三大控制系统的产生、定义、特点、应用及发展趋势资料

PLCDCSFCS三大控制系统的产生、定义、特点、应用及发展趋势自092 王远 摘 要 本文介绍了P L C 、D C S 和F C S 三大控制系统的产生和基本特点、举例说明各种控制器在不同领域中的应用，并阐述了三大控制器的发展趋势。关键词 PLC；DCS；FCS；控制器1 可编程逻辑控制器（PLC）1.1可编程逻辑控制器（PLC）的产生1968年,美国通用汽车公司(GM)为适应汽车型号的不断翻新,想寻找一种能减少重新设计控制系统和接线、降低成本、缩短时间的措施,并设想把计算机功能的完备、灵活通用和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来,制成一种通用控制装置,并把计算机的编程方法和程序输入方式加以简化,用面向控制过程、面向用户的“自然语言”编程,使不熟悉计算机的人也能方便地使用。以此为基准提出了著名的10条技术指标：（1） 编程简单，可在现场方便地编辑及修改程序；（2） 价格便宜，其性价比要高于继电器控制系统；（3） 体积要明显小于继电气控制柜；（4） 可靠性要明显高于继电气控制系统；（5） 具有数据通信功能；（6） 输入可以是AC 115V；（7） 输出为AC 115V，2A以上；（8） 硬件维护方便，最好是插件式结构；（9） 扩展时，原有系统只需做很小改动；（10） 用户程序存储器容量至少可以扩展到4KB。于是可编程控制器应运而生，1969年美国数字设备公司(DEC)研制出了世界上第1台PLC,并在GM公司的汽车自动装配线上首次使用,获得成功。从此,这项新技术便迅速发展起来。1.2可编程逻辑控制器（PLC）的定义1985年1月，国际电工委员会（IEC）对PLC作了明确定义：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算和顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的或模拟的输入/输出接口，控制各种类型的机器设备或生产过程。 1.3 PLC的特点。第一，可靠性高，抗干扰能力强。高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC专为工业控制设计的，在设计和制造过程中采用严格的生产工艺制造，在硬件和软件上都采用了许多抗干扰的措施：如屏蔽、滤波、隔离、故障诊断和自动恢复等；同时PLC是以集成电路为基本元件的电子设备，没有真正的接点，元件的使用寿命长；这些都大大提高了PLC的可靠性和抗干扰性。第二，编程简单、易学。PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备，所以它采用了大多数技术人员熟悉的梯形图语言，梯形图语言与继电器原理相似，形象直观，易学易懂。第三，功能完善。PLC发展到今天，除了具有模拟和数字量输入/输出、逻辑运算和定时、计数、数据处理、通信等功能外，还可以实现顺序、位置和过程控制。第四，通用性强。目前PLC的产品已经标准化、系列化、模块化，具有各种数字式、模拟量的输入/输出接口，用户可以根据需求灵活的对系统进行控制；再加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。第五，设计、安装、调试工作量小，维护方便。在传统的继电器控制系统中，逻辑控制功能是通过导线来实现的，要改变控制功能必须改变导线的接线方式。PLC 用软件取代了继电器控制系统中各种功能的继电器，内部不需接线和焊接，只要进行外部接线和程序编写就可以了，通过执行存储器中的程序实现系统的控制要求。 1.4可编程逻辑控制器（PLC）的应用 1.4.1基于PLC的半钢子午胎全自动裁断机控制系统半钢子午胎全自动裁断机由前后两工位导开、储布、主机传送带、边缘检测、吸取、对接等装置构图11系统组成示意图成,如图1-1所示。装置的控制系统由MELSECA可编程序控制器及其伺服控制系统组成。帘布经导开装置导开,通过储布装置张力恒定地输送到主机送布辊,送布辊电机与主机传送带电机配合,将帘布向前定长输送,由裁刀自动规格裁断。系统采用A2SHCPU-S1作为主机,其I/O点数达2048点,处理速度为025s/步,具有故障监视定时器WDT;采用两块A1SD62高速计数模块用于帘布边缘检测、角度定位等装置上的光电码盘发出的脉冲信号的计数;两块A1SD75P3-S3高精度定位模块用于主机定长、定长送布、吸盘精确吸取、准确对接等的控制,S型加减速功能保证了平滑起动和停车,多种返回原点的方法确保了吸盘回零的准确度;数字I/O全部采用密集安装方式,输出经继电器模板驱动。 