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浔之漫智控技术(上海)有限公司
主营：西门子DP电缆代理商
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| 与DCS控制系统各自在离散和过程行业风骚。然而，随着自动化技术的进步，尤其是自动化系统通信技术的飞越式发展，两者正在呈现融合与集成的趋势。这篇来自ARC咨询集团的报告对这一热点加以了较为的探讨。 离散控制系统(DCS)在过程控制行业中占有支配的地位，而可编程逻辑控制器(PLC) 在离散制造行业中占有统治的地位。在过程控制行业中，过程控制的功能基本上通过采用专有的离散控制系统(DCS)来进行调节控制，而其停止运行的功能寻址则由可编程逻辑控制器(PLC)完成。本文将对DCS与PLC系统的集成应用前景进行探讨。过提控制行业和DCS轰统炼油厂、化工厂、发电厂、造纸厂和金属冶炼厂等一类过程控制行业，总是离不开采用DCS作为过程中的控制系统。其主要的一类控制功能特性，例如：控制器、历史状态、显示、现场输出数据等都是 “分布式”的。包括处理器、v0卡分布、通路和现场连接装置(用于执行命令)在内的分布DCS系统流程图可保证灵活地添加、修正或取消控制点的连接。在某种意义上来说，它们能起到隔离的作用，不致使系统上某单部件的故障影响到其他部件的功能。例如，一个控制闭环的故障不致影响到其他相连闭环回路的功能特性。其工作性能和性确立了DCS系统在过程控制行业中的应用地位。 离散行业和PLC PLC是来源于离散行业中的应用。PLC不同于典型的DCS系统选项的地方主要在于，它与控制一个系统的逻辑程序有关。PLC采用物理装置代替硬连线逻辑，并借助于处理器来阅读所有的输入值，并执行程序，向编程状态发出输出指令。这一切都是在重复的扫描过程中完成的，每次扫描约持续几毫秒的时间。一般来说，像汽车和建筑自动化、电子和半导体、机械和运输等一类的离散行业传统上都采用PLC可编程逻辑控制器。 DCS和PLC的共同功能特牲 典型的DCS系统除了能起到控制功能以外，还可将其顺序控制的功能特性，应用于逻辑编程之中。在过程控制功能中发挥作用的同一个处理器也能用于逻辑控制。在连续的过程生产工厂中，逻辑控制和工艺控制是要求互相分离的。这也正是典型的PLC可以获得接受的地方(与DCS系统一起使用)。对于逻辑应用而言，采用DCS系统的方案相对要比采用PLC可编程逻辑控制器昂贵些。何况，过程的停产需要采用一种能立于过程控制系统的系统。一个时期以来，在连续过程控制行业的生产中，DCS系统变成了过程控制的同义词，而PLC的功能特性则适合于停工时使用。其中，DCS系统和PLC系统分别用于过程控制和逻辑功能特性，PLC接收来自DCS系统的数据(连续的输人数据)以及来自于现场的数字和模拟输人数据。 PLC驱动现场各装置的情况(工厂过程中的一部分)纯粹是响应其接收的来自现场的硬接线输入数据，其反应动作立于DCS系统的控制动作。由于PLC接收来自DCS系统的连续输人数据，因此PLC起到了一个数据汇集系统的作用。 3C功能通用的硬件、综合性的技术、加强的通信功能 DCS和PLC系统的处理器始终在不断新换代，与其所鼓吹的强大处理功能保持同步。与这两者控制器连接的I/O卡也有很强大的处理器。工厂在控制器和I/O板上同时安设模拟和数字信号处理功能是符合逻辑的，这是一个它们可以共同发挥作用的地方，两者既“统一”但又“相互立”。在某些情况下，这一目标已经实现。在近一届的德国汉诺威博览会上，Yokogawa,ABB、西门子等一类生产厂越来越多地展示了这些产品。DCS和PLC系统的控制器都具有相类似的功能特性，但从应用来看则又是不同的。 在过程生产工厂中，PLC的性是自动化仪表系统(SIS)运行中的一个主要因素。诸如IEC 61508, IEC 71511和ISA SP85一类的标准事实上已经代替了T它V认证机构所采用的DIN 19250标准。