探討DCS與PLC在化工領(lǐng)域的應(yīng)用

欒家斌

（中昊（大連）化工研究設(shè)計(jì)院有限公司，遼寧 大連 116023）

隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的全面普及應(yīng)用，作為計(jì)算機(jī)控制技術(shù)代表的分散控制系統(tǒng)（DCS）及可編程邏輯控制器（PLC）得到了進(jìn)一步的發(fā)展，且有相互融合的發(fā)展趨勢，向現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）過渡。

在化工領(lǐng)域，化工裝置生產(chǎn)過程具有易燃易爆、腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)，對過程的連續(xù)控制的要求較高，因此對生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)、可靠、安全的自動(dòng)化控制成為一種發(fā)展的趨勢。目前，化工領(lǐng)域的大型過程控制主要采用分散控制系統(tǒng)（DCS），小型化的獨(dú)立過程控制一般采用可編程邏輯控制器（PLC），少數(shù)采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是由DCS與PLC發(fā)展而來，且具備兩者的特點(diǎn)，通過開放的、具有互操作性的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場儀表和設(shè)備互聯(lián)起來。

1 DCS與PLC的發(fā)展歷史

自20世紀(jì)70年代問世以來，DCS（Distributed Control Systems）因其方便靈活的特點(diǎn)，市場占有份額不斷增加，應(yīng)用水平不斷提高，已牢牢占據(jù)著化工領(lǐng)域過程控制的主導(dǎo)地位。在化工領(lǐng)域中，DCS通常采用中央控制室（CCR）的方式，將過程控制的管理層級(jí)統(tǒng)一放置在中央控制室（CCR），通過信息網(wǎng)絡(luò)將其它各層級(jí)連接起來，構(gòu)成完整的過程控制體系。

PLC（Programmable Logic Controller）是可編程邏輯控制器的縮寫，最初的PLC僅能實(shí)現(xiàn)數(shù)字量的控制，大大制約了PLC的進(jìn)一步發(fā)展。當(dāng)下，改進(jìn)的PLC控制技術(shù)可同時(shí)對數(shù)字量和模擬量進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)模擬量閉環(huán)控制功能，具有可靠、安全等特點(diǎn)，與DCS在控制功能方面已有較大的交叉面，特別是在公用工程輔助車間方面占據(jù)著一定的市場。

2 DCS與PLC的特點(diǎn)與差異

分散控制系統(tǒng)（DCS）與可編程邏輯控制器（PLC）的特點(diǎn)與差異主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

2.1 發(fā)展過程方面

DCS控制系統(tǒng)是由儀表生產(chǎn)廠商在儀表盤監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，側(cè)重于現(xiàn)場儀表等電子設(shè)備的模擬量控制，并且不斷地吸收最新的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和通信技術(shù)，以構(gòu)建一個(gè)全面的安全可靠高效的控制系統(tǒng)。

PLC裝置是為替代傳統(tǒng)繼電器控制而研制的可編程邏輯控制器，擅長于數(shù)字量控制，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境中過程控制。

2.2 功能擴(kuò)展方面

DCS控制系統(tǒng)廠商所采用的通訊協(xié)議可能各不相同，但網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)均選擇以太網(wǎng)絡(luò)，且提供了方便的外接擴(kuò)展接口，為以后的功能擴(kuò)展提供了極大的便利。

PLC裝置通常針對設(shè)備進(jìn)行使用，搭接完成后很少需要功能擴(kuò)展，因此在功能擴(kuò)展與兼容性方面較為困難。

2.3 可靠性方面

DCS控制系統(tǒng)采用冗余控制單元，可實(shí)現(xiàn)故障狀態(tài)下的無干擾切換，以保證系統(tǒng)的安全可靠，不足的是對接地電阻有較高的要求。

PLC裝置采用循環(huán)順序掃描的方式，控制精度高，但無冗余控制程序且無法實(shí)現(xiàn)模塊的熱插拔，維修更換需整個(gè)系統(tǒng)停車后進(jìn)行，有較大的局限性。

2.4 數(shù)據(jù)庫方面

DCS控制系統(tǒng)通常有統(tǒng)一的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)中的各個(gè)環(huán)節(jié)均可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的實(shí)時(shí)引用，對其它環(huán)節(jié)提供了極大的方便。