半钢子午胎全自动裁断机控制系统由A系列可编程序控制器与J2系列数字交流伺服系统构成,通过人机交互系统完成规格裁断的设定和基本操作。主机传送带满足精度要求的定长控制是对接成功的前提,其中定长控制的参数设置与校正非常重要。通过全数字交流伺服定位系统位置模式控制参数的组合,较好地解决了这一问题。实际运行结果表明:系统综合性能指标符合工艺要求,定长裁断误差小于1mm。 1.5可编程逻辑控制器（PLC）的发展趋势(1)可编程控制技术的标准化一种自动化产品的竞争力主要在于其满足国际标准化的程度和水平。标准化一方面保证了产品的出厂质量,另一方面也保证了各个厂家产品的互相兼容。所以可编程技术的标准化势在必行。(2)CPU处理速度进一步加快将来会使用64位RISC芯片,实现多CPU并行处理或分时处理或分任务处理,实现各种模块智能化,且部分系统程序用门阵列电路固化。这样PLC执行指令的速度将达到纳秒级。(3)可编程控制技术的智能化提高一个系统的智能程度不仅提高系统的品质,在某种意义上也提高了系统的可靠性。(4)向集成化、通讯化、网络化发展由于控制内容的复杂化和高难度化, PLC将与PC集成,与DCS集成,与PID集成。网络化和强化通信能力也是PLC的重要发展方向,尤其是以PC为基础的控制产品增长率不断加快。PLC与PC集成,即将计算机、PLC及操作人员的人机接口结合在一起,使PLC能利用计算机丰富的软件资源,而计算机能和PLC的模块交互存取数据。以PC机为基础的控制方法使得用户编程更加方便,而且提供开放的体系结构,用户可以根据需要选择各类、各厂家的PLC或I/O设备进行互联,从而可以降低生成成本和提高生产率。(5)控制系统分散化根据分散控制、集中管理的原则, PLC控制系统的I/O模块将直接安装在控制现场,通过通信电缆或光纤与主CPU进行数据通信。这样使控制更有效,系统更可靠。(6) PLC的新进展-软PLC计算机软、硬件技术的迅速发展,推动了自动控制技术又取得了一系列新的进展。目前有许多工业用自动控制产品、机电一体化产品开始转向以计算机为平台的控制方式,这就是软PLC。软PLC实际利用软件来实现传统PLC的功能,它最大的优势是具备柔性扩展能力,用户可以选择不同厂家生产的各种硬件产品,充分利用每一软件的最佳特性,组成最佳的控制系统。同时与硬件的连接也十分方便。有很多的I/O卡可以直接内连接到SOFTPLC计算机总线上。从而在软、硬件两方面可以达到工控机和PLC性能的完美结合,方便了性能扩展和人机交流,是PLC未来的一大发展趋势。2 集散控制系统（DCS）2.1集散控制系统（DCS）的产生 最初的工业过程控制是通过单元组合仪表采用原始分散控制,各控制回路相互独立,其优点是某一控制回路出现故障时,不影响其它回路的正常工作,缺点是硬件过多,自动化程度不高,难以实现整个系统的最优控制。随后出现集中控制,它是通过计算机将控制回路的运算、控制及显示等功能集于一身,其优点是硬件成本较低,便于信息的采集和分析,易实现系统的最优控制,缺点是危险集中,局部出现故障会影响整体。鉴于以上原因,人们开始研究集中分散控制,随着控制技术、计算机技术、通信技术、图像显示技术的发展,70年代中期吸收原始分散控制和集中控制两者优点,克服其缺点的集中分散控制系统诞生了。2.2集散控制系统（DCS）的定义 集散控制系统是20世纪70年代中期发展起来的以微处理器为基础的分散型计算机控制系统。它是控制技术（Control）、计算机技术（Computer）、通信技术（Communication）、阴极射线管（CRT）图形显示技术和网络技术相结合的产物。该装置是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种全新的分布式计算机控制系统。2.3集散控制系统（DCS）的特点（1）分级递阶控制。集散控制系统是分级递阶控制系统,它的规模越大,系统重直和水平分级的范围也越广。最简单的集散控制系统至少在垂直方向分为操作管理级和过程控制级,水平方向各过程控制级之间相互协调,向垂直方向送数据,接受指令,各水平级间也进行数据交换。（2）分散控制。分散控制是集散控制系统的一个重要特点。分散的含义不单是分散控制,还包括人员地域的分散、功能分散、设备分散、负荷分散、危险分散。目的是危险分散,提高设备使用率。（3）功能齐全。可完成简单回路调节、复杂多变量模型优化控制,可执行PID控制算法、前馈-反馈复合调节、史密斯预估、预测控制、自适应控制等各种运算,可进行反馈控制,也可进行间断顺序控制、批量控制、逻辑控制、数据采集,可实现监控、显示、打印、输出、报警、历史趋势贮存等各种操作要求。（4）易操作性。集散控制系统根据对宜人学的研究,结合系统组态、结构方向的知识,为操作工提供了一个非常好的操作环境。