郑州西门子中国一级代理商CPU供应商

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1 引言
可编程控制器在PLC长期的使用过程中也逐渐暴露出了诸如开出回路简单;通信扩展能力差;梯形图语言编程烦琐;调试不够方便等技术局限。伴随着计算机技术、信息技术及工业控制技术的飞速发展，对PLC的发展提出了高要求，主要体现在:需要高功能、快速度、大容量的PLC产品，以完成大型的控制项目和实现网络化及强的通讯能力;要求控制加，性能加稳定;要求提供多样化的方便的编程语言等。
为此，南京南瑞自动控制有限公司研制出新一代MB系列智能可编程控制器，它继承了传统PLC的优点，又弥传统PLC的技术薄弱环节，是对传统PLC功能的大提升。该产品集智能、、开放、灵活于一身，适合多种复杂控制领域的应用。

2 MB系列智能可编程控制器设计
2.1 MB系列智能可编程控制器结构
MB系列智能可编程控制器采用LAN/FieldBus系统体系结构，提供标准的以太网接口完成与上位机系统的通信。主控模件与智能I/O模件之间采用现场总线CAN作为内部总线及扩展总线，现场总线特有的高性和对现场环境的适应能力，使得MB系列智能可编程控制器系统配置的灵活性和性大大提高。图1为双主控热备冗余模式下的体系结构。

图1 MB系列智能可编程控制器体系结构

在Inbbb x86硬件平台上，应用WindRiver公司的Tornado集成开发环境，实现基于VxWorks的可编程控制器。
2.2 MB系列智能可编程控制器特点
(1) 的主控模件:的软硬件配置使得主控模件具有强大的数据处理能力、运算能力以及通讯处理能力;
(2) 开放的标准的以太网通信接口:对外提供10/100M以太网接口，支持Modbus/TCP协议，可与上位机及各种软件互连;
(3) 的现场总线网络:采用现场总线CAN网，具有通讯速率快、抗干扰能力强、、结构简单、扩展灵活、实时性好等特点，为系统扩展及远程控制提供了方便;
(4) 强大的串口通讯功能:提供了串口通讯模件，可自由配置，可方便地与其他智能设备通讯;
(5) 高的热备冗余方案:支持双CPU、双以太网、双电源的热备冗余方案，自动实时备份数据;
(6) MB系列不同型号PLC之间方便灵活的互连:可实现不同PLC之间的无缝连接，任何扩展模件，节省系统成本;
(7) 全智能I/O设计和一系列性、性设计为系统的运行提供了:开关量输入模件的光电隔离和软件滤波功能;开关量输出模件的反读、校核及执行继电器的联合控制确保在任何情况下不会发生误动;温度量输入模件的每路立横流源设计大大提高了采集速度和抗干扰性;模拟量输入模件飞度电容的设计方法保证了内部电路和外界干扰的隔离，大大提高了采集精度，大限度地降低了模拟量漂移;
(8) 界面友好、使用简单的编程软件
灵活的梯形图编程语言及多丰富的梯形功能模块;全汉化的梯形图设计大大提高了梯形图程序的可读性;直观的可视化流程图编程语言，使复杂控制流程的实现变得非常简单;模块化程序结构，程序之间可相互调用;支持远程编程和调试;
(9) 直接的GPS同步时钟接口
直接提供GPS同步时钟接口，编程及设置，硬件对时可达模件级，SOE事件信息加、;
(10) 方便实用的现地人机接口
提供了与触摸屏的串行通讯接口，支持Modbus通讯协议，可与多种触摸屏直接连接，增加辅助设备，也编写通讯驱动程序。
2.3 操作系统和开发环境
为保证软件的性和发挥装置的实时性能，项目采用了上广泛使用的32位实时操作系统VxWorks。VxWorks是专门为嵌入式微处理器而设计的模块化、、实时的操作系统。VxWorks是目前世界上用户数量大的实时操作系统，具有丰富的应用软件支持、良好的技术服务、可伸缩性、可裁减性和的系统稳定性。VxWorks的开放式结构和对工业标准的支持使只需做少的工作即可设计有效的适合于不同用户要求的实时操作系统。
VxWorks的开发环境是WindRiver(风河)公司提供的Tornado。Tornado采用主机-目标机开发方式，主机系统采用运行bbbbbbs2000/NT的工作站或PC，VxWorks则运行在x86等目标处理器上。Tornado提供了友好的可视化开发界面、交叉编译环境、源码级调试工具、目标机命令解释器和目标机状态监视器等多种应用工具，为应用软件开发提供了一个而的平台。

