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1、引言  我公司在开发研制生产割草机变速器的过程中，为试验割草机变速器的工况状态，专为割草机变速器设计生产了试验台。试验台能够模拟变速箱实际工作状态，并测量和显示出其转速、扭矩、振动、径向压力和箱体温度等性能参数，经系统后台数据处理和综合分析后生成测试报表。用户可以方便地完成各种类型试验，并得到相应报表。系统功能齐全，人机界面良好，操作简单，抗干扰能力强，目前已投入实际应用。该试验台的离合装置试验是针对带有离合机构的变速器而增加的功能，主要用于离合装置寿命试验。开始设计的线路为用JS7时间继电器控制线路，控制线路多，接线复杂，且继电器长期带电工作，继电器触点易老化，继电器机械寿命也不能达到要求。随着设备的运行时间越来越长，故障点相应增加，维护工作量越来越大，严重影响割草机试验台的运行。为试验的稳定运行，需对原继电控制系统进行改造。  2、项目的实施简介  该项目为适应工况要求增加的试验带离合装置的割草机变速器离合寿命试验。试验要求：连续运转150小时，离合齿轮啮合10秒/次，离合齿轮分离5秒/次，即离合周期为15秒。150小时的离合周期数为36000次。该试验目的为：（1）试验离合弹簧拉力和寿命能否保证36000次离合试验；（2）试验割草机变速箱在加载的条件下变速器的离合齿轮离合及磨损状况。这两项达标，才能保证离合装置。经方案设计，项目与2004年实施后，通过轻载试验、加载试验证明试验效果良好。功能齐全、稳定，投入试验至今，已了较好的社会效益和经济效益。  3、系统组成  割草机变速器试验台离合装置PLC控制系统是以可编程序控制器PLC为的控制、执行、声光报警和一次、二次外围元件组成。CPM系列PLC在编程环境等方面，它不仅具备了以往的小型PLC所具有的功能，就是作为小型控制器或在传感控制器应用，也能适应生产现场不同的需求。因此我们选用可编程序控制器的型号为CPM2A—20CDR-D。该机型体积小、可与计算机通讯，便于监控、调试和排除故障，丰富和完善了对试验台的检修、维护手段，提高了自动化水平。本系统共需5个输入点和5个输出点，PLC电源电压选用AC220V, 输入额定电压为PLC内部电源DC24V, 输出额定电压为PLC外部电源DC24V,输出电流为2A/点，采用继电器输出方式，程序表达使用梯形图形式，本系统仅设置自动工作方式。下图为PLC外部I/O接口（见图1）和梯形图（见图2）。   图1 PLC外部I/O接口 4、编程技巧  许多延时电路和计数电路都要按照一定的步骤进行，各动作间的连锁和互动关系必然复杂，如果用一般的逻辑进行程序设计，会使程序变得冗长和复杂。用可编程序控制器（PLC）里提供的计数器指令，也可完成长延时电路。不仅编制的程序简洁、直观，而且编程方法简单，容易掌握。下面就本程序的编制方法作简要说明：    图2 离合试验程序梯形图 该梯形图中，长延时电路采用1.0秒时钟脉冲和计数器CNT000、CNT001、CNT002组成，分别为秒计时、分计时、和小时计时，小时数设定为150小时。齿轮离合时间控制有TIM003、TIM004组成，采用联锁方式，离合周期为15S/T，实现齿轮啮合时间10秒和分离时间5秒的互换。动作原理：运行条件钮子开关闭合，按起动按钮，运行指示灯亮，长延时电路开始计时，实现秒、分、小时计数；同时TIM003、TIM004轮流10S、5S定时交替工作，实现齿轮离合，离合计数器开始计数，以便试验人员监视离合次数。齿轮离合电磁铁开始通电、断电工作，由电磁铁拉动弹簧使离合齿轮离合。试验过程中如主电机停转或冷却水压低，报警指示灯亮，提醒试验人员排除故障，故障排除后，按报警接除按钮，报警指示灯灭。试验时间到即开机150小时（或计数器显示36000次），1002试验时间到指示灯亮，运行停止。运行条件钮子开关置关。可进行下一次试验。PLC控制接线图见图3。   图3 PLC控制接线图 5、安装和使用注意事项  安装和调试、使用时，一定要注意水压继电器的工作情况。因为我们的加载试验使用了磁粉制动器。磁粉制动器是根据电磁原理和利用磁粉传递转矩的，它具有激磁电流和传递转矩基本成线性关系，在同滑差无关的情况下能够传递一定的转矩，响应速度快、结构简单等优点。由于电磁作用，长时间运行会使磁粉制动器表面温度升高，所以通入冷却水冷却，磁粉离合器运转后即通水(水压不大于1.5/cm2)冷却，使其表面温度不得过80℃。使用过程中，有时会出现管道堵塞、冷却水压低，造成报警指示灯LD2亮，应着重检查冷却水水压，或定期用除垢剂磁粉制动器内结垢的冷却管路。