这涉及到对整个自动化仪表系统的认证，而不光是逻辑控制器部分。整体水平(SII,)的认证关系到额外的成本，因此，这使得企业用户会尽量设法去降低开发费用，尽t选用的“通用”硬件。对于用户来说，这样做的结果就是节省每一处系统访问的费用。 ARC咨询集团已经注意到了现场总线基金会(Fieldbu： Foundation, FF)和Proftbus用户组织Profibus Nutzer -organisation，PNO )将应用放在的位置上。FF已将其自动化仪表系统(FF-SIS )提交TVV认机构审批，并希望该系统能够在2005年底以前到位。 PNO组织在规范方面也做了类似的努力，近也送交TiJV认机构审批，以便使工厂的产品能够在相同的时间内发货。这些规范的要点就是要求享用共同的平台、公用的网络以及与DCS系统共享软件工具。但PLC系统仍然保留其停工关闭时的功能识别特性，同时，还要保证可以避免的停产时间。 制造企业倾向于采用一种公用的平台解决方案，以代替不同系统单元连接和各自拥有的总线。DCS和PLC系统的工程功能始终处于分离的位置，并根据不同的访问控制模式进行必要的改变，这主要是因为一直受到传统的系统总线概念的影响。可以通过以太网设备那样的通用通信平台，从而采用单一的工程工作站来配置DCS和PLC系统，这样也可使公用报警和事故监控系统安装在单一的位置上，以避免租用昂贵的三方设备来完成源自DCS和PLC两大系统的数据流汇总。通用工程工作站概念有利于公认的标准编程语言(I E C 61134)成为主流语言。PLC与DCS这两种系统在配置的方式上(例如在功能块方面)有许多共同的特点，这为培训人员降低费用方面铺平了道路。事实上，DCS和PLC系统的操作员通用工作站正在不断地得视。至今为止，DCS和PLC系统之间的传统串行接口—Modbus RTU 协议接口继续延长向PLC开放，以便从DCS系统提取数据后做进一步处理。在大部分情况下，PLC将能够从DCS系统进行“阅读”，但不用于作为对DCS 系统的“写入”。这是因为除了数据的传输速度之外，当数据从PLC写入DCS系统时，通信数据的丢失也可能会影响过程的控制功能。PLC和DCS系统之间的接口通常通过一个位于DCS系统终端的附加“网关”硬件来完成。新的发展趋势是将DCS和PLC系统建立在像以太网那样的公用平台上，并使用 TCP/IP协议进行数据交换。这样，不但可省去DCS系统终端的附加硬件，而且还可以保以高的速度来传输系统之间的数据，并将这些数据地建立在系统之中。我们可以想象，具有共同功能特性、应用于不同场合的DCS系统和PLC设置到同一“底板”上，大地发挥两大系统相互之间的潜力。 工厂资产管理 ARC 资源公司还特别注意到：“……许多供货商已经开发了有效的工厂资产管理(Plant Asset Management，PAM)解决方案，为用户提供了一个进入过程的有力窗口，使他们能够预先制订维修和操作策略，辨别发生事故前的一切问题，为提高工厂的生产性能和操作优化特性(OpX)提供一个关键的方法。”许多来源于PAM的数据将很有效地从FF HSE或Profibus DP一类的公用总线平台获得，而不是分别通过DCS和PLC系统的通道获得。例如OPC的连通性，保OPC服务器驻留在PLC/DCS操作员工作站上，为一个典型的PAM(客户OPC)提供连续的或历史性的数据。DCS和PLC系统在功能特性方面的结合连同其统一的构建风格，为地发挥PAM优越提供了一个机会。 PC-Based 操作员工作站能够支持基于bbbbbbs风格的工业PC。这种情况在DCS和PLC系统中都是实际存在的。控制方式继续以各自拥有的硬件和软件为基础，而所采用的网络体系是一种为公开的标准。其本身不会转化成以PC机为基础的控制方式。用户仍然对传统的控制系统充满信心，同时还吸收了操作终端和网络部分的变化。然而，目前正在出现追捧和推销PC-Based控制器的情况。尤其对于单个控制器应用，这种情况为显著。PC-Based控制器是否会挤占传统PLC和DCS系统的应用空间还是一个值得讨论的问题。只是不知道PC-Based控制器的市场推销是否将进一步促进DCS和PLC技术走向融合？(end) |