3 关键技术
MB系列智能可编程控制器的软件设计，关键是软件实时性的保，其中包括任务的划分、任务间通信机制的选择、中断处理程序、网络通信程序和串行口通信程序的编写等关键技术。
3.1 任务划分
嵌入式实时系统中，任务的合理划分对系统的实时性至关重要。进行任务划分时，要分析数据流程图中数据的转换，确定哪些数据转换可以并行执行，哪些顺序执行。决定应用系统任务划分的主要的因素是系统所实现的功能之间的异步关系，具体可以从I/O功能和系统内部功能两个方面来考虑。
VxWorks的实时内核Wind默认采用了基于任务级的抢占式调度算法，同时，也支持轮转调度算法。Wind内核有256个级，编号0～255，级0，255。任务的创建使用taskSpawn()函数来实现。
MBPLC根据功能和级划分为以下若干任务:
(1) 主任务:主任务负责硬件初始化、数据库初始化、梯形初始化、流程初始化、网络初始化等工作，并根据数据库的定义创建相应的任务;
(2) CAN1任务:CAN1任务主要完成CAN1网驱动、与I/O模件交换信文等功能，它既可以向I/O模件下发加载、设值、设时、查询等信文，又能接收I/O模件上送的测值、事件等信文，并对数据库进行相应的处理;
(3) 以太网任务:以太网任务主要完成以太网驱动、信文收发等功能，实现PLC与上位机的数据和控制命令的传递，支持标准MODBUS/TCP协议;
(4) CAN2任务:CAN2任务主要完成CAN2网驱动、与外部设备(如通讯装置、保护装置、励磁装置、调速器等等)的信息和控制命令的传递功能。只要外部设备支持CAN接口，就很容易接入PLC中;
(5) 流程:流程提供了特的顺序控制流程执行方法，将MBPro编程软件产生的汇编代码进行执行，通过访问数据库得到数据，描述一定的判断和闭锁条件，产生相应的动作，并将运算结果写至数据库中，同时还可将实时执行的各种信息反馈到调试机，以便监视流程的执行情况。流程图是顺序执行的，适于顺控操作，如机组正常开停机控制、紧急停机控制等;
(6) 梯形:梯形提供了梯形图执行方法，将MBPro编程软件产生的汇编代码进行执行，通过访问数据库得到数据，实现一定的判断和闭锁条件，产生相应的动作，并将运算结果写至数据库中，同时还可将实时执行的各种信息反馈到调试机，以便监视梯形的执行情况。梯形图是循环扫描的，适于逻辑控制及状态控制，可用于主程序、通讯、数据处理、控制启动，如机组状态判断等;
(7) 调节任务:调节任务负责对机组有功、无功进行PID闭环调节，可进行负荷增减、调节投退、调节条件限制、调节增减限制、调节时判断、调节速度限制等;
(8) 时钟任务:时钟任务管理PLC时钟，处理分同步信号，并定时进行一些硬件操作，如点运行灯;
(9) 自检任务:自检任务自动诊断各类任务、设备的运行情况并进行报警。当PLC因某种干扰或硬件故障等原因发生运行紊乱或死机时，Watchdog能产生自恢复信号，使PLC自动重新恢复运行;
(10) 调试任务:调试任务通过以太网与调试机通讯，负责与编程软件MBPro交换信息，包括上送实时数据、SOE事件、流程报警信息等，并可数据库、梯形图及流程图，进行对时、复位、主从切换等操作;
(11) 双机任务:双机任务实现主从机的自动、手动切换，并能通过内部高速网备份对侧重要数据。当主机的某些重要设备或任务出现故障时，从机能自动升为主机;
(12) 显示任务:显示任务通过串口与智能型液晶显示触摸屏通讯，完成当地数据显示和操作功能，包括显示测点信息、事故一览表、光字、模件状态等，并能发出控制命令、设置定值、整定参数等;
(13) 串口任务:串口任务完成与外部设备通讯功能，实现与外部设备的数据和命令的交换，如GPS、温度巡检装置、交流采集装置等等。支持Modbus标准规约，必要时可根据需要编程实现特殊规约。
3.2 任务间通信
任务间通信机制是多任务间相互同步和通信，以协调各自活动的主要手段。VxWorks提供的间通信手段按其速度由快到慢依次是信号量、消息队列、管道和套接字。常用的通信机制是信号量和消息队列，套接字(Socket)用于网络编程。
(1) 信号量
信号量是实现任务互斥、同步操作的主要机制，VxWorks提供的信号量经过了高度优化，在所有任务间通信机制中，速度快。对于互斥，信号量可以上锁对共享资源的访问，并且比禁止中断或禁止抢占提供的互斥粒度。对于同步，信号量可以协调外部事件与任务的执行。
MBPLC使用二进制信号量来解决多个任务读写数据的互斥问题，使用计数器信号量来解决定时器计数问题;
(2) 消息队列
消息队列是VxWorks提供的单CPU中任务间通信的主要机制。消息队列允许以FIFO或基于级方式排队消息，消息的数目可变，消息的长度可变。任何任务都可以向消息队列发送消息，也可以从消息队列接收消息。多个任务允许从一个消息队列收发消息。但是，两个任务间的双向通信通常需要两个消息队列，各自用于一个方向。
MBPLC使用消息队列来实现任务间的数据交换。调用msgQCreate()函数创建消息队列，再用msgQSend()和msgQReceive()函数发送和接受消息，后调用msgQDelete()函数中止消息队列。
3.3 中断处理程序
中断处理程序是实时系统的重要组成部分。系统通过中断机制了解外部世界，并对外部事件作出响应。实时系统的反应取决于系统对于中断的响应速度和中断处理程序的处理速度。由于在很短的时间内，可能产生很多中断，的中断将阻塞低级的中断，因此，使中断处理程序的处理时间短。
MBPLC的中断包括秒中断、分同步中断、CAN网中断以及BSP级的以太网中断、硬盘中断等等。下面以秒中断(中断级别为5)为例说明中断的使用方法:
ntConnect(INUM_TO_IVEC(INT_VEC_GET(5)), SECISR, 0);
sysIntEnablePIC(5);
这两个函数用于将中断处理程序SECISR()与秒中断相关联，存放于中断向量表的对应表项中，当秒中断事件出现时，VxWorks内核将调用中断处理程序。这时可利用中断处理程序释放一个信号量(通过semGive()函数)，通过该信号量驱动相应的数据处理模块(通过sem- Take()函数)，从而实现实时操作。
此外，我们还使用intLock()函数和intUnlock()函数来设置中断屏蔽，用以保受保护的代码在执行过程中不受中断的干扰。
3.4 网络通信
网络通信一般可通过套接口(socket)实现。Vx- Works提供了标准的BSD socket调用，具有两种类型:Stream socket(全双工流类型)、Datagram socket(数据报类型)。前者支持TCP协议，后者支持UDP协议。任何一个任务都可以打开一或多个socket，其它任务的socket可与之连接。
客户端程序调用socket()函数产生用于与各分系统连接的套接字，然后初始化一个套接口结构体，为其赋上服务端的IP地址和端口号，并将其作为函数connect()的参数，调用connect()函数主动去连接服务器端。连接成功后，用send()和recv()函数读写数据，直到全部数据都交换完，再用close()函数关闭套接口。
服务器端也先用socket()函数建立套接口，再调用bind()函数将自身IP和端口号绑定，以保证客户端正确识别，然后用listen()函数指明已准备好接受来自客户端的连接，又用accpet()函数接受一个连接请求，接受后用send()和recv()函数来传输数据，直到全部数据都交换完，再用close()函数关闭套接口。为了确保服务器能够实时接收客户端的数据，当服务端与客户端建立连接之后，嵌入循环，利用recv()函数不断等待客户数据。同时客户端每次发送数据之后也应等待服务端回复，建立握手机制。
3.5 串行口通信
在VxWorks中，将I/O系统设计成为任何类型的设备，提供一个简单、统一、立于设备的接口，任何对于串行口的操作仍然可以视为对一个文件的操作，而不必了解关于设备或程序驱动实现的细节。在使用串口之前利用open()打开相应串口，再用ioctl()设置波特率、数据位、停止位、奇偶校验等属性，然后依据串口打开时的读写标志，调用函数write()、read()对串口进行只读操作、只写操作或同时进行读写操作，后用close()关闭串口。
对于串口通信，仍然要关心数据接收的实时性。可采用中断方式，利用VxWorks提供的select()函数的事件触发机制，将读串口的任务阻塞使其一直等待数据，当有数据来到的时候该任务会立刻自动响应，提高系统的实时性。