 “信息化带动工业化，工业化促进信息化”是中国的国策。石油和化工企业的信息化分为三层结构：层以PCS(ProcessControlSystem，过程控制系统)为代表的生产过程基础自动化层，二层以MES(ManufacturingExecutionSystem，制造执行系统)为代表的生产过程运行优化层，三层以ERP(EnterpriseResourcePlanning，企业资源计划)为代表的生产过程经营优化层。

    本文针对层(PCS)浅谈DCS(DistributedControlSystem，集散控制系统或分散控制系统)、FCS(Field-busControlSystem，现场总线控制系统)的应用和发展。

    1.DCS的应用和发展

    DCS自20世纪70年代问世以来，经过几代技术变迁和新发展，现已广泛应用于各个行业，其中石油和化工企业的应用为普及，技术改造项目用DCS，新建项目用DCS。在石油和化工企业有用DCS逐步替代常规仪表控制系统的发展趋势。

    DCS应用之所以如此普遍，究其原因它有以下一系列的特点和优点：

    ①分散性：其含义是指分散控制、地域分散、设备分散、功能分散和危险分散。硬件积木化和软件模块化是分散性的具体体现。目的是为了使危险分散，进而提高系统的性和性。

    ②集中性：其含义是指集中监视、操作和管理。用通信网络把分散的设备构成统一的整体，用分布式数据库实现全系统的信息集成，进而达到信息共享。人们可以同时在多台操作站上集中监视、操作和管理。

    ③自治性：其含义是指系统中的各台设备均可立地工作。控制站自主地进行输入、运算、控制和输出，操作员站自主地实现监视、操作和管理，工程师站可以在线或离线组态。

    ④协调性：其含义是指系统中的各台设备用通信网络和数据库互连在一起，相互传送信息，相互协调工作，以实现系统的总体功能。DCS的分散和集中、自治和协调不是互相对立，而是互相。

    ⑤灵活性和扩展性：硬件采用积木式结构，可以灵活地配置成小、中、大各类系统，并可以根据企业的发展逐步扩展系统。软件采用模块式结构，提供输入、输出、运算和控制功能块，可以灵活地组态构成简单、复杂各类控制系统，并可以根据生产工艺流程的改变，随时修改控制方案。

    ⑥性和适应性：分散性带来系统的性，并采用一系列冗余技术、热拔插技术、故障诊断和故障屏蔽技术。采用的元器件、的制造工艺和抗干扰技术，使DCS能够适应恶劣的工作环境。

    ⑦性和继承性：硬件上采用的计算机、通信网络和人机接口；软件上采用的操作系统、数据库、网络管理和控制语言；控制算法上采用自适应、预测、推理、优化等控制技术。DCS新换代比较快，继承性体现在新、老系统互相兼容，可以给用户的利益。

    DCS随着计算机、控制、网络通信、组态软件、信息集成和数据库技术的发展而不断新和发展，主要体现在以下几个方面：

    ①信息化：DCS已从单一的控制系统，发展为制和管理于一体的综息系统。DCS提供了从生产现场到车间，再从工厂到公司，后到企业集团的整个信息通道，充分体现了信息的性、准确性和实时性。

