0.引言
隨著化工自動化技術的不斷發展，集散控制的思想越來越廣泛地被廣大自動化工程技術人員所青睞，并正在逐漸被應用于新建、擴建和技改項目中。但傳統的集散控制系統一般由專業廠家生產，具有一定的專有性；另外傳統的集散控制系統一般來講其控制規模比較大，成本費用比較高；因此限制了在中小規模的自控系統項目中的推廣應用。那么如何在中小規模控制系統中實現集散控制的思想呢？帶著這一問題，筆者在閱讀了大量技術資料的基礎上對現有DCS和PLC的控制系統進行了總結對比，提出了在中小規模化工項目中用PC +PLC構成DCS的思想，并在貴州宏福實業開發有限總公司年產80萬噸重鈣裝置改磷銨的技改項目中的液氨儲運工段成功地得到了應用。
1.用PC和PLC實現集散控制（DCS）的基本原理
集散控制的基本思想是集中管理，分散控制。即：將流程工業的自動控制過程與操作管理人員對自動控制過程的管理過程相對分離；流程工業的自動控制過程由各控制站相對獨立地自動完成，而操作人員對自動控制過程的管理則由中央控制室的操作站來完成。中央操作站與各現場控制站一方面各自相對獨立地運行，從而將各種故障限制在局部范圍內，極大地提高了自動控制系統總體的安全性和可靠性；另一方面又相互進行實時數據通訊和信息交換，實現了操作人員在中央控制室的操作站對整個自動控制過程進行管理和調整。
現場控制站的主要任務是實現對生產過程的自動控制，因此它必需要能夠自動采集全廠的各種工藝參數（如各種工藝介質的溫度、壓力、流量、粘度、組分，物位高度等）以及設備的運行狀態（如閥門的開度、機泵的開停、設備震動、機械位移）等生產信息，然后按照事先編好的控制程序進行大量的數值計算，最后輸出4~20mA標準模擬信號（或ON/OFF數字信號）去驅動各種閥門、電機等執行機構，調節各種工藝參數，實現生產過程的自動控制；另外還要與操作站進行實時通訊，將采集到的各種生產信息傳送到操作站供操作人員使用，同時接收操作人員通過操作站發出的各種指令實時調整自動控制方案、優化生產過程。因此它還需要具有標準化的通訊接口。目前的各種PLC均具有這樣的功能，而且其容量彈性大，擴充方便，控制方案的組態簡單易學，性能價格比優越，因此是中小型DCS的操作站的理想選擇。
中央控制室的操作站實際上是一個人機界面，一方面把控制站采集的各種生產信息進行加工處理，然后以操作人員所習慣和熟悉的各種流程畫面、生產報表、歷史趨勢和聲光報警等形式提供給操作人員。另一方面把操作人員的各種指令進行編碼后傳送給操作站對控制方案進行調整，以優化生產過程或對特殊情況的緊急處理。對中小型DCS來講，目前市面上比較流行的各種監控軟件均能實現這樣的功能，且對計算機的硬件和操作系統無特別要求，用普通的PC機加一套監控軟件就可實現。
用PC機+PLC組成集散控制系統時，PLC承擔了現場控制站的工作，PC機承擔了操作站和工程師站的工作。在安裝有PLC系統軟件的PC機上可以離線（或在線）編輯PLC的控制應用軟件（一般稱為梯形圖），控制應用軟件下載到PLC后，PLC獨立完成現場數據采集、邏輯控制、模擬控制等。而操作站的各種功能都可以通過“實時監控軟件”+“PC機”來實現，在安裝有實時監控軟件的PC機上可以方便對生產過程進行監控。
2.用PC和PLC實現集散控制（DCS）一例
2.1.工藝過程簡介：
液氨儲運工段是貴州宏福實業開發有限總公司年產80萬噸重鈣裝置改磷銨的技改項目中的重要組成部份，設計卸氨能力250噸/小時，罐區緩沖能力9000噸。氨在常溫常壓下為氣體，易燃、易爆、有毒、有害；液氨儲運工段是總公司的高危區之一，安全生產是本自動控制系統應考慮的重點。
2.2.控制系統概況：