4 结束语
嵌入式实时操作系统VxWorks及其开发环境的引入，大大简化了可编程控制器软件设计的复杂性，缩短了开发周期，提高了产品的实时性和性。因此，VxWorks RTOS在MB系列智能可编程控制器中的应用是成功的。MB系列智能可编程控制器作为新一代的PLC产品，相信能在电力、化工、工业过程控制、城市及楼宇自动化等各种复杂控制领域发挥大的优势，使这些的自动化水平得到大的提高

【摘要】 随着社会的发展，人们对环境的要求越来越高，火电厂烟气脱硫及脱硝系统正在不断增加。对于现组的改造除了主系统需要选型外，其控制系统也要综合考虑。针对目前较流行的几个控制系统，本文分别进行了介绍，并分析了他们的优缺点及其发展趋势，并针对在增加脱硫及脱硝装置进行改造机组的控制系统选型提出一些建议。

【关键词】 脱硫 PLC DCS FCS 模拟信号 数字信号
1. 前言
      随着控制技术的不断发展，燃煤电站的控制系统大都已经实现了自动化控制。新建设机组全部采用的控制技术，老机组的控制系统也相继进行了改造，大部分机组已经改造完毕。燃煤电站的控制系统基本都采用了目前较流行的分散控制系统即DCS系统，保证发电生产系统的稳定运行。目前由于人类环保意识的增强及人类生存发展的需要，国内外都在积注重环境保护技术的发展及环保工程的实施，新建大型燃煤机组都设计有脱硫及脱硝系统。以前的老机组都没有脱硫（SO2、SO3）及脱硝（NO、NO2等）装置，以及未来的CO2的减排控制等，根据国家对环保的要求对现有的发电机组进行污染物的排放控制，达到国家环保要求。火电厂锅炉在增加脱硫及脱硝装置进行改造时，其控制系统要根据具体电厂及具体机组的特殊情况进行设计。现在随着控制技术的不断发展，在控制领域出现了几大主要控制系统。那末在改造设计当中采用什么样的控制系统是目前我们设计人员要认真面对的。即要保证系统的稳定，又要考虑客观实际又要节约资金。本文简单介绍了硫及脱硝改造机组现状，介绍一下几个控制系统各自的特点，根据不同的机组及现场实际情况，为控制系统设计提供一些参考。

