可能，而且在推动DCS技术的标准化过程中将发挥十分重要的作用，PLC已经成为DCS技术标准化的重要基础。为配合PLC转化为DCS的控制站，已经建立了一套完整的数据引擎理论。应用数据引擎，将有助于DCS向着标准化、多元化、智能化和信息化的技术方向发展。到目前为止，我们已经成功地开发了适用于CS1和ControlLogix的可编程控制器的数据引擎。基于PLC的标准控制柜和数据引擎概念和优点也已经在一些工程项目中得到验证。
    今后，应用数据引擎理论，我们还将开发多的PLC数据引擎，使得PineControl分布式控制系统的控制逻辑组态能够适用于多的PLC产品，让DCS用户拥有多的技术选择空间。另一方面，充分利用数据引擎理论和DCS技术标准化的资源，我们在DCS直接应用控制方法、工业系统过程、设备运行的性能分析以及运行操作指导系统研究等方面还有多有益的工作要做

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