PLC裝置各環(huán)節(jié)基本上都各自建立數(shù)據(jù)庫，沒有一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫平臺(tái)，具有較大的不確定性。

2.5 系統(tǒng)規(guī)模方面

DCS控制系統(tǒng)通常適用于較大規(guī)模的裝置系統(tǒng)，系統(tǒng)控制點(diǎn)數(shù)少則上千，多則上萬，具有良好的協(xié)調(diào)能力。

PLC裝置適用于規(guī)模不大的裝置系統(tǒng)，且對模擬量的控制要求不高。

3 DCS與PLC的實(shí)際應(yīng)用

以中鹽昆山有限公司遷建年產(chǎn)60萬噸純堿項(xiàng)目為例，通過采用分散型控制系統(tǒng)（DCS）在中央控制室完成對主生產(chǎn)裝置、輔助生產(chǎn)裝置、公用工程的監(jiān)視、控制和管理，而部分專業(yè)性較強(qiáng)的成套設(shè)備控制系統(tǒng)采用PLC控制系統(tǒng)。整個(gè)裝置設(shè)置2個(gè)中央控制室，采用中央控制室、就地控制室和現(xiàn)場機(jī)柜室相結(jié)合的配置方式。具體如下：

1）中央控制室包括：原煤儲(chǔ)運(yùn)、氣化、凈化、氨冷凍、氨（壓縮）合成裝置、供水等工程裝置。

2）聯(lián)堿裝置控制室：重堿、煅燒、氯化銨、壓縮、冷凍、原鹽儲(chǔ)運(yùn)、純堿和氯化銨包裝及儲(chǔ)運(yùn)裝置，及配套的輔助工程裝置。

全廠生產(chǎn)裝置的DCS控制系統(tǒng)由操作站、輔助操作臺(tái)、打印機(jī)、控制站、I／O機(jī)柜、安全柵及端子柜、總線設(shè)備、配電柜及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成。中央控制室（CCR）和現(xiàn)場機(jī)柜間設(shè)置工程師站，用于組態(tài)維護(hù)，故障診斷等工作。其中，中央控制室設(shè)公共的硬件平臺(tái)及以太網(wǎng)接口用于連接全廠信息管理系統(tǒng)。各控制站配置冗余的串行通信接口連接SIS、PAS、設(shè)備成套PLC等系統(tǒng)。本裝置中，控制系統(tǒng)的操作站設(shè)置在中央控制室（設(shè)工程師站5個(gè)，操作站17個(gè)），各控制站設(shè)置在相應(yīng)的現(xiàn)場機(jī)柜室中。

本項(xiàng)目控制系統(tǒng)位于中央控制室，其它輔助裝置DCS位于各生產(chǎn)單元現(xiàn)場；合成裝置內(nèi)所有MODBUS接口的設(shè)備，要求DCS系統(tǒng)配置相應(yīng)的接口與應(yīng)用組態(tài)。儀表、電氣等信號(hào)數(shù)據(jù)通過電纜傳送到現(xiàn)場機(jī)柜室或就地控制室，然后再從現(xiàn)場機(jī)柜室或就地控制室以光纜形式傳送到全廠中央控制室（CCR），特別要注意的是，從現(xiàn)場機(jī)柜室或就地控制室到中央控制室（CCR）的信號(hào)要采用雙冗余形式，在中央控制室（CCR）進(jìn)行全部的控制、監(jiān)測、報(bào)警及報(bào)表等操作。DCS系統(tǒng)的人機(jī)操作界面還將同時(shí)監(jiān)視其他控制系統(tǒng)的信息，如安全儀表系統(tǒng)（SIS）、氣體報(bào)警系統(tǒng)（GDS）、壓縮機(jī)組控制系統(tǒng)（CCS）等。

