分布式控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)的實際應用

王家軍，王志濤

（1.山東天力設計研究院，山東濟南 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個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡為紐帶的多級計算機系統(tǒng)。集中控制系統(tǒng)（Centralized Control System，CCS），也叫中央控制系統(tǒng)，是將過程控制、檢測集中在1臺計算機上的單級計算機系統(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)的基礎上伴隨著計算機技術的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的。

對于分布式控制系統(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，常常遇到這樣的問題，企業(yè)負責人在介紹企業(yè)投資巨大引以為豪的控制系統(tǒng)時，說自己的控制系統(tǒng)是分布式控制系統(tǒng)，實際上是集中控制系統(tǒng)。甚至有許多設計院出的圖紙標注的是分布式控制系統(tǒng)，實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。設備布置區(qū)1是1幢5層樓高的鋼構建筑，設備布置區(qū)2是0 m層的室外露天。設備布置區(qū)1和2內(nèi)安裝有大量各種型號傳感器和執(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臺計算機，供操作人員和工程師使用。配電室布置了所有設備的供電系統(tǒng)，安裝了大量變頻器。DCS控制室內(nèi)控制系統(tǒng)通過控制室西側電纜橋架與設備布置區(qū)內(nèi)的傳感器和執(zhí)行器連接，現(xiàn)場的電纜敷設情況如圖2所示。配電室內(nèi)的配電設備通過配電室北側電纜橋架穿過操控室與DCS控制室內(nèi)控制系統(tǒng)連接，現(xiàn)場的電纜敷設情況如圖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主機柜的硬件配置：S7-400主機、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PLC主機柜是系統(tǒng)大腦，柜內(nèi)配置的ET200M模塊和I/O模塊負責控制配電室內(nèi)電氣設備并接受反饋信號。2臺MCC1柜配置的ET200M模塊和I/O模塊負責控制設備布置區(qū)1和2內(nèi)的開關量并接受反饋信號。2臺MCC3柜配置的ET200M模塊和AI/AO模塊輸出模擬量信號到設備布置區(qū)1和2和配電室并接受模擬量反饋信號。操控室內(nèi)電腦通過網(wǎng)線與PLC主機柜連接。

通過以上分析不難看出，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)絡通信的基本思想不符。該例中，企業(yè)的設計圖紙標注為分布式控制系統(tǒng)而實際為集中控制系統(tǒng)的做法，使該企業(yè)在自控系統(tǒng)設備投資方面，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多萬元人民幣，并且企業(yè)今后的運營成本也比真正的分布式控制系統(tǒng)高很多，而大量現(xiàn)場設備的優(yōu)質資源被閑置浪費。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控制室西側電纜敷設現(xiàn)場

圖3 DCS控制室南側電纜敷設現(xiàn)場

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PLC主機柜整合為1臺，將該柜放置在操控室內(nèi)。在圖1設備布置區(qū)1的2層鋼構外開辟出2個控制站室，增設控制站1、2。在圖1配電室內(nèi)增設1個控制站3，將圖1中DCS控制室西側、南側電纜橋架去掉。

1.3 調(diào)整后控制系統(tǒng)的配置

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

（2）控制站1和2的硬件配置。6個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、光電轉換模塊。以上配置就是把圖4中2套控制系統(tǒng)的2臺PLC主機柜整合為1臺PLC主機柜，放置于操控室。把圖4中2套控制系統(tǒng)用于配電室配電設施的硬件全部拿出來，組裝成1臺新的控制柜，放置于配電室。把原控制系統(tǒng)中用于設備布置區(qū)的硬件設備、2個MCC1殼體、2個MCC2殼體分別放置于控制站1和控制站2。同時在各處增加一定數(shù)量的光電轉換模塊?？刂普九cPLC主機柜之間通過光纜連接，光纜連接如圖6所示。PLC主機柜通過1根光纜與控制站1和2連接，通過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，對于中小型控制系統(tǒng)的實時性、可靠性完全能夠滿足要求，在3個控制站內(nèi)不再安裝計算機。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主機柜進行通信連接，由操控室內(nèi)的PLC負責整個系統(tǒng)的運行。

圖6 控制站與PLC主機柜光纜連接

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，但是它卻充分利用了網(wǎng)絡通信的功能，調(diào)整后的系統(tǒng)完全能夠實現(xiàn)圖1平面設備布置的功能要求，更為關鍵的是，使現(xiàn)場設備的優(yōu)質資源得到充分利用，為該企業(yè)節(jié)約一大筆設備投資。

經(jīng)過上述典型實例分析，不難看出在工業(yè)生產(chǎn)中自控系統(tǒng)方面存在的問題。工程技術人員在生產(chǎn)實踐中，要積極調(diào)整思路、拋棄舊觀念，將現(xiàn)有成熟的自控技術充分應用到工業(yè)生產(chǎn)中，將我國工業(yè)自動化水平提高到應有的程度。