1、引言
在煤矿采煤生产中，空气压缩机(简称：空压机)主要负责向矿井大量的风动机械提供动力，其工作的性和性直接影响着矿山的正常生产和经济效益。目前大部分空压机组存在着控制方式落后、操作不方便的问题。控制回路大多为继电器控制，控制方式采用就地分散式人工操作，由固定人员24小时值守，值守人员根据井下用风量的需求手动启动或者停止空压机，并且定时巡检、记录运行状况。另外，空压机组耗电量很大，其中有相当长时间是在空载或轻载状态下运行，导致能耗大、机器受损严重、运行成本较高。因此，设计一个操作方便、功能完善的全自动集中监控系统，对空压机组进行监控和保护，提高空压机组的工作效率，降低能耗，延长使用寿命，有着重要的现实意义。
2、监控系统的构成
本项目空压机房有五台CompAir L250型喷油螺杆式空压机，主电机功率为250kW，供电电压为6000V， 转速为1485rpm，自由排气量为42.7m3/min、大排气压力为7.5×105Pa。每台空压机都配有本体控制器Delcos3100，通过Delcos3100控制器的操作面板，操作人员可以就地控制单台空压机的启停、查看运行状况、设置运行参数等。另外，Delcos3100控制器留有一个RS-485通信接口，支持Modbus RTU协议，为实现空压机组的集中监控提供了条件。系统结构图如图1所示。
目前，市场上的PLC产品基本上由十几家公司占据，这些公司大部分是的跨国公司，包括SIEMENS、ROCKWELL、GE、三菱、SCHNEIDER、ABB、KOYO等等。目前，几乎所有的系统都是由原厂家开发的不兼容系统，当初都是由其各自立按自己的标准开发出来的，互相之间不能互连。虽然近各厂家都开发了通讯模件，但都价格昂贵，而且与外界的通讯由于各种原因都未做到通畅。许多制造业用户特别是大型企业为了避免过分依赖一家系统提供商而形成的商业和技术风险，通常会同时采用几家不同的控制系统。而传统系统的不开放和不兼容令企业难以充分利用自动化技术，对企业内部的系统集成、系统升级和管理带来了大的困难。如何将控制系统互连以及与ERP和MES系统相连，形成由生产过程的层生产现场到管理决策人员的无缝的双向信息流，是许多企业自动化和信息人员以及层关心的问题，而对于这个问题，传统的封闭式的控制系统是无法解决的。
此外，各厂家的PLC系统在硬件结构、控制指令、通信标准都不能共用，这样，一旦用户购买了某一种系统，就被迫继续采用，因为当他们由于某些原因想改换PLC时，工程师不得不学习另外的新的编程语言。这是为什么要IEC61131-3，为所有的可编程控制器订立编程语言标准的原因。系统的开发、设计、生产、工程、维护都需要专门进行，造成其生产成本以及售价都居高不下。
今天制造企业对自动化系统的维护升级等技术支持的要求很高，同时要求系统供应商了解工厂的制造工艺，并需要一个的技术支持，对制造系统的公司来说，在一个区域性市场要保持一支经过良好训练的维护队伍成本很高，这个原因导致了控制系统的技术服务难以令人满意，即使有服务，其备件和人工费也都很昂贵。由于系统是的，用户对这种状况没有其它选择。大家知道，设备所造成的停产代价是非常之大的，而且现代工厂需要对生产过程不断进行调节，因此制造企业迫切需要一个高灵活性的、兼容能力强、、并具有强大的通信能力的系统和良好的技术支援服务，传统的PLC公司在解决这方面的问题上尚未做到令人满意。
② OpenPLC的开放性给用户的好处
OpenPLC就是因应这种需求而产生的一种开放式的控制系统平台，其长处在于具有开放性和通用性的特点，它并非专为某一个或两个行业所设计的，而是可以适合许许多多不同的行业，并应用在不同的场合。而且，由于它所具有的开放性特点，还可以和目前的传统控制系统混合使用，并不断地升级和延伸，因此受到市场的欢迎。