為提高生產的安全性，在本控制系統中對重要的工藝參數點采取了“3取2表決”的策略，并設計了21個自動連鎖回路，對生產過程進行連鎖保護；為保證生產過程的平穩運行和節能降耗，系統設計了6個調節回路。為便于監控和操作，在操作站設計了一幅流程畫面總貌圖，集中顯示了與安全生產密切相關的一批工藝參數、設備運行狀況態和報警信息；對其它化工單元操作過程設計了相關的局域流程畫面，全面地顯示了與其相關的各種詳細生產信息；根據操作人員的習慣，在操作站設計了4組組畫面，分別集中顯示溫度、壓力、流量和液位信號；對6個調節回路分別設計了調節畫面，實現對PID參數的整定、手自動模式的切換以及對調節閥門的手動操作；對21個主要閥門分別設計了彈出式開關畫面，實現對生產過程的自控或遙控；對主要工藝參數設計了歷史趨勢圖，為故障診斷和優化控制提供了數據。為確保安全生產，實現對緊急事故的應急處理，對6個調節器回路加裝外部自動跟蹤調節器，一旦出現控制系統故障，自動切換到跟蹤調節器獨立于DCS來控制調節閥；對21個主要閥門加裝應急處理按鈕，獨立于DCS實現對閥門的強制開關。
2.3.硬件配置：
控制站選用OMRON的C200型PLC，配置了數字模塊（OD211/ ID212）9塊，模擬模塊（AD003）4塊，調節模塊（PID03）3塊；操作站選用DELL OPTIPLEX GX150計算機；工程師站選用COMPA型PC機。構成圖如下：
圖1 硬件配置
2.4.控制站軟件組態：
控制站的組態用OMRON的系統軟件SSS作為技術平臺，用梯形圖作為編程工具，其組態內容主要有：
2.4.1.PLC內部地址的分配：
I/O地址的分配：PLC的I/O地址是PLC與現場檢測設備、執行機構進行數據通信的唯一的一一對應的寄存器地址，I/O地址的分配是對PLC進行進一步組態的基礎；對OMRON-C200而言，I/O地址與所連接的I/O模塊有關；連接到數字模塊上的現場設備，其I/O地址取決于I/O模塊的安裝位置和在該模塊上的點號，連接到模擬模塊、PID模塊上的現場設備，其I/O地址取決于I/O模塊的單元號（不同的模塊應通過模塊的硬開關設置不同的單元號）和在該模塊上的點號；比如在本系統配置中，現場的雷達液位變送器LT-101輸出的4~20mA的模擬信號連接在單元號為3的模擬輸入模塊AD003的第二點上，則它在PLC中的配置的地址便是IR：132；而閥門HV120的關閉狀態信號（closed）連接到安裝在的擴展機架第二槽的數字輸入模塊ID212的第十點上，則它在PLC中的配置的地址便是IR：01210；本系統中，共定義I/O地址142點。
操作站與控制站數據交換地址的分配：操作站與控制站的數據通信是通過讀寫PLC的內部寄存器來完成的，為了實現操作站與控制站的實時通訊，還必須為PLC配置足夠的內部寄存器地址來存貯這些數據；比如，定義DM0232作為操作站與控制站交換LT－101的數據的內部寄存器，則PLC把采集到LT－101的液位信號經過預處理后存貯在DMO232，而操作站則到PLC的DM0232讀取LT－101的數據來建立自己的數據庫；本系統中，共定義此類地址184點。
中間地址的分配：PLC在運行過程中，還需要大量的中間寄存器來存放那些運算過程中的臨時數據，為提高應用程序的可讀性，也必須對這些寄存器進行必要的定義和注釋。
2.4.2.為控制策略編寫梯形圖
自動調節：本系統中選用3個PID03模塊組成6個調節回路來完成生產過程的自動控制，為了方便操作人員在操作站對控制過程的管理，PID03的SW2應設置為ON，并編寫相應梯形圖以實現PLC與PID03的數據交換，比如：調節回爐PIC111由單元號為5的PID03的第二回路完成，當執行圖2所示一段程序后，PLC中地址DM0060中的數據就被定義為調節回路PIC111的給定值。
圖2 為PIC111寫設定值
三取二表決：為保證安全生產，常壓罐的壓力必須控制在規定的范圍內，每升高（降低）到一定范圍時，就必須啟動（停止）相應的設備；為此，在現場用三塊壓力表來測量其壓力，PLC中對三個壓力進行比較，只有三塊中的二塊同時具備條件時，連鎖才動作；在編寫梯形圖時，采用比較指令、再加上與、或、非等邏輯指令就可實現此控制策略。（梯形圖略）