为操作员提供的数据、状态等信息易于辨认,报警或事件发生的信息能引起操作员的注意,长时间工作不易疲劳,操作方便、快捷。（5）安全可靠性高。为了提高系统的可靠性,确保生产持续运行,集散控制系统在重要设备和对全系统有影响的公共设备上采用了后备冗余装置,并引入容错技术。硬件上包括操作站、控制站、通讯线路等都采用双重化配置,使得在某一个单元发生故障的情况下,仍然保持系统的完整性,即使全局性通信或管理失效,局部站仍能维持工作。从软件上采用分段与模块化设计,积木式结构,采用程序卷回或指令复执的容错设计,使系统安全稳定。（6）采用局部网络通信技术和标准化通信协议。已经采用的国际通信标准有IEEE802、PROWAY和MAP等,这些协议的标准化是集散系统成为开放系统的根本。集散控制系统的开放使各不同制造厂的应用软件有了可移植性,系统间可以进行数据通信,为用户提供广阔的应用场所。（7）信息存储容量大,显示信息量大,有极强的管理能力,可实现生产过程自动化,工厂自动化、实验室自动化、办公室自动化等目标。（8）适用于化工生产控制,有良好的性能价格比,不但其硬件适应化工控制,而且软件的适应性也稳定,随着系统开放第三方的应用软件也可方便应用。2.4集散控制系统（DCS）的应用2.4.1DCS在我国大中型化肥厂的应用情况从80年代初期开始,我国多数大、中型化肥企业相继采用DCS系统(如表1)。1981年吉林化肥厂采用CENTUM控制9个氨合成塔机组,1985年云南天然气化肥厂引进TD-3000开发了4套先进节能控制系统,均取得了很好的经济效益和社会效应。泸州天然气化肥厂1986年采用TD-3000后,增产合成氨115%;沧州化肥厂1987年引进横河CENTUM控制4套节能系统和辅助锅炉,能耗大幅降低;赤水天然气化肥厂1987年采用VEN-TUM后,吨氨耗降低(0.130,15百万大卡),每年增产合成氨4000t。其他化肥厂如辽河化肥厂、大庆化肥厂、四川天然气化肥厂、中原化肥厂等采用集散控制系统后,投用效果都很好。 2.5集散控制系统（DCS）的发展趋势（1）开放性。集散控制系统中所使用的设备将趋于通用的产品, 专用的产品将越来越少, 特别是计算机和网络。高性能的工控机、工作站将被大量采用, 通用网络产品也将逐步淘汰专用网络。网络通信规约逐步向得到普遍承认的标准靠拢, 以系统集成的方式构成应用系统方法得到越来越多的应用。（2） 分散化和智能化。智能仪表、智能电子设备及现场总线技术将被大量采用, 集散控制系统的体系结构进一步走向分散化, 直接数字控制将深入到每一个控制回路、现场设备和工位, 因此现场总线网络的发展将成为各厂家注目的焦点。（3）系统构成的多样化。现在几乎已看不到传统意义上的集散控制系统了, 目前所说的集散控制系统是一种广义的概念, 其中包括传统集散控制系统厂家推出的新一代系统, 也包括由PLC、高速总线网和专业厂家的组态软件所构成的系统。在不同的应用领域,集散控制系统的构成也各不相同。（4） 综合自动化。系统的发展逐步走向综合自动化, 将来任何系统都不是孤立的, 无法与其它系统互相通信并实现集成的集散控制系统已不再有生命力。3 现场总线（FCS） 3.1现场总线（FCS）的产生随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展,信息交换沟通的领域迅速扩大,覆盖了从工厂的现场设备到控制、管理的各个层次,从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发展,引起了自动化系统结构的变革,逐步形成了以网络集成自动化系统为基础的信息系统。现场总线(Field-bus)就是顺应这一形势发展起来的新技术。它的出现,标志着控制技术领域又一个新时代的开始,并将对该领域的发展产生重要的影响。 3.2现场总线（FCS）的定义 现场总线原本是指现场设备之间公用的信号传输线。以后又被定义为应用在生产现场，在测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的技术。3.3现场总线（FCS）的特点FCS 是第五代过程控制系统, 由PLC 或DCS 发展而来,它是21 世纪自动化控制系统的方向。是3C 技术(Communication,Computer,Contro1)的融合。(1)适用于本质(本征)安全、危险区域、易变过程、难于对付的非常环境。(2) 全数字化、智能、多功能取代模拟式单功能仪器、仪表、控制装置。(3)用两根线联接分散的现场仪表、控制装置, 取代每台仪表的两根线。“现场控制”取代“分散控制”;数据的传输采用“总线”方式。(4)从控制室到现场设备的双向数字通信总线,是互联的、双向的、串行多节点、开放的数字通信系统取代单向的、单点、并行、封闭的模拟系统。