OpenPLC的自动化平台也是的开放式方案，上的各大竞争对手虽然也推出了开放式系统的概念，但通常都是在原有的系统上层加上一些接口，实现局部的互连和通信，并非真正意义上的开放；而OpenPLC把PC兼容的技术引入到现场控制器内部，系统采用WINbbb芯片和软件结构，通讯采用通用的Ethernet协议TCP/IP作为网络协议和现场控制总线协议，并且内部可以内置Web-Server因此具有很大的竞争优势。用户还可以通过互联网或公司内部的Intranet网络来访问任何现场数据并实行控制，反过来，供应商也可以通过Internet对用户的系统进行远程诊断，从而实现全天候的的24小时的技术支持服务。
OpenPLC的特点是开放性，是将电子、通信、计算机、网络等信息技术（IT）方面的成果在自动控制系统领域的应用。目前，的IT业都有一个标准化的趋势，也就是任何一家公司只要按照标准来设计产品，都可以和世界上任何一家大公司的产品兼容或竞争。所以有关的技术目前在各种媒体包括互联网上可以方便地得到，这就使OpenPLC的制造商和系统集成商可以借助上所有的IT行业的新成果，包括INbbb、MICROSOFT、IBM等众多巨型公司的技术和力量来和传统控制系统的公司抗衡，相当于是借助了IT行业的技术力量来进行产品的开发。同时，这些技术虽然是通信、电脑、网络、软件等行业的通用技术，但也并不是可以直接用在自动化行业的，对之进行加工、改造，尤其是在抗干扰和性方面以及如何适应工业控制的具体情况等方面进行大量细致的工作。
另外，通过采用通用的产品与技术标准，使OpenPLC的制造商可以地利用标准器件和现有技术，如大量的通用软件如通讯软件、网络软件、图形软件、数据库软件使开发成本大大降低，研发周期大大缩短，所用的元器件也由于是与主流技术兼容的产品而可以方便地得到。使OpenPLC可以做到在价格比传统控制系统的价格低三到五成的情况下仍然能够保证较高的边际利润。OpenPLC由于其所具有的开放性和灵活的通讯特点，可以构成足以令人眼花缭乱的各种各样的控制系统，但是，OpenPLC的基本单元是十分简单的。除了前述的开放性特点之外，OpenPLC还有一个为重要的特点，那就是简单。简单就是美，OpenPLC所有的解决方案，从设计到应用，从软件到硬件，从集成到组态，处处都体现出“简单”的特点。
六、结束语
PLC的未来发展不仅取决于产品本身的发展，还取决于PLC与其它控制系统和工厂管理设备的集成情况。PLC通过网络，被集成到计算机集成制造（CIM）系统中，把他们的功能和资源与数控技术、机器人技术、/CAM技术、个人计算机系统、管理信息系统以及分层软件系统结合起来，在工厂的未来发展中，将占据重要的地位。
新的PLC的技术进展包括：好的操作员界面，图形用户界面（GUI），人机界面；也包括与设备、硬件和软件的接口；并支持人工智能，比如逻辑I/O系统等。
软件进展将采用广泛使用的通讯标准提供不同设备的连接，新的PLC指令将立足于增加PLC的智能性，基于知识的学习型的指令也将逐步被引入，以增加系统的能力。
用户对于柔制造系统的需求将决定未来的控制哲学。可以肯定的是，未来的工厂自动化中，PLC将肯定占据重要的地位，控制策略将被智能地分布开来，而不是集中，级PLC将在需要复杂运算、网络通信和对小型PLC和机器控制器的监控的应用中获得使用。
所有上述的发展，都取决于一个因素：PLC的开放性。只有开放了，PLC才能与其它控制系统集成；只有开放了，PLC才能与CIM、机器人、/CAM、个人计算机、MIS结合，在工厂的未来发展中占有重要地位；只有开放了，PLC才可能发展好的人机界面，才能与其它设备具备灵活的接口；只有开放了，PLC才能适应多的通讯标准；只有开放了，才能采用多、复杂的控制策略
从机地址：网络上设备的地址，确定目的站从站。有效范围1-247。
功能代码： 与HMI和MODBUS从站设备通信时主要用到的功能码： 01读线圈、02读离散量输入、03读保存寄存器、05写单个线圈、06写单个寄存器、15写多个线圈、16写多个寄存器。艾默生 PLC MODBUS全部支持所有的功能码。此次与从站设备的通信用到的03（读）与16（写）这两个功能码。
