分布式控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際應(yīng)用

王家軍，王志濤

（1.山東天力設(shè)計(jì)研究院，山東濟(jì)南 250014；2.北京優(yōu)穩(wěn)昌盛科技有限公司，北京 100094）

0 引言

分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS），也叫集散控制系統(tǒng)，它是1個(gè)由過(guò)程控制級(jí)和過(guò)程監(jiān)控級(jí)組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。集中控制系統(tǒng)（Centralized Control System，CCS），也叫中央控制系統(tǒng)，是將過(guò)程控制、檢測(cè)集中在1臺(tái)計(jì)算機(jī)上的單級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。更早期的集中控制系統(tǒng)是由儀表電氣組合完成。分布式控制系統(tǒng)是在集中控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的。

對(duì)于分布式控制系統(tǒng)與集中控制系統(tǒng)的概念，現(xiàn)在大多數(shù)工程技術(shù)人員耳熟能詳，但是在許多工業(yè)生產(chǎn)的工控系統(tǒng)中，常常遇到這樣的問(wèn)題，企業(yè)負(fù)責(zé)人在介紹企業(yè)投資巨大引以為豪的控制系統(tǒng)時(shí)，說(shuō)自己的控制系統(tǒng)是分布式控制系統(tǒng)，實(shí)際上是集中控制系統(tǒng)。甚至有許多設(shè)計(jì)院出的圖紙標(biāo)注的是分布式控制系統(tǒng)，實(shí)際上也是典型的集中控制系統(tǒng)。

1 案例

1.1 系統(tǒng)介紹

某公司的平面布置如圖1所示。設(shè)備布置區(qū)1是1幢5層樓高的鋼構(gòu)建筑，設(shè)備布置區(qū)2是0 m層的室外露天。設(shè)備布置區(qū)1和2內(nèi)安裝有大量各種型號(hào)傳感器和執(zhí)行器。DCS控制室布置了2套西門子公司S7-400 PLC組成的控制系統(tǒng)。操控室布置了10臺(tái)計(jì)算機(jī)，供操作人員和工程師使用。配電室布置了所有設(shè)備的供電系統(tǒng)，安裝了大量變頻器。DCS控制室內(nèi)控制系統(tǒng)通過(guò)控制室西側(cè)電纜橋架與設(shè)備布置區(qū)內(nèi)的傳感器和執(zhí)行器連接，現(xiàn)場(chǎng)的電纜敷設(shè)情況如圖2所示。配電室內(nèi)的配電設(shè)備通過(guò)配電室北側(cè)電纜橋架穿過(guò)操控室與DCS控制室內(nèi)控制系統(tǒng)連接，現(xiàn)場(chǎng)的電纜敷設(shè)情況如圖3所示。DCS控制室2套控制系統(tǒng)平面布置如圖4所示。

圖1 廠區(qū)平面布置

PLC主機(jī)柜的硬件配置：S7-400主機(jī)、通信模塊、電源模塊ET200M模塊、I/O模塊、大量中間繼電器和接線端子排。MCC1柜的硬件配置：ET200M模塊、I/O模塊、大量中間繼電器和接線端子排。

MCC2柜的硬件配置：ET200M模塊、AI/AO模塊、大量安全柵和接線端子排。

2臺(tái)PLC主機(jī)柜是系統(tǒng)大腦，柜內(nèi)配置的ET200M模塊和I/O模塊負(fù)責(zé)控制配電室內(nèi)電氣設(shè)備并接受反饋信號(hào)。2臺(tái)MCC1柜配置的ET200M模塊和I/O模塊負(fù)責(zé)控制設(shè)備布置區(qū)1和2內(nèi)的開關(guān)量并接受反饋信號(hào)。2臺(tái)MCC3柜配置的ET200M模塊和AI/AO模塊輸出模擬量信號(hào)到設(shè)備布置區(qū)1和2和配電室并接受模擬量反饋信號(hào)。操控室內(nèi)電腦通過(guò)網(wǎng)線與PLC主機(jī)柜連接。

通過(guò)以上分析不難看出，這是典型的集中控制系統(tǒng)，典型的中央控制系統(tǒng)。與分布式控制系統(tǒng)的分散控制、集中操作、網(wǎng)絡(luò)通信的基本思想不符。該例中，企業(yè)的設(shè)計(jì)圖紙標(biāo)注為分布式控制系統(tǒng)而實(shí)際為集中控制系統(tǒng)的做法，使該企業(yè)在自控系統(tǒng)設(shè)備投資方面，根據(jù)該企業(yè)在自控系統(tǒng)方面總投資額估算，至少多投入150多萬(wàn)元人民幣，并且企業(yè)今后的運(yùn)營(yíng)成本也比真正的分布式控制系統(tǒng)高很多，而大量現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的優(yōu)質(zhì)資源被閑置浪費(fèi)。為此，就該企業(yè)的控制方案作如下調(diào)整，調(diào)整后公司平面布置如圖5所示。