    ②集成化：DCS已从单一封闭系统，发展为集成各类PLC、工业PC、数字化仪表和设备，甚至不同型号DCS可以互相集成和信息共享，为终用户提供集成化综合系统。

    ③智能化：随着人工智能、系统、自适应、预测和推理等控制技术的发展和应用，DCS也适时地融合这些新技术，实现的智能化控制功能。

    ④开放式网络：DCS已从单一封闭网络，发展为开放式网络系统，通过互联网技术和IE浏览器，可以访问过程画面、查询数据、管理调度和指挥生产。开放式网络的关键是网络，传统DCS采用软件防火墙，现代DCS不仅有软件防火墙，而且有硬件防火墙，既保网络开放，又保证监控层的实时性。例如，Honeywell公司的ExperionPKSR300的控制站采用硬件防火墙技术。

    ⑤容错以太网(FTE)：传统DCS用两条立网络(A，B)实现冗余，两台设备之间只有一条通信路径，其本质是单条网络运行，故障时整条网络切换(A到B或B到A)，切换时间长，性低。现代DCS用容错以太网(FTE，FaultTolerantEthernet)，如图1所示。

    图1中交换机S1~S6互相连接，其中S1和S2为上层，S3~S6为下层，每台设备(D1~D4)同时连接两台下层交换机，任意两台设备之间有4条通信路径，其本质是多条网络运行。例如，设备D1和D4之间的4条通信路径分别为D1→S3→S1→S5→D4，D1→S3→S1→S2→S6→D4，D1→S4→S2→S1→S5→D4，D1→S4→S2→S6→D4。故障时只需切换路径，切换时间短，性高。例如，Honeywell公司的ExperionPKSR300采用此FTE技术，FTE设备节点之间网络带宽可达200Mbps，交换机之间可达1Gbps。

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    图1容错以太网(FTE)

    ⑥无线网络技术：支持手持移动无线操作站，将无线技术与控制技术融为一体，进行现场操作监控、故障处理和仪表校验，实现操作与维护的无缝集成。例如，Honeywell公司的ExperionPKSR300采用此无线网络技术。

    ⑦数字视频技术：通过摄像头现场图像信息，再通过图像识别软件，进行图像处理，发现异常图像，立即发出报警信号，具有自动录像和录像回放功能，便于事故分析，并将数字视频技术与操作软件融为一体。例如，Honeywell公司的ExperionPKSR300采用此数字视频技术。

    ⑧控制站：DCS的基础是控制站，为了进一步提高控制站的性、稳定性和性，增强控制站的功能，而采用了一系列技术。例如，控制站采用无底板模块结构，立倾斜式垂直插拔，散热效果好，接线维护方便；采用容错以太网(FTE)，硬件控制防火墙(冗余)，冗余控制器、冗余I/O、冗余电源、冗余现场总线接口；采用的预估控制算法，鲁棒性好，具有参数自整定功能。Honeywell公司的ExperionPKSR300控制站是上述控制站的代表之一，如图2所示。

    FCS是一种新型的分布式网络控制系统，它既是现场通信网络系统，也是现场自动化系统。它作为一种现场通信网络系统，具有开放式数字通信功能，可与各种通信网络互连。它作为一种现场自动化系统，把安装于生产现场的具有输入、输出、运算、控制和通信功能的各种现场仪表作为现场总线的节点，并直接在现场总线上构成分散的控制回路。

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    FCS代表当今控制技术和DCS的发展方向，并以进入工业化应用阶段。人们对FCS有各种评论，既有对新技术的赞尝，也有对现状的困惑。尽管众说纷纭，笔者认为，目前是FCS和DCS并存，FCS作为DCS框架下的重要分支应用发展，略表以下个人之见：

    ①FCS的变革：不仅变革了传统的单一功能的模拟仪表，将其改为综合功能的数字仪表；而且变革了传统DCS的控制站，将输入、输出、运算和控制功能分散分布到现场总线仪表中，在现场总线上构成控制回路，形成了全数字的的分散控制系统。

    ②FCS的特点：具有系统的分散性、系统的开放性、产品的互操作性、环境的适应性、维护的简易性、系统的性和使用的经济性这7个方面的特点或优点。

    有人对“使用的经济性”有异议，这是正常的暂时现象，其原因是FCS尚未进入大批量应用阶段，现场总线仪表及辅助设备价格偏高。随着FCS的推广应用，技术进步，市场竞争，优胜劣汰，FCS的经济性将会显现。回想当年，DCS也是如此，现在人们已接收了DCS。

