分散控制系統(tǒng)與可編程控制系統(tǒng)在涂料行業(yè)中的應(yīng)用

楊秀奇(珠海展辰新材料股份有限公司，廣東 珠海 519090)

0 引言

DCS 為分散式控制系統(tǒng)，即為實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)分散、管理以及顯示集中的管理。這一系統(tǒng)是基于微處理器為核心，針對物理位置以及功能分散實(shí)現(xiàn)控制，對于各個分散點(diǎn)可以在數(shù)據(jù)通道的應(yīng)用下進(jìn)行信息集中，進(jìn)而對其實(shí)施集中監(jiān)視以及操作。PLC 為控制裝置，硬件上和DCS 中現(xiàn)場控制器有所類似，在其和上位機(jī)系統(tǒng)以及相連網(wǎng)絡(luò)結(jié)合后才能夠完成系統(tǒng)架構(gòu)，且還需要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成[1]。兩者之間的區(qū)別即為“系統(tǒng)”和“裝置”的區(qū)別，前者能夠針對任何裝置功能實(shí)現(xiàn)也可以對其協(xié)調(diào)，后者僅為本身功能。本次則對兩者區(qū)別及其在涂料行業(yè)中的應(yīng)用展開分析。

1 DCS 和PLC 特點(diǎn)

1.1 控制處理能力

一臺PLC 控制器就能夠?qū)崿F(xiàn)對幾千個I/O 的處理，甚至最高能夠達(dá)到8 000 多個。一臺DCS 控制器在應(yīng)用中，只可以實(shí)現(xiàn)對幾百個I/O 的處理，最高也只能夠達(dá)到500 個。對其原因進(jìn)行分析，并不是受到DCS 研發(fā)人員技術(shù)水平的影響，而是基于集散體系防范集中控制發(fā)生故障的需要，在實(shí)際生產(chǎn)生活中點(diǎn)數(shù)較多控制器并沒有太大用處。因此在其研發(fā)設(shè)計(jì)中，本身也就沒有進(jìn)行帶很多I/O 點(diǎn)控制器驅(qū)動設(shè)計(jì)，重點(diǎn)針對控制器提供體系可靠性以及靈活性展開研究[2]。然而PLC 與之具有差異，本身屬于具有獨(dú)立性的柔性控制裝置，帶動點(diǎn)數(shù)越多即為本身技術(shù)水平越高，在系統(tǒng)中的應(yīng)用也需要通過工程商和用戶的協(xié)商，這些都并不是PLC 制造商的主要目標(biāo)和最終目的。PLC 系統(tǒng)程序運(yùn)行中，通常不會依照實(shí)現(xiàn)設(shè)定循環(huán)周期開展，從始至終進(jìn)行一次執(zhí)行后且循環(huán)執(zhí)行，新型PLC 程序?qū)ζ溆兴倪M(jìn)，但是針對任務(wù)周期依舊存在限制。DCS 系統(tǒng)能夠?qū)θ蝿?wù)周期進(jìn)行設(shè)定，比如快速任務(wù)等。共同進(jìn)行傳感器采樣的時(shí)候，壓力傳感器變化時(shí)間比較短，也就需要采用200 毫秒實(shí)施任務(wù)周期采樣，但是溫度傳感器存在有較大之后時(shí)間，2 秒任務(wù)周期即可完成采樣。在此過程中DCS 能夠?qū)崿F(xiàn)對控制器資源的合理調(diào)控。

1.2 數(shù)據(jù)通信間交流

在企業(yè)相關(guān)生產(chǎn)線中，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要具備大量控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊和交換工作。其中在數(shù)據(jù)通訊交換過程中，一般為控制系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。DCS 在此方面具有顯著優(yōu)勢，集散系統(tǒng)的“分散”即是在獨(dú)立控制器上體現(xiàn)，“集中”即為存在有完善的數(shù)據(jù)人機(jī)交互裝置，在網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用下可以有效實(shí)現(xiàn)“分散”和“集中”的連接。因此，在最初DCS 技術(shù)研究和發(fā)展中，相關(guān)生產(chǎn)廠家都已經(jīng)展開針對網(wǎng)絡(luò)的研究[3]。DCS 控制器生產(chǎn)廠家最初也就是將冗余技術(shù)和窄帶傳輸技術(shù)作為研究重點(diǎn)，以能夠?yàn)樯鐣a(chǎn)以及生活提供相關(guān)便利。PLC 控制器研究設(shè)計(jì)是結(jié)合獨(dú)立裝置，“網(wǎng)絡(luò)”即為串行通訊情況。在PLC 作為獨(dú)立裝置長期發(fā)展中，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)通訊交換問題，本身系統(tǒng)性不強(qiáng)。通常情況下是在部分小型控制系統(tǒng)中應(yīng)用，沒有顯著不足，所以發(fā)展不夠迅速。然而也有部分較大型PLC 控制器顯著提高了其應(yīng)用能力，不過想要達(dá)到DCS 控制器的通訊水平，還需要繼續(xù)努力。