2. 火电厂改造机组现状
      由于目前改造机组增加脱硫、脱硝系统的工艺大都趋于简单化，尤其是200MW及以下机组，主要考虑成本及系统占地面积等因素。目前在改造机组中脱硫系统的技术一般采用简易湿法脱硫技术、干法和半干法脱硫技术。脱硝技术有采用SCR、SNCR和燃烧调整方式等，其中在改造机组中主要采用降低氮氧化物的生成技术，采用低氮燃烧器及调整二次风等方法降低氮氧化物。从目前国内应用的脱硫及脱硝技术上看，其工艺系统相对比较简单，控制回路也比较少。根据目前对改造机组的设计情况来看，对控制系统的要求大致分为以下两种情况。一种情况是将脱硫、脱硝的控制系统并入到电厂相应机组的主控制系统当中，与原主系统实现集中控制。另一种情况是将脱硫、脱硝的控制系统立设计，使脱硫、脱硝的操作控制在主系统之外。在系统停运及检修时，不影响主系统的正常运行。根据以上不同种情况，控制系统可以有不同的设计原则及不同的控制实现方式。种情况设计可以选用与主系统一致的DCS系统设备，使之与其实现方便的通讯连接。如考虑价格及其它因素亦可设计采用PLC及FCS总线技术，通过其它通讯方式与主系统实现连接。在该方案设计时考虑主系统的兼容性，调研原系统的设计容余及备用空间情况。重要的是原主系统与新设计系统的通讯协议是否兼容等。二种情况控制系统的设计比种情况要灵活得多，可选的控制系统与原主控制系统没有联系，是一个立的控制系统。该立的控制系统可以根据用户的要求设计为DCS、PLC、FCS任意一种形式，也可以设计成三个系统技术的综合控制系统。选型主要根据以下几种情况而定：该系统的运行方式；控制系统的资金投入；现场与控制室的距离；系统中模拟控制回路的数量；系统中开关量的数量；现场一次仪表智能化的程度等。三个控制系统各具有优缺点，如条件许可也可以设计成综合的控制系统。它们都在许多电厂中得到了广泛的应用。

3. PLC控制系统
      可编程控制器即简称PLC(PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER)，虽然现在仍然称PLC，但已经与原来的实际意义不相符合，并不是初简单的可编程控制器。PLC的初定义是一种数字控制电子计算机，它使用了可编程序存储器储存指令，执行诸如逻辑、顺序、计时、计数与演算等功能，并通过模拟和数字输入、输出等组件，控制各种机械或工作程序。经过30多年的发展，PLC已十分成熟与完善，并开发了模拟量闭环控制功能。长期以来，PLC始终在各行各业自动化控制领域得到广泛的使用，为各种各样的自动化设备提供了非常的控制应用。主要原因在于它能够为自动化控制应用提供和比较完善的解决方案，适合当前工业企业对自动化的需要。目前的PLC已经不仅具有早期的逻辑运算功能，而且已经向综合控制方向发展。新型PLC也在不断完善PID闭环控制功能，其他各种功能也在不断得到改进。PLC已被广泛应用于连续过程的控制领域，而且基于连续过程控制技术的发展趋势正在进一步得到增长。通讯是PLC广泛应用的关键技术，这种技术在PLC领域已经得到扩展。同系统一样，对PLC进行分散化处理已经成为可能，容易进行管理，以便能够好地集成在一起。
      PLC系统的价格也在逐渐降低。由于PLC系统小模件单元的价格只在千元左右，甚至低所以大部分用户已经不再对已损坏的模件修理而是直接换新的模件，因为修理这样的故障模件也许会花费同样甚至多的费用。现在一些小型甚至小型PLC系统已经向工业用户提供了模拟量I/O、PID控制回路、通讯接口，甚至与企业网络系统相连接的现场总线。具有14个通道的I/O和4个PID控制回路的PLC系统，其价格也只有千元左右，这种产品非常适合小系统控制应用的需要。一些PLC供应商依托强大的应用市场发展小型PLC产品，甚至大量的工业用户已经将其看作是低端应用市场上的日用品。
      在PLC硬件不断发展的同时，PLC的编程软件也在向前发展。因为作为整个系统不但要充分考虑硬件产品的性能，还采取相应的措施为工业用户解决工程师可用的组态软件工具、故障诊断技术、网络通讯能力以及除基本自动化硬件以外的附加软件包的适用性能。目前不但PLC厂家在不断努力开发适合于PLC系统的编程软件，其他软件开发商也在不断推出与之相配套的组态软件，而且每种软件都适合于多种的PLC产品，为用户编程提供了大的方便。
      PLC的基本特点是构成系统比较灵活。在一些小型的系统中即控制和监视点数较少时，可以采用小型PLC控制系统来实现工艺过程的监视及控制。小型系统采用一台PC机为主站，多台同型号PLC为从站，实现系统的监视及控制。现在随着PLC网络技术的发展，多台PLC组成的大型控制系统也不断被采用，功能已经越来越接近于DCS系统。系统可由多台PLC组成，通过网络将多台PLC相连接，PLC可作为底层数据采集和实现就地控制。比较大的控制系统可以用一台PLC为主站，多台同型号PLC为从站，构成PLC网络，实现比较复杂系统的综合监视及控制功能。PLC也可以作为DCS的一个子系统存在于DCS系统之中。