連鎖保護：梯形圖與電氣連鎖邏輯圖非常相似，I/O地址確定以后，為連鎖保護編寫梯形圖既操作簡單又可讀性強。為保護設備和生產安全，本系統共編寫連鎖回路21個。（梯形圖略）
2.4.3.I/O模塊的設置與校正：
梯形圖編寫完成以后，還必須對I/O模塊進行必要的設置和校正，PLC才能正常工作；模擬模塊應設置與現場設備相對應的輸入信號種類和對輸入信號的預處理方法，還應對零點和量程進行校正；PID模塊除了對輸入信號種類、輸入信號的預處理方法進行設置外，還要對PID模塊存儲區的內容及其修改方式、調節回路設定值的修改方式、PID的控制作用及其控制方式等內容進行設置。
2.5.操作站軟件的組態：
操作站的組態選用INTELLUTION的系統軟件FIX32作為技術平臺：其主要內容包括：系統配置、建立數據庫、繪制流程圖、定義歷史趨勢和報表等。
系統配置在本系統中實際上就是在PC機上安裝FIX系統，其主要內容是定義FIX系統的安裝目錄，安裝接口設備驅動程序配置SCADA系統，配置報警系統，配置網絡等。FIX提供有龐大的I/O接口設備驅動程序庫，本系統配置控制站為OMRON的PLC，因此要選擇安裝I/O驅動程序OMR.drv和OMRON的PLC進行通訊。
建立數據庫：數據庫是SCADA系統賴以工作的基礎，它由一系列數據點構成，每個數據點實際上就是一個功能塊，FIX提供了各種功能塊以滿足不同的需要，這些功能塊或對接口設備讀寫數據，或對數據進行運算和報警處理。在數據庫中建立一個數據點就是定義一個功能塊，其內容包括：功能塊類型，數據點的位號、注釋、零點、量程，接口設備，I/O地址，數據的格式，報警上、下限等。如：在數據庫中添加一個AI模塊，在其屬性對話框中定義：“位號”為“LT-101”，“描述”為“緩沖球罐F0101A液位”，“接口設備”為“OMR”，“I/O地址”為“D：DM：232”，“數據的格式”為“12AL”，“零點”為“0”，“量程”為“17”，“單位”為“M”；則在數據庫中便建立了一個數據點LT-101，它讀取PLC中地址為DM0232的寄存器中的數據（0 -4095），并轉換為0-17M的數據供FIX其它功能塊和流程圖調用。
繪制流程圖：流程畫面實際上是一個人機接口，操作人員就是通過流程畫面來了解和控制生產過程的，所以流程畫面既要信息全面，又要簡單扼要。FIX系統提供了WINDOWS風格的繪圖工具和相關控件，可以很方便地繪制多種動態畫面來滿足操作人員的要求。比如：在流程畫面中，為了形象地顯示緩沖球罐F0101A的液位，只需在其圖形的動態特性對話框中選中動態填充屬性，定義其填充色的高度隨“位號”為“LT-101”的數據的大小而變；為了準確地顯示該液位的實際高度，可在該球罐圖形旁邊定義一個動態數據連接，連接到“位號”為“LT-101”的數據點；為了直觀地顯示各種閥門的工作狀態，在其圖形的動態屬性對話框中選中動態顏色變化，閥門關顯示靜止的紅色，閥門開顯示靜止的綠色，閥門關出現故障顯示閃爍的紅色，閥門開出現故障顯示閃爍的綠色；為了快速控制閥門，把它的彈出式開關畫面連接到其圖形上，只需用鼠標單擊其圖形，即彈出開關畫面，實現流程畫面上的對象所見即所得。
定義報表：考慮到總公司已推行電子化辦公，各種報表均設置為定時保存到文件，操作人員可以根據需要隨時調用，并隨著辦公自動化的推行，與企業內部管理網連網，通過WEB頁瀏覽和調用。
3.結束語
該控制系統投用2年多來，性能穩定、運行可靠，界面友好，操作簡單，維護工作量很小，受到了操作和維護人員的歡迎；投用后，根據技改工作需要又進行了2次擴容均未影響正常生產，實踐證明PC+PLC構成DCS，系統配置靈活、軟件組態簡單，便于自行設計和調試，性能價格比優越，系統擴展容易且維護工作量小，是企業進行技術改造和中小型生產過程首選的自控系統。