基于PLC 的輕量型DCS 系統設計應用研究

鄭軍ZHENG Jun

（上海品是科技有限公司，上海 201600）

0 引言

傳統上，PLC（可編程邏輯控制器）的功能以邏輯控制為主，DCS（集散控制系統）以過程控制為主。隨著PLC 和DCS 功能上相向發展，PLC 和DCS 已經沒有太大的區別。這僅僅是在功能的層面上。實質上，DCS 相比PLC 在應用場景上，更多使用在大型項目上，比如發電廠，石油，和化工，而PLC 多應用于單機項目或者生產線。這要歸于DCS系統在處理中大型系統上的天然的優勢：冗余設計使系統安全性增強；基于服務器的統一的數據管理增加數據安全性；模塊化的設計第三方供應商也可以輕松集成。相對來說PLC 可以說是一張白紙，每個公司或者每個工程師都擁有自己的系統架構。往往這些架構只能滿足功能上的需求，而不具有DCS 模塊化架構的優點。

但是，PLC 系統相對于DCS 最大的優點是成本。對于超過千萬的項目，DCS 系統占據總項目成本比重比較小。對于百萬級別或者小于百萬級別的項目，使用DCS 在成本控制上是無法想象的。工程師只能選擇PLC 架構。

本文介紹的SmartDCS 是基于PLC 的輕量型DCS 系統。SmartDCS 在成本上可控，小型項目上可實現，使小型項目也可以實現諸多基于DCS 的大型項目的優點：上位機相互備份，數據增強安全性，報表集中管理，集成控制等。

1 SmartDCS 介紹

SmartDCS 的硬件使用的是西門子的一款性價比比較高的中型PLC—ET 200SP 分布式I/0 系統，上位機是西門子過程監控系統WinCC V7.4。

SmartDCS 在控制層主要包含控制模塊（Control Module，以下簡稱CM），設備模塊（Equipment Module，以下簡稱EM），狀態遷移圖，以及流程。在監控層主要包含控制模塊界面，設備模塊界面，流程界面，基于數據庫的配方，用戶管理，數據管理，報警，審計追蹤，電子簽名，以及報表。

SmartDCS 的典型應用場景如圖1。其中三個HMI 可以相互備份，任何一臺HMI 可以操作所有設備。數據中心可以選擇配置。本地HMI 可以根據客戶需求配置觸摸屏，電腦，或者觸摸工控機。

圖1 SmartDCS 的典型應用場景

2 SmartDCS 設計

2.1 SmartDCS 的架構

圖2 為SmartDCS 的架構。其包含了人機界面、PLC 程序、文件系統、電氣系統以及他們之間的聯系。

圖2 SmartDCS 的架構

在這個架構中最大特點是面向設備的設備控制模塊與面向過程的程序控制模塊是分離的，雖然是分離的，但是不管在物理上還是在邏輯上在此模型中還是有很多的聯系。物理上的分離在過程控制層架構中會詳細提到，邏輯上的聯系在“程序模塊與設備模塊的聯系”一節中也會詳細討論；第二個特點是HMI 層的功能將減少到只有操作，也就是發命令，與狀態的顯示。連鎖與包含將下放到PLC 層，且會在HMI 上顯示；第三個特點，更加注重統計功能，統計是更高級控制層的要求，而在單機的表現是功能的延伸。

2.2 CM（控制模塊）的設計

控制模塊指的是控制的最底層元素，比如開關量信號，溫度，變頻器，電機，閥門。標準化，模塊化設計每一個CM，對于SmartDCS 來說是控制的基礎，不僅可以規定好每類設備的控制邏輯，也可以批量化管理所有CM。

CM 包含，報警Alarm，模擬量輸入AI、模擬量輸出AO、數字量輸入DI、數字量輸出DO、PID 等。本文中以AO 為例，說明CM 的設計。

首先自定義數據類型，UDT_DO。如表1。

表1 CM DO 的自定義數據類型

再為DO 設計上位機顯示圖標，如圖3。在設計上位機時，要考慮以下因素：可復用性，信息完整性，和節省資源。對于一個DO 狀態有很多種，如果每種狀態都是用一個變量，則會占用大量的變量資源，SmartDCS 針對多種狀態使用一個變量，節省了大量的變量空間。通過腳本的設計，在重復使用時，只需要修改CM 的索引號即可完成一個DO 的定義，節省開發時間。這個設計不僅可以清洗的看到CM 的模式狀態（自動開，自動關，手動開，手動關），也可以看到更多的信息（互鎖，報警，和維護狀態）。