数据：要读取或者写入数据的寄存器地址与数量。RTU模式下，多252字节（2×252个字节，ASII模式）。
CRC检验码： 艾默生 PLC编程软件（ContrStar）里的MODBUS指令执行时会自动加校验码（使用CRC校验情况下），用户不需计算校验和。如果用LRC校验时，在发送MODBUS指令时，才用计算检验码。
四、PLC程序
本控制系统程序由四个功能块组成，分别是逻辑控制、高速计数子程序、通信读子程序、通信写子程序。
逻辑控制，主要包括：两路交流电自动切换、 对控制模块电压进行调节 、 对充电模块电压、电流进行调节 、 自动控制电池充电过程 、 充电电流温度补偿、自动调压 、电池活化 、充电器故障保护与电池组过放电保护等处理控制。
高速计数子程序，直接利用Contrstar 软件里SPD指令对6个输入端口进行高速脉冲计数（2路计数频率50KHZ，4路计数频率10KHZ），来计算整流模块的输出电压。
读取从站数据子程序，读取电流传感器、绝缘检测仪、电池检测仪等设备数据时采用此功能子程序。设备不同，其站地址、参数个数、参数寄存器地址、参数存放PLC里的软元件地址等都不同，却都可以调用此程序，只要填上该设备的相应参数即可完成。
写入从站数据子程序，如果用艾默生 PLC主模块上的COM0口或者COM1口与触摸屏通信，并且PLC做MODBUS从站时，HMI可以直接读写PLC数据（客户只要设置好通信参数即可）。但如果PLC做主站，HMI做从站时，就需要在PLC里编写通信程序给HMI写数据。
无论读取还是写入从站数据，通信程序都有以下几部分组成：
■通信参数设置：
PLC部分：通信端口COM1，MODBUS协议（RTU模式）站地址，波特率9600bps,8数据位，2停止位，无校验。（在PLC编程软件“系统块”目录的“通信口”界面上设置）。
HMI部分：和PLC设相同通信参数，站地址除外。
■通信数据刷新：
通信时，无论是发送还是接收数据时，都要占用端口COM1。为了能在较短的时间内，刷新所有从站通信数据。我们可以采用ContrStar软件里的MODBUS发送接收（MODBUS命令发送完后，自动接收）完成标志位SM135（完成时置位）来判别与一台从站通信完成。从而与下一台从站开始通信。
注明：也可以用定时器来计时，定时和不同从站设备通信。但是这样做效率不高，影响通信速度。在速度要求不高的场合，也可考虑采用这种方式。
读命令功能：把MODBUS读发送帧格式写成固定的一个功能块，设置了几个灵活使用的参数：从站地址、寄存器起始地址、读取个数与接收数据的存放地址。与不同从站设备通信时，只需填写这几个参数，便可完成。
写命令功能：把MODBUS写发送帧格式写成固定的一个功能块，参数设置与读命令功能相同。
故障处理功能：如果在规定时间内，从站设备没有返回PLC数据，或者PLC把通信错误SM136置位。我们就认为与此设备通信有故障，丢弃此帧，但是与他的通信完成。继续下一台设备的通信。这样不会因为一台设备通信故障，影响与其他设备通信。下一轮再与此设备通信。
五 、运行效果
EC10自投入运行以来，效果良好，系统工作稳定。PLC与所有MODBUS从站设备的数据交换就用通信读与写两个功能块就可以实现。编程简单，指令丰富，功能强大，操作界面人性化，非常适合于直流屏行业的应用，深受客户。(end)回PLC数据，或者PLC把通信错误SM136置位。我们就认为与此设备通信有故障，丢弃此帧，但是与他的通信完成。继续下一台设备的通信。这样不会因为一台设备通信故障，影响与其他设备通信。下一轮再与此设备通信。
五 、运行效果
EC10自投入运行以来，效果良好，系统工作稳定。PLC与所有MODBUS从站设备的数据交换就用通信读与写两个功能块就可以实现。编程简单，指令丰富，功能强大，操作界面人性化，非常适合于直流屏行业的应用，深受客户