DCS控制系統(tǒng)采用常規(guī)技術(shù)，現(xiàn)場儀表、電氣等信號(hào)通過標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，除負(fù)責(zé)對各生產(chǎn)裝置的基本過程進(jìn)行操作、控制和監(jiān)視外，同時(shí)應(yīng)完成順序控制、工藝聯(lián)鎖等其他要求。對于信號(hào)引入到DCS控制系統(tǒng)的儀表應(yīng)采用較高可靠性的儀表，DCS控制系統(tǒng)的控制器、通訊、電源、控制回路和重要的聯(lián)鎖回路的通道應(yīng)采用冗余配置，系統(tǒng)的安全準(zhǔn)則應(yīng)嚴(yán)格遵循分散度準(zhǔn)則，負(fù)荷率準(zhǔn)則，獨(dú)立性準(zhǔn)則，完整性準(zhǔn)則。

同時(shí)，裝置內(nèi)設(shè)有多套單機(jī)控制系統(tǒng)（西門子PLC），這些系統(tǒng)必須與DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通訊，并且在DCS系統(tǒng)操作站的顯示屏上實(shí)現(xiàn)監(jiān)測。PLC控制裝置應(yīng)用于相對比較獨(dú)立或特殊的大型設(shè)備控制、監(jiān)視和儀表安全保護(hù)功能上。在中鹽昆山有限公司遷建年產(chǎn)60萬噸純堿項(xiàng)目中，考慮到PLC控制裝置的安全可靠性，鍋爐島控制系統(tǒng)、脫鹽水控制系統(tǒng)、污水回用及濃鹽水蒸發(fā)控制系統(tǒng)、原水凈化控制系統(tǒng)、全廠污水處理控制系統(tǒng)、脫硫脫硝控制系統(tǒng)均獨(dú)立采用PLC控制裝置，同時(shí)可與DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，操作人員能夠在DCS操作站上對設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)視與操作。

聯(lián)堿裝置采用獨(dú)立的DCS控制系統(tǒng)，對聯(lián)堿裝置的生產(chǎn)工藝進(jìn)行過程監(jiān)視和控制，同時(shí)通過OPC接口與中央控制室全廠信息管理系統(tǒng)（MIS）連接，通信線路采用兩路光纜進(jìn)行通訊，以便重要信號(hào)的顯示、監(jiān)控，但裝置儀表、電氣信號(hào)等的控制均在純堿裝置獨(dú)立的DCS控制系統(tǒng)內(nèi)完成。

由于純堿及小蘇打裝置的生產(chǎn)工藝無易燃易爆危險(xiǎn)，故聯(lián)堿裝置內(nèi)無安全完整性等級(jí)要求，因此不考慮ESD（緊急停車系統(tǒng)）。壓縮機(jī)組的控制系統(tǒng)由供貨商隨機(jī)組成套提供，且采用可編程邏輯控制器（PLC）進(jìn)行監(jiān)視控制并與主生產(chǎn)裝置DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊。對于可燃、毒害氣體報(bào)警裝置，可獨(dú)立設(shè)置可燃、毒害氣體檢測盤，并將信號(hào)傳送到DCS控制系統(tǒng)顯示報(bào)警。

4 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System－FCS）是以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)貫穿于生產(chǎn)現(xiàn)場，在測量、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（過程控制現(xiàn)場儀表）和控制設(shè)備（控制室操作站）之間實(shí)現(xiàn)雙向、串行、多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)將DCS系統(tǒng)的現(xiàn)場控制器和PLC裝置的I／O功能延伸到現(xiàn)場儀器儀表上，具有布局廣泛、信息化、雙向通信等多種特點(diǎn)，是過程控制領(lǐng)域的新的突破。

5 結(jié) 語

隨著新技術(shù)的不斷進(jìn)步，DCS系統(tǒng)與PLC裝置不再局限于各自的擅長領(lǐng)域，開始積極汲取對方的特點(diǎn)，取長補(bǔ)短，逐漸形成了綜合性的控制系統(tǒng)。在選擇控制系統(tǒng)時(shí)，已不能過于強(qiáng)調(diào)DCS系統(tǒng)與PLC裝置的優(yōu)劣，而應(yīng)當(dāng)建立在充分滿足工藝要求的基礎(chǔ)上。同時(shí)，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS在充分吸收了DCS系統(tǒng)與PLC裝置各自特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種新的控制思想，開創(chuàng)了過程控制領(lǐng)域的一個(gè)新時(shí)代，相信將成為工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā)展的新潮流。