4. DCS控制系统
      分散控制系统DCS（DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM）含义是控制危险分散集中显示。分散控制系统DCS是集4C（COMMUNICATION，COMPUTER，CONTROL，CRT）技术于一身的监控技术。他的特点是从上到下的树状拓扑大系统，其中通讯是其关键技术。DCS由四部份组成：I/O板、控制器、操作站、通讯网络。I/O板和控制器上各DCS厂家的技术水平都相差不远，如果说有些差别的话是控制器内的算法有多有少，算法的组合有些不一样，I/O板的差别在于有的有智能，有些没有，但是控制器读取所有I/O数据在一秒钟内完成一个循环；操作站差别比较大，主要差别是选用PC机还是选用小型机、采用UNIX还是采用NT操作系统、采用的还是通用的监视软件,操作系统和监视软件配合比较好时可以减少死机现象；差别大的是通讯网络，差的是轮询方式，的是例外方式，其速度要相差很多。控制器I/O部件和生产过程相联接，操作站和人相联系，通讯网络把这两部分联成系统。所以操作站是DCS的重要组成部分，工程师站给控制站和操作站组态，历史站记录生产过程的历史数据。
      DCS系统的数据主要来自现场的信号和各种变量，在控制站中表现为与工位号对应的相关测量值（PV）、设定值（SV）、操作输出值（MV）及回路状态等。这些数据被采集到DCS控制站相应的存储器里，构成实时数据。其他属于与工位号有关的组态信息，如量程、工程单位、回路连接信息、顺序控制信息等，也在控制站中存储，但同时在操作站或工程师站中存储，而且有映像关系。中小型DCS控制站，以控制16-32回路为限、分散性较易为人们所接受。目前小型DCS所占有的市场，已逐步与PLC、FCS共享，今后小型DCS可能与这2种系统融合，而且“软DCS”技术将在小型DCS中得到发展。控制站是整个DCS的基础，它的性和性为重要，死机和控制失灵的现象是不允许的，而且冗余、掉电保护、抗干扰、构成防爆系统等方面都应很有效而，才能满足用户要求。多年的实践经验证明，绝大多数厂家的DCS控制站是能够胜任用户要求的。 
      DCS系统价格相对PLC系统较高，当然应从性能价格比、产品生命周期及用户根据实际生产装置的自控要求对DCS进行选型、工程费用、维修费用等方面综合考虑。重要的是目前PLC系统、工控机系统（IPC）的价格都是以廉价著称，所以DCS厂商在这方面面临的形势很严峻，今后５年虽然DCS可以生存，但应在降、减少维修费用、发展远程诊断和维护及完善服务体系等方面多下功夫，应对以为主的方式进行修正，即让多的**能参加到DCS应用的行列中来。
      DCS的发展初衷主要是解决系统中的控制回路的控制算法。70年代中期，过程工业发展很快，但由于设备大型化、工艺流程连续性要求高、要控制的工艺参数增多，而且条件苛刻，要求显示操作集中等，使已经普及的电动单元组合仪表不能满足要求，在此情况下，业内厂商经过市场调查，确定开发的DCS产品应以模拟量反馈控制为主，辅以开关量的顺序控制和模拟量开关量混合型的批量控制。所以今天DCS的优势仍然是实现模拟量控制，模拟量控制及其算法是DCS的技术。
      从目前的DCS来看，一个控制器完成几十个回路的运算和几百点的采集、再加适量的逻辑运算，经现场使用，效果是比较好的。这就产生控制器升级的问题了。有时控制器和检测元件的距离还是比较远，这就促进现场总线的发展。