    ③FCS的应用：典型工业应用实例是上海赛科(SECCO)90万吨/年乙烯工程，DCS采用Emerson公司的DeltaV系统，控制站除常规I/O模块外，配置了FF-H1现场总线模块，每个模块的2个接口分别构成2段FF-H1总线，每段FF-H1总线设计9台仪表(实用6台，备用3台)。

    该工程实用FF-H1现场总线段2473条，FF-H1现场总线仪表14375台，平均每个FF-H1现场总线段上挂5.8台仪表。FF-H1现场总线段上集成了不同厂家的现场总线仪表，除了Emerson的温度、压力、流量等仪表，还有E+H的雷达液位计和流量计，ABB的阀门定位器，ROTORK的电动马达控制器，TYCO的电动马达控制器等，保证了多种产品的一致性和互操作性。

    ④FCS的集成：小型工程项目中FCS自成系统，中、大型工程项目中FCS和DCS控制站集成，一般有两种集成方式。一种是FF-H1现场总线模块作为控制站的下属I/O模块，例如Emerson公司的DeltaV系统，如图3所示；另一种是FF-H1现场总线模块立，例如Honeywell公司的ExperionPKSR300系统，如图4所示。

    前者FF-H1依附于控制器，信息传输慢；后者FF-H1立，信息传输快。图3和图4中工程师站(ES)、操作员站(OS)、计算机站(CS)为DCS操作监控层设备，控制站中有冗余电源(P)、控制器(C)、现场总线接口(H1)以及各类I/O模块。

    图4FCS和DCS集成之二

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    ⑤FCS的发展：FF-H1现场总线通信速率为31.25Kbps，不支持冗余总线，有人对这2点提出异议。值得高兴的是目前有多种现场总线，既有中速也有高速现场总线，而且工业以太网(Ethernet)也已进入实用阶段，正在从高层向底层延伸，有望实现“E(Ethernet)网到底”。FCS代表技术发展方向，在应用中不断改进，扬长避短，必将出现加的FCS。

    3.控制技术的应用

    根据“十一五”时期信息化发展规划，控制技术在流程工业的应用普及率达70%以上。

    DCS和FCS为控制技术的应用提供了条件，控制软件作为DCS的可选件集成于系统之中。常用的控制技术主要有以下几种：

    ①单回路整定技术：单回路PID控制始终占据过程控制的主导地位，但鲁棒性能不理想，对大滞后和强干扰的过程表现出明显的不足。为此，研发出单回路模型预测控制，自动调整控制参数，适用于大滞后和强干扰的过程。例如，Honeywell公司的ExperionPKSR300系统中的ProfitLoop单输入单输出(SISO)模型预估控制算法。

    ②软仪表技术：这是基于过程机理模型或统计模型，对产品主要参数进行在线预估，并将预估参数参于在线控制产品质量。例如，Honeywell公司的针对常减压切换的ProfitGCC软件包。

    ③多变量模型预估控制技术：这是控制的技术，辨识过程模型，再预估过程参数和被控量，并与所要求的目标值比较，若有偏差，则计算出优控制量，从而实现全装置的多变量控制。例如，Honeywell公司的RMPCT软件包，AspenTechnology公司的DMC-plus软件包。

    ④在线优化技术：这是基于过程机理模型和动态优化技术，找出优操作点，再通过多变量控制器实现优化操作。例如，Honeywell公司开发了基于ProfitOptimizer、ProfitBridge和机理模型的动态优化软件，应用于乙烯和炼油装置。

    ⑤性能监视和维护技术：控制的效益投运初期较高，随着运行时间增加、装置性能变化、模型失配及操作变化等原因，致使控制性能降低，经济效益也随之下降。

    为此，开发商推出了控制性能监视和维护工具软件，来维护控制的效益。例如，Honeywell公司开发出Scout软件，AspenTechnology公司开发出AspenWatch软件。