圖3 CM DO 的上位機顯示

圖4 為DO 的詳細界面，從界面上可以看出，針對一個比較簡單的DO 設備模塊，可以獲得更多的信息，比如互鎖信息，維護信息，詳細的描述，使之易于操作，易于維護，易于測試。

圖4 CM DO 的詳細界面

類似于DO，設計所有的CM。并且為每個CM 編程，這樣程序的可復用性和重復性大大提高。在監控側，操作員也可以看到更多的信息，提高可操作性和減少排查異常的難度。并且有必要為每個設計的CM 配置文件，并且版本控制，有利于軟件的標準化管理。

2.3 EM（設備模塊）的設計

設備模塊，由多個CM 組成，可以完成特定的任務。比如，溫度控制、真空控制、清洗、排水、溶氧的控制。通常PLC 架構的程序并不包含EM 層，流程會直接控制CM，流程更加負責，不利于文件化和測試，軟件穩定性也不是很好。EM 的引入，讓復雜的設備劃分為幾個或者十幾個小的模塊。每個模塊完成一定的任務。流程控制EM，而不是直接控制CM，使流程的編寫更加簡單。測試也可以分為三層測試，分別是CM 測試、EM 測試、流程測試。系統的文件化、測試性能、穩定性都得到提高。

在HMI，可以獨立的對EM 的每個功能進行啟停，從而對EM 進行功能確認。EM 的界面見圖5。

圖5 EM 的操作示例

2.4 流程的設計

流程是協調各個EM（包含可能涉及到的其它系統的EM）完成生產程序，是生產過程中最常使用的功能。故而需要對流程的步驟、狀態轉換、命令、步驟跳轉信息顯示清洗準確，提供可操作性。

其中我們重點說明狀態轉換，設備實體與程序元素有很多狀態，比如初始狀態、正在運行、正在暫停、已經停止、最終狀態，等等。從一個狀態轉移到另外一種狀態，需要命令。

狀態與命令的結合即是圖6 狀態轉移圖。在應用狀態轉移圖時，應該根據所處的行業和設備的類型和負責程度設計專屬的狀態轉移圖，而不是一成不變的。

圖6 狀態轉移圖

2.5 用戶管理的設計

基于操作系統的用戶管理可以直接使用系統用戶管理策略，使用戶管理更加符合電子簽名的要求。而HMI 軟件并不配置直接的功能來實現用戶管理。

2.6 數據管理的設計

對于電子數據的管理也是數據安全性的重要一環。定期對數據進行備份/歸檔。當需要時，還可以重新連接歸檔數據，查看生產情況。這對于制藥生產過程和審計追溯都具有重要的意義。本數據管理系統也是全腳本設計。

2.7 電子簽名的設計

電子簽名是審計追蹤的重要一環。對于重要的操作，不僅可以記住操作人員是誰，在什么時候，原因是什么，也可以起到復核的作用。電子簽名對于制藥生產基本上已經是標準的配置功能。電子簽名界面為圖7。

圖7 電子簽名操作界面

2.8 HMI（人機界面）的設計

SmartDCS 最重要的一個設計就是HMI 的設計。HMI必須具備相互備份，任何一臺HMI 可以操作任何一臺設備，和數據的全備份三個功能。

一臺HMI 可以操作多臺設備。從而保證數據的安全性，和系統的穩定性。

其功能實現有兩種辦法，第一種方案是為每臺設備設計一套界面，選擇設備時切換到對應的一套界面組；第二種方案所有的設備使用同一套界面，不盡興界面切換，切換的是變量。SmartDCS 選擇的是第二種方案。在每個變量后面加上標識設備的設備單元號，在切換設備時，修改變量的后綴，從而切換到選擇的設備控制上。這種做法，減少了開發的工作量，也使各設備使用完全相同的界面。

3 結論與建議

綜上所述，通過對CM、EM、流程、用戶管理、數據管理、電子簽名和HMI 的再設計，使基于PLC 系統的SmartDCS 具有了DCS 的大部分功能和優點：①標準化的功能模塊。②模塊化的架構設計。③集中控制和本地控制的分布式控制。④上位機的冗余備份。⑤電子數據的備份。⑥原始數據文件的管理。⑦基于本地系統或者域服務器的用戶管理系統。⑧電子簽名。⑨強大的報表功能。

SmartDCS 為輕量型的DCS 系統，其最大的優點還是因成本低使小型設備或者小型系統可以應用上DCS，從而提升的生產效率和效益，也更加易于操作性、易于維護性和易于驗證。

SmartDCS 可以應用在多行業，不同設備。不過在應用過程中，因為每個行業或者每周設備對于設備的關注點不一樣，故而需要對CM，EM 進行擴展或者差異化設計。從而提升設備或者系統的自動化程度和穩定性等各方面的性能。