5. FCS控制系统
      现场总线控制技术（FIELDBUS CONTROL SYSTEM）是近几年发展起来的一种新兴控制系统。FCS系统的是总线协议，即总线标准。一种类型的总线，只要其总线协议一经确定，相关的关键技术与有关的设备也就被确定。就其总线协议的基本原理而言，各类总线都是一样的，都以解决双向串行数字化通讯传输为基本依据。但由于各种原因，各类总线的总线协议存在很大的差异。为了使现场总线满足可互操作性要求，使其成为真正的开放系统，在IEC标准，现场总线通讯协议模型的用户层中，就明确规定用户层具有装置描述功能。数字化通信取代4-20mA模拟信号：传统技术，现场层设备与控制器之间的连接是一对一（一个I/O点对设备的一个测控点）所谓 I/O接线方式，信号传递4-20mA（传送模拟量信息）或24VDC（传送开关量信息）信号。应用现场总线技术可用一条通信电缆将控制器与现场设备（智能化、带有通信接口）连接，使用数字化通信完成底层设备通信及控制要求。
      现场总线主要技术特点之一是要求现场设备智能化；即应用现场总线技术，要求现场设备（传感器、驱动器、执行机构等设备）是带有串行通信接口的智能化（可编程或可参数化）设备。因此，现场总线技术以计算机大规模集成电路的发展为基础。特点之二是集现场设备的远程控制、参数化及故障诊断为一体；现场总线采用计算机数字化通信技术连接智能化现场设备，因此，控制器可从现场设备大量丰富信息，可实现设备状态、故障、参数信息传送，可完成设备远程控制、参数化及故障诊断工作。
      基于现场总线的自动化监控系统主要优点:（1）基于现场总线的自动化监控系统增强了现场级信息集成能力。现场总线可从现场设备大量丰富信息，能够好的满足工厂自动化及CIMS系统的信息集成要求。现场总线是数字化通信网络，它不单纯取代4-20mA信号，还可实现设备状态、故障、参数信息传送。系统除完成远程控制，还可完成远程参数化工作。（2）开放式、互操作性、互换性、可集成性。不同厂家产品只要使用同一总线标准，就具有互操作性、互换性，因此设备具有很好的可集成性。系统为开放式，允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，市场上将有许多面向行业特点的监控系统。（3）系统性高、可维护性好。基于现场总线的自动化监控系统采用总线连接方式替代一对一的I/O连线，对于大规模I/O系统来说，减少了由接线点造成的不因素。同时，系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化工作，也增强了系统的可维护性。（4）节省成本：对大范围、大规模I/O的分布式系统来说，省去了大量的电缆、I/O模块及电缆敷设工程费用，降低了系统及工程成本。
      数字智能现场装置是FCS系统的硬件支撑是基础，道理很简单，FCS系统执行的是自动控制装置与现场装置之间的双向数字通信现场总线信号制。如果现场装置不遵循统一的总线协议，即相关的通讯规约，不具备数字通信功能，那么所谓双向数字通信只是一句空话，也不能称之为现场总线控制系统。再一点，现场总线的一大特点就是要增加现场一级控制功能。如果现场装置不是多功能智能化的产品，那么现场总线控制系统的特点也就不存在了，所谓简化系统、方便设计、利于维护等优越性也是虚的。对于一个控制系统，无论是采用DCS或PLC还是采用现场总线，系统需要处理的信息量至少是一样多的。实际上，采用现场总线后，可以从现场得到多的信息。现场总线系统的信息量没有减少，甚至增加了，而传输信息的线缆却大大减少了。这就是FCS系统的一大优点。

6. PCBCS控制系统
      除上述三大控制系统以外，近来出现一种控制系统称为PCBCS，在此只简单介绍一下该系统，不与以上三个系统比较。PCBCS是将经过加固的PC机硬件与控制软件相结合，实施通常由PLC、 DCS执行的控制功能，或者说将PLC的控制功能"封装在"软件内，运行在PC的环境中。PCBCS控制系统主要由以下三部分组成：PC机；I/O组件及其连接件；操作系统软件和应用软件。PC机将以往PLC、DCS控制系统中的操作站、控制站溶为一体，同时具备实施控制、通信及操作显示等多项功能。快速发展的计算机技术使PC机可提供一个真正开放的平台，使系统所有的功能集成于PC这个统一开放的平台上，以减少安装空间、节省电缆，将复杂的通信连接简单化，还可通过互联网Internet或企业内部网Intranet 得要的生产信息，实现生产过程优化。由以上三个组成部分就可以看出PCBCS系统的开放性是的，因此它现在的和未来的发展速度都将是非常快的，决不会象以往的PLC 、DCS控制系统那样因封闭性、专一性而造成长期发展滞后，而会随计算机技术、通信技术、I/O组件制造技术、现场总线技术及软件技术的发展与时俱进，提升。

7. 系统比较

（1） DCS系统是个大系统，其闭环控制功能强。PLC系统适合中型及小型

系统，其逻辑控制功能强。FCS适合各种控制系统，但有数字智能化的现场装置为前提，才能显示其智能化的优势。

（2） DCS系统一次性投资较大，PLC系统投资相对要小。FCS系统要求一次仪表智能化程度高，一次仪表投资要大些。

（3） DCS系统是封闭式系统，各公司产品基本不兼容，事后扩容难度较大。

PLC系统可以通过网络扩充同型号PLC单元，而且它可以作为DCS、FCS系统的处理现场I/O。FCS系统是开放式系统，用户可以选择不同厂商、不同的各种设备连入现场总线，达到的系统集成。

（4） DCS、PLC系统的信息全都是二进制或模拟信号形成的，有D/A与A/D转换。FCS系统是全数字化，采用数字信号传递，就免去了D/A与A/D变换，高集成化，使精度可以从±0.5%提高到±0.1%。