    今后推动DCS、FCS、控制技术的应用和发展寄希望于流程工业，尤其是石油和化工行业是军。在“信息化带动工业化，工业化促进信息化”国策的指引下，必将迎来DCS、FCS、控制技术的应用和发展的春天。

1 前言
矿山充填是井下生产的重要一环，充填质量的好坏直接关系到整个矿山的生产。
传统的充填系统依靠常规仪表控制充填料浆的浓度，人为因素较多，工人的劳动强度大，存在不同程度的充填生产质量问题。
随着计算机系统的普及，特别是近两年现场总线设备的快速发展，为矿山充填生产线的改造提供了强有力的技术支持。
2003年初，龙矿计划对东部充填搅拌站系统进行改造。自动化研究所承担了仪、电、控设计任务。该项目于2003年6完成初步设计。根据矿山充填站的生产现状及当时自动化的发展实际，在该项目中大胆采用了仪表、电气、控制系统、工业视频一体化设计方案。项目于2004年初实施，2004年7月投入正常生产。

2 系统构成
项目设计内容包括仪表、电气、计算机控制系统、工业电视系统4个部分。其中测量仪表22台，具体包括流量（有冲板、有电磁）、温度、物位（雷达式物位）、调节阀等。电气拖动设备19台，设备网变频器10台，设备网现场操作箱12台，设备智能箱2台。计算机系统1套。工业电视1套，6个点，其中2个点云台控制，带录象功能。
以计算机控制系统为，实现仪电控一体化的控制思想。
仪、电、控控系统的构成如图2.1所示。

 

1.1 上位计算机系统
上位计算机采用工业级的计算机，Dell/1.5GHz/128M/40G，内置音箱。两台计算机实现冗余控制，采用标准电脑键盘便于维护换，配置以下软件：bbbbbbs2000操作系统。RSView32，生产设备监控组态软件。RSNetWork，现场总线（设备网）管理软件。

1.2 下位工业控制器系统
下位控制器采用美国罗克维尔公司生产的SLC500控制系统。包括16M处理器，带工业以太网接口，电源，模拟量输入输出模板，开关量输入输出模板。

1.3 现场总线设备
现场总线是生产过程区域现场设备与控制室系统之间的一种串行、数字式的双向通信的数据总线，是一门新兴的技术，是控制系统今后主要的发展方向。这种技术不只是新颖，而且设计思想对生产自动化程度以及生产效率的提高都有益处。采用现场总线设备后，检修工作大大降低，同时现场设备免维护的量加大，可以保证设备能够长周期稳定的运行
本项目采用了设备网现场总线，具体设备包括：设备网适配器，设备网电源。设备网下挂的操作箱、信号箱、设备网变频器等。设备网电缆。

3 功能介绍
整个系统采用了仪表、电气、控制系统一体化的设计思想。现场的设备以IO模板和现场总线的方式实现，采用两台冗余上位计算机实现人机对话，通过下位控制器以程序指令的方式实现全部生产过程的逻辑及复杂控制。

3.1 仪、电、控设备部分

3.1.1 仪表系统
取消传统的仪表盘柜，所以仪表测量数据的显示、以及调节仪表的参数设定、调节全部在上位计算机上完成。
仪表信号以2线制或4线制两种方式通过模拟量输入板直接采入控制器，采用标准的4-20mADC输入信号。
现场执行仪表(如调节阀)由控制器的模拟输出板以标准4-20mADC直接驱动。
所有仪表数据的显示、报警，以及数据修改等全部在上位计算机完成。
控制方案、PID回路及相关参数、连锁逻辑报警、仪表程序指令等存贮在下位控制器中。