(5)用分散的虚拟控制站取代集中的控制站。(6)3 类FCS 的典型应用:连续的工艺过程自动控制如石油化工, 其中“本安防爆”技术是绝对重要的;分立的工艺动作自动控制如汽车制造机器人、汽车; 多点控制如楼宇自动化。3.4现场总线（FCS）的应用3.4.1国外火电厂现场总线技术的应用（1）进入21世纪后，现场总线技术在各个领域都具有了不同程度的应用，尤其是近几年，现场总线技术已经成功应用于火力发电厂的主要工艺系统。比较典型的有位于德国科隆附近RWE集团的尼德豪森电厂（1950MW），采用了德国Siemens公司的现场总线技术；有位于美国堪萨斯的OPPD能源集团的Nebraska电厂（2740MW）燃煤机组，采用了Emerson公司的现场总线技术；也有位于美国休斯敦以北的TXU集团的Martin Lake燃煤电厂（3880MW），采用了Invensys公司的现场总线技术等；以及位于意大利罗马的TIRRENO POWER联合循环电厂，瑞士、德国和瑞典的垃圾焚烧发电厂。（2）国外的大型火电厂，均在锅炉和汽轮机等主系统的监控系统上采用了现场总线技术，其中的典型应用如下：1）德国Niederraussen电厂（1950MW），控制系统为西门子TXP-2000，除锅炉安全监控系统（FSSS）、汽轮机控制和保护系统（DEH、ETS）、重要的模拟量控制采用常规方案外，总线的应用基本集中在被控对象，即Profibus-DP的应用，仪表部分采用了HART协议，机组已经投入运行，运行情况良好。2）意大利TIRRENO POWER联合循环电厂，该工程为改造项目，控制系统为西门子T2000，模拟量仪表和分析仪表采用了Profibus-PA协议，被控对象采用了Profibus-DP协议，即除燃机、汽机控制和保护系统（DEH、ETS）采用常规方案外，基本采用了现场总线。3）美国Nebraska（OPPD）电厂（740MW），控制系统采用了Emerson的OVATION系统，除锅炉安全监控系统（FSSS）、汽轮机控制和保护系统（DEH、ETS）、重要的模拟量控制采用常规方案外，总线的应用范围约为50%。4）意大利的联合循环电厂，控制系统采用了FOXBORO公司的I/A系统，现场总线的应用范围是900个FF仪表，9300个Profibus对象，6000点常规I/O。3.4.2国内火电厂现场总线技术的应用（1）近几年，国内已经有相当一部分燃煤电厂在辅助车间系统采用了现场总线技术，如华能玉环电厂（21000MW）化学水处理、工业废水系统；广东河源电厂（2600MW）净废水处理系统、华能巢湖电厂（2600MW）化学水处理系统、华能九台电厂（2600MW）水、煤、灰全厂辅助车间系统、华能秦岭电厂（2600MW）水、煤、灰全厂辅助车间系统、国华宁海电厂（21000MW）的脱硫系统等。（2）同时也有一些电厂在主厂房内机炉主系统上应用了现场总线技术，如河北三河电厂（2350M W）的热网系统、天津北疆电厂（21000MW）的热网系统等；以及在2009年底投入运行的华能九台电厂（2600MW）单元机组、华能金陵电厂（21000MW）单元机组，其中九台电厂约有30%的仪表控制系统采用了现场总线设备，金陵电厂约有50%的仪表控制系统采用了现场总线设备。正在进行设计的神华胜利发电厂2660MW机组工程，大约有60%左右的仪表控制系统采用现场总线设备，为目前国内最大的现场总线技术应用燃煤机组项目。3.5现场总线（FCS）的发展趋势虽然现场总线的标准统一还有种种问题,但现场总线控制系统的发展却已经是一个不争的事实。随着现场总线思想的日益深入人心,以及基于现场总线的产品和应用的不断增多,这种新一代控制系统正逐渐浮出水面,现场总线控制系统体系结构日益清晰,具体发展趋势表现在以下几个方面：(1)现场总线控制系统是全面数字化、网络化的控制系统这体现在位于现场的传感器/执行器一级也全部实现数字化、智能化,它们彼此之间以及与控制器之间通过现场总线构成工业现场的局域网络,进而连接到上层控制网、管理网甚至互联网,形成一个无所不在的网络系统,信息可以在现场、车间、工厂、公司总部之间自由流动。(2)现场总线控制系统的网络结构向简单的方向发展。早期的MAP模型由7层组成,现在某些公司提出了3层、2层结构自动化,还有的公司甚至提出1层结构,由以太网一通到底。目前比较达成共识的是3层设备、2层网络的3+2结构。3层设备是位于底层的现场设备,如传感器/执行器,以及各种分布式I/O设备等;位于中间的控制设备,如PLC、工业控制计算机、专用控制器等;位于上层的是操作设备,如操作站、工程师站、数据服务器、一般工作站等。2层网络是现场设备与控制设备之间的控制网,以及控制设备与操作设备之间的管