（5） FCS系统可以将PID闭环控制功能装入变送器或执行器中，缩短了控制周期，目前可以从DCS的每秒2~5次，提高到FCS的每秒10~20次，从而改善调节性能。

（6） DCS、PLC可以控制和监视工艺全过程，对自身进行诊断、维护和组态。但是，由于其I/O信号采用传统的模拟量信号，因此，它无法在DCS工程师站上对现场仪表（含变送器、执行器等）进行远方诊断、维护和组态。FCS采用全数字化技术，数字智能现场装置发送多变量信息，而不仅仅是单变量信息，并且还具备检测信息差错的功能。FCS采用的是双向数字通信现场总线信号制。因此，它可以对现场装置（含变送器、执行机构等）进行远方诊断、维护和组态。FCS的这点优越性是DCS、PLC无法比拟的。

（7） FCS由于信息处理现场化，与DCS、PLC相比可以省去相当数量的隔离器、端子柜、I/O终端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜，同时也节省了I/O装置及装置室的空间与占地面积。FCS可以减少大量电缆与敷设电缆用的桥架等，同时也节省了设计、安装和维护费用。但它是以数字智能现场装置为前提的。
      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，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，显然都是不合适的。目前PLC系统由于网络技术的发展，也可以组成大型的DCS系统。而DCS为适应市场需要，也在开发小型的DCS系统。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。随着FCS技术的发展，FCS在不远的将来是有可能占据控制系统的主流。
      随着各种技术的不断发展，几个系统相互融合组成的控制系统网络。在DCS中可以利用PLC作为控制的底层，完成基本的控制任务。其实多台PLC也可以组成控制网络，从其构成形式及分散危险的方面理解，可以被称其为DCS控制系统。作为FCS系统也同样共存与其它系统当中使用，远距离数据采集和连接智能化就地设备利用FCS系统会使整个控制系统锦上添花。而PCBCS控制系统也正在悄悄兴起，从性能和技术支持来看也具有很强的发展势头。

8. 结语
      根据控制系统的特点及电厂改造的具体情况，改造机组增加脱硫、脱硝装置时，控制系统的设计选型应该考虑如下一些情况。从目前控制系统的实用观点来看，应该PLC控制系统。该系统造价远比DCS低，并且改造中的脱硫及脱硝系统一般控制点数在500点左右，适合选用PLC系统。另外系统中模拟量控制较少，开关量逻辑控制较多，所以选用PLC为控制系统能发挥其特长。FCS系统是比较的控制系统，随着一次智能化仪表的发展和普及，FCS将是未来控制系统的主流。由于目前现场条件的限制在改造机组中选用FCS系统还不能发挥其优势。当然如果现场要求控制系统，一次仪表大多采用智能化仪表，选用FCS控制系统是为理想的。该系统可以通过网络技术使数据能够方便地上传给主系统DCS，实现集中监视。在改造系统中也可以采用DCS系统，其控制系统的稳定是经过长期明的，主要是价格昂贵，由于DCS很强大的控制功能在改造系统中没有多少用武之地，造成资源浪费。目前小型DCS系统发展很快，除PLC系统外也可以考虑选用小型DCS系统。由于PCBCS系统刚刚起步，其性还要进一步验证，可能是未来控制系统的发展趋势。具体的选型设计当中还要根据用户的实际情况，综合各种因素选择针对改造机组及用户认可的控制系统