圖2 DCS控制室西側(cè)電纜敷設(shè)現(xiàn)場(chǎng)

圖3 DCS控制室南側(cè)電纜敷設(shè)現(xiàn)場(chǎng)

圖4 DCS控制室控制系統(tǒng)平面布置

1.2 調(diào)整方案

將圖1中DCS控制室去掉，2臺(tái)PLC主機(jī)柜整合為1臺(tái)，將該柜放置在操控室內(nèi)。在圖1設(shè)備布置區(qū)1的2層鋼構(gòu)外開辟出2個(gè)控制站室，增設(shè)控制站1、2。在圖1配電室內(nèi)增設(shè)1個(gè)控制站3，將圖1中DCS控制室西側(cè)、南側(cè)電纜橋架去掉。

1.3 調(diào)整后控制系統(tǒng)的配置

（1）PLC主機(jī)柜的硬件配置。2臺(tái)S7-400主機(jī)、通信模塊、電源模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊。

（2）控制站1和2的硬件配置。6個(gè)ET200M模塊、I/O模塊、AI/AO模塊、中間繼電器、安全柵和接線端子排、光電轉(zhuǎn)換模塊。

圖5 調(diào)整后廠區(qū)平面布置

（3）控制站3的硬件配置。4個(gè)ET200M模塊、I/O模塊、AI/AO模塊、中間繼電器、安全柵和接線端子排、光電轉(zhuǎn)換模塊。以上配置就是把圖4中2套控制系統(tǒng)的2臺(tái)PLC主機(jī)柜整合為1臺(tái)PLC主機(jī)柜，放置于操控室。把圖4中2套控制系統(tǒng)用于配電室配電設(shè)施的硬件全部拿出來(lái)，組裝成1臺(tái)新的控制柜，放置于配電室。把原控制系統(tǒng)中用于設(shè)備布置區(qū)的硬件設(shè)備、2個(gè)MCC1殼體、2個(gè)MCC2殼體分別放置于控制站1和控制站2。同時(shí)在各處增加一定數(shù)量的光電轉(zhuǎn)換模塊。控制站與PLC主機(jī)柜之間通過(guò)光纜連接，光纜連接如圖6所示。PLC主機(jī)柜通過(guò)1根光纜與控制站1和2連接，通過(guò)2根光纜與控制站3連接，控制站1和2再用電纜與現(xiàn)場(chǎng)的傳感器執(zhí)行器連接，控制站3則分為2部分，一部分是用控制電纜，這部分用于交流接觸器；另一部分是用RS485通信電纜進(jìn)行串行通信，這部分用于變頻器。

調(diào)整方案中，鑒于目前控制系統(tǒng)硬件和軟件性能，對(duì)于中小型控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性完全能夠滿足要求，在3個(gè)控制站內(nèi)不再安裝計(jì)算機(jī)。具體到本例中，也就是不在控制站內(nèi)再安裝小型PLC，而用ET200M和操控室內(nèi)的PLC主機(jī)柜進(jìn)行通信連接，由操控室內(nèi)的PLC負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

圖6 控制站與PLC主機(jī)柜光纜連接

2 調(diào)整后系統(tǒng)分析

調(diào)整后的控制系統(tǒng)隨然不完全符合分布式控制系統(tǒng)的定義，帶有集中控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，但是它卻充分利用了網(wǎng)絡(luò)通信的功能，調(diào)整后的系統(tǒng)完全能夠?qū)崿F(xiàn)圖1平面設(shè)備布置的功能要求，更為關(guān)鍵的是，使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的優(yōu)質(zhì)資源得到充分利用，為該企業(yè)節(jié)約一大筆設(shè)備投資。

經(jīng)過(guò)上述典型實(shí)例分析，不難看出在工業(yè)生產(chǎn)中自控系統(tǒng)方面存在的問(wèn)題。工程技術(shù)人員在生產(chǎn)實(shí)踐中，要積極調(diào)整思路、拋棄舊觀念，將現(xiàn)有成熟的自控技術(shù)充分應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，將我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化水平提高到應(yīng)有的程度。