3.1.2 电气系统
系统中的电气信号传输采用了以下方式：
☆因控制器设置于低压配电室，所以来自低压柜的开关量输入（DI）信号以系统配源（220VAC）的方式通过开关量输入板直接采入控制器，不再另外设置24VDC继电器转换隔离。
☆开关量输出（DO）通过开关量输出板再经24VDC继电器隔离后以无源方式输出。
☆所有电气设备的机旁操作箱、远方电气设备（如远方皮带机）、全部变频器等设备以设备网现场总线的方式通过设备网适配器下挂于SLC500控制器。
☆所有电气设备的状态显示、故障报警、启动停止操作，以及有关数据的修改等全部在上位计算机上集中完成。
☆单台电气拖动设备的操作方式设置为三种状态：机旁、检修、集中。由机旁操作箱的转换开关确定不同工作方式。当处于检修状态时，任何地点都不能起动设备。停车功能在任何方式下都可以有效。当设置处于机旁工作方式时，设备处于无联锁。所以机旁工作方式用于设备检修后的试车，正常生产时设备应处于集中工作方式。
设备的启动停止、控制连锁逻辑、电气程序指令、部分设备的报警功能等存贮在下位控制器中。

3.1.3 计算机控制系统
计算机控制系统主要分为两大功能块：一是上位计算机系统。主要是人机操作画面。二是下位控制器。主要是控制程序。
通过人机操作画面实现人（生产操作员）与现场设备的联系。所有生产设备的状态及数据在上位计算机以约定的方式实时显示。操作员通过上位计算机将操作指令及修改的数据同步下传至下位控制器。

 

如图3.1.3_3所示为搅拌桶给水量调节的操作画面。

3.1.4 设备网现场总线
现场操作箱、变频器等设备以现场总线的方式。通过一根网线与设备网相连接，所有数据，信号由网络进行通讯。
设备网的设备通过1747-SDN适配器下挂于SLC500控制器,网络介质采用粗缆，传输距离500米，传输速率大于125KB。
现场智能操作箱通过内配一个1747-8B8P的BLOCK/IO模块实现开关量数据的上下传输。
变频器通过可选件GM5通讯卡实现包括开关量、模拟量的上下双向传输（包括设备状态、启动停止驱动、运行电流、工作频率等）。

3.2 上位计算机监控组态
实际生产中的人机对话通过上位计算机中的RSView监控组态软件实现。如图3.2_1所示是整个生产工艺流程图。

 

常规仪表盘的数据显示、电气操作台的显示操作等，全部通过上位计算机以形象的、可视化图形方式、通过计算机鼠标的点击实现。如图3.2_2所示是1#皮带机的启动停止画面。

 


3.3 下位控制器控制程序
下位程序指令是整个控制系统的部分，所有的控制功能的实现、设备的连锁保护、数据的采集处理计算、复杂调节回路的完成等等全部由
存贮在下位控制器中的程序指令完成。如图3.3_1所示是仪表数据采集转换指令。
数据采集由SCP指令完成。前级通过GEQ指令做比较。采用MOVE指令进行数据清零。

 

如图3.3_2所示，是双螺旋给料机（采用了变频调速，通过设备网总线实现通讯）的开停车操作画面。可以在设备旁（即机旁）或控制室两地进行选择性操作控制。由设置在机旁操作箱上的转换开关确定操作方式。正常生产时在控制室上位计算机上完成设备的开、停等操作。当设备检修时，可将转换开关置于中间停车检修位置。
在上位计算机进行设备起动或停止操作时，为了确保操作指令的执行，当操作工手按下操作按纽时，在程序指令中加入了自锁延时功能。其它变频设备的控制程序编制原理相同。
所以电气设备的机旁操作箱采用了设备网智能操作箱，指示灯、操作按纽等指令全部通过设备网总线方式传输。

 

部分仪表测量数据的简单报警保护直接在上位计算机通过RSView实现，复杂的逻辑控制及报警保护可以通过下位控制程序实现。
有关仪表、电气、控制系统的重故障报警可以通过外部警铃向生产操作人员及时提示。

4 结语
仪、电、控、视频一体化方案在矿山充填系统的成功应用，改变了传统工业生产模式。在金川集团公司矿山生产的发展中，具有深远的意义。特别是采用了设备网现场总线技术后，从设计、施工到生产运行中的在线维护、以及系统后期的设备增容等都十分便利。缩短了设备维护处理时间，提高设备开动率，降低停工时间和间接费用，特别是降低工人的劳动强度，提高了企业生产率。
相信仪电控一体化方案的设计应用以及现场总线这一新兴的技术在不久的将来就会应用于工业生产中。

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