济钢三炼钢板坯连铸机工程是济钢“十五”发展的工程项目，其自动化控制技术已达世界先引水平。济钢三炼钢板坯连铸机工程基础自动化控制系统配置，采用德国SIEMENS 公司的S7系列产品组成仪控合一的基础自动化控制级，用于主PLC与从PLC之间相互通讯使之现场设备正常运行的媒介——PROFIBUS总线。
1 概述
三炼钢厂铸机系统由澳钢联设计，软硬件均采用德国SIEMENS产品，自动化程度处水平。该系统在自动化控制方面分为L1（基础控制），L2（过程控制）两级控制，在网络结构上利用各种PLC通信处理器构成不同应用不同层次PLC网络,采用PROFIBUS现场总线控制构成PLC网络,可以实现在线监控和在线编程PLC主要采用S7-300、 S7-400及C7系列作为主站，远程I/O、变频器等智能单元作为从站，主站与从站采用现场总线PROFIBUS_DP与从站进行通讯。同时，为了满足各主PLC、各单体设备之间数据的传输，一级系统的通讯网络采用Siemens工业以太网，TCP/IP开放协议，光缆介质，通信速率 10Mb/s,采用环形拓扑结构，进行信息的交换。
2 系统组成
2.1 硬件配置
济钢三炼钢连铸机的电气设备采用德国SIEMENS公司产品，包括PLC、数字传动装置等。该连铸机控制系统由18套PLC、4台计算机操作站、2台计算机服务器以及远程I/O组成。整个过程监控系统底层为远程I/O，负责对分布的设备进行数据采集及监控；通过以太网可实现各PLC系统间的通讯，通过服务器与管理网络连接以实现管控一体化，可实现与转炉、精炼、外围、质检分析等系统的数据交换。其中，1台PLC用于公用系统的检测和控制，1台PLC用于铸流系统的检测和控制，1台PLC用于拉矫系统的检测和控制， 1台PLC用于仪表系统的检测和控制, 1台PLC用于辊道系统的检测和控制, 1台PLC用于结晶器调宽系统的检测和控制, 1台PLC用于结晶器振动系统的检测和控制, 2台用于结晶器液位系统的检测和控制3台用于液压系统的检测和控制，2台用于润滑系统的检测和控制，2台用于一次、二次火焰切割机的检测和控制， 1台用于铸坯打号机的检测和控制、1台用于去毛刺的机检测和控制。设置了4台彩色智能人机接口，分别放在主操作室和出坯操作室，对连铸机进行动态监视和操作，并打印报警事件。配有一台1.5级计算机，用于生产管理、质量管理、历史数据存放、趋势显示、报表及打印等。其配置与HMI基本相同。
2.2 系统功能
连铸机自动化系统采取“三电一体化”的设计思想，采用德国Siemens公司现在的新的PLC产品S7-400系列，该模块上有以太网接口、MPI接口、远程I/O接口、串行口等，可根据不同的需要，串入不同的通信网络。S7-400内存大，运算速度快，
处理大量开关量信号外，还可以快速处理模拟信号。因此在设计本控制系统时，将电控和仪控信号均纳入PLC，充分、合理地共享硬件和软件资源。通过检测仪表、现场限位等采集工艺生产过程和设备运行状态的各种数据，实现过程回路和电气设备的顺序控制。计算机过程监控系统主要完成对浇铸平台、拉矫、ASTC、结晶器调宽与振动、二冷配水、后部辊道自动监控。
电气设备的检测与控制主要由PLC系统完成，电气开关量及模拟量全部进PLC,包括拉矫机、引锭系统、结晶器调宽与振动、结晶器液位、辊道系统、液压润滑系统等。监控系统根据从现场检测到的限位开关、接触器、光电开关的信号和仪表的检测数据，对系统进行连锁控制。
计算机操作站通过以太网和远程I/O网络将PLC系统的信息集中处理，产生实时数据文件、趋势文件、报警记录文件。主要完成的功能有：（1）操作监控：通过监控生产工艺过程和设备运行状态给操作人员必要的操作指导，并可对现场设备进行控制。（2）报警与事件记录：自动记录故障发生、恢复的时间及关键设备的操作情况，为故障或事故分析提供依据。（3）二次冷却水动态控制：根据钢水过热度、钢水成分、等生产过程参数，在线修正二冷水配水模型。（4）曲线回放：实时显示设备运行曲线并自动记录
仪表检测与控制主要对冷却水系统的压力、流量、温度进行测量、调节和开断；实时检测结晶器钢水液位，根据液位高低调节拉速。
服务器主要用于数据库管理，包括冶金数据库、生产数据库、设备运行数据库。服务器采集各操作站数据，对数据按要求进行处理后，提供给下一步的过程控制。
2.3 系统和应用软件
系统软件采用Microsoft公司的bbbbbbs，PLC采用Siemens公司的Step7.0编程软件；人机接口采用Siemens公司的Factorybbbb；1.5级计算机采用Siemens公司的Factorybbbb和Microsoft公司的Access数据库软件；通信采用工业以太网，通信协议遵从IEEE800.2和动态数据交换DDE。
2.3.1 PLC应用程序
包括大包回转台旋转及升降，大包称重、测温，中间罐车行走和升降，中包称重和中包液位控制，结晶器液面控制及振动，二冷段汽雾冷却，拉矫机及压下控制，辊道控制，铸坯跟踪、液压润滑系统，定尺切割及铸坯打印等程序。其自动化控制程度高,措施连锁多。
2.3.2 HMI画面软件
根据工艺要求，设有主菜单、铸流概貌、出坯概貌、拉矫机、结晶器液面、结晶器调宽和振动、大包/中包称重、液压系统、驱动装置运行状态，PLC状态、事故停车状态等近40幅画面。操作人员通过对HMI的监控，可以实时观察到设备的运行状况。及时发现处理设备出现的各种事故和隐患。
3 控制系统的特点
连铸机计算机控制系统不仅技术、实用、资源共享、易于维护和维修，而且投资少。在传动装置方面采用了全数字矢量变频调速，控制精度高，运行，与PLC通过现场总线PROFIBUS通讯，操作简单、灵活。根据现场控制划分,本系统为分散控制系统，但作为远程站I/O又是紧凑型的控制系统，这样就大量减少了电缆，增强了信号的稳定性和性，因此这套用PLC、微机等组成的计算机控制系统为集中操作、分散控制的系统。
4 应用效果
济钢三炼钢厂连铸机三电一体化的设计适应了自动化的发展趋势，计算机过程监控系统对于提高连铸机生产的自动化程度，保证产品质量，节约能量，降低劳动强度，改善操作条件，提高劳动效率，增加生产效益以及维护生产都起到了积的作用