1.3 組態(tài)維護(hù)功能

組態(tài)維護(hù)功能主要為：邏輯組態(tài)、下載修改和遠(yuǎn)程診斷等等。早期PLC 技術(shù)發(fā)展中，主要形式為梯形圖形，DCS 技術(shù)為模塊功能，在科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展進(jìn)程中，國際電工委員會實(shí)現(xiàn)對IE1131-3 標(biāo)準(zhǔn)通過后，完成了通用5 種編程語言的編制。DCS 在發(fā)展中，也出現(xiàn)了不同的高級算法模塊，其中一個模塊就能夠?qū)崿F(xiàn)對設(shè)備的基礎(chǔ)控制，另外也具備有故障相關(guān)報(bào)警功能，將其在網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)應(yīng)用中就可以實(shí)現(xiàn)對任務(wù)的傳遞，有助于顯著提高軟件研發(fā)效率，使其更能有效地應(yīng)用于設(shè)備。一般情況下，一個設(shè)備的控制模塊和0.5 K 字節(jié)梯形圖邏輯量幾乎一致，PLC技術(shù)想要實(shí)現(xiàn)以上功能，還需要進(jìn)一步提高其應(yīng)用復(fù)雜性[4]。

1.4 人機(jī)交互裝置研發(fā)

PLC 生產(chǎn)廠家一般情況下不會提供人機(jī)交互裝置，由工程商進(jìn)行采購后提供。DCS 集成人機(jī)交互裝置在應(yīng)用中所具備的優(yōu)勢為：具有更加專業(yè)的功能性和更高的穩(wěn)定性。但是需要投入較高成本，價(jià)格偏高。在PLC 技術(shù)迅速發(fā)展進(jìn)程中，也促進(jìn)了部分通用監(jiān)控軟件的研究，和DCS 廠商提供專用設(shè)備相比具有更高的功能和性能[5]。因此，一部分DCS 廠商也逐漸不再進(jìn)行專用人機(jī)交互設(shè)備研究，開始采用通用監(jiān)控軟件，這一點(diǎn)和PLC 技術(shù)一致。通常DCS 系統(tǒng)提供的是統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，簡單來講即為DCS 系統(tǒng)中只要出現(xiàn)有一個數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中，能夠在任何情況下引用，比如：監(jiān)控軟件、組態(tài)軟件以及趨勢圖中等。但是PLC 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫一般不統(tǒng)一，相關(guān)應(yīng)用例如組態(tài)和監(jiān)控軟件，甚至歸檔軟件都需要具備各自數(shù)據(jù)庫。西門子S7400也需要升級到414 以上，才能夠被稱為是DCS 系統(tǒng)，由于西門子PCS7 系統(tǒng)采用的是統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，因此對于控制器的要求需要至少在S7414-3 以上型號。

2 DCS 和PLC 系統(tǒng)區(qū)別

2.1 適用對象區(qū)別

DCS 注重過程控制，主要是在石化、火電站以及食品等行業(yè)中應(yīng)用。當(dāng)前，DCS 系統(tǒng)在我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展領(lǐng)域中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，尤其是大中型工程項(xiàng)目中，部分小型項(xiàng)目也開始應(yīng)用DCS 系統(tǒng)。DCS 是當(dāng)前流程工業(yè)自控系統(tǒng)中的主流產(chǎn)品，但在冶金領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展中，受到自身對控制技術(shù)要求所具備的特殊性，逐漸減少了對DCS 的使用量，轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎肞LC 系統(tǒng)。PLC 通常是在一般工業(yè)控制領(lǐng)域中應(yīng)用，具有非常強(qiáng)的通用性，在糧食加工、制藥、紙漿以及汽車等行業(yè)中應(yīng)用較為廣泛。PLC 系統(tǒng)生產(chǎn)、調(diào)試以及施工過程中相對周期較短，因此在小型機(jī)組改造和應(yīng)用中具有適用性[6]。

2.2 系統(tǒng)銷售方式區(qū)別

和DCS 相比，PLC 系統(tǒng)在應(yīng)用中顯著優(yōu)勢即為其OEM銷售方式，也就是PLC 生產(chǎn)廠家只能夠進(jìn)行PLC 硬件設(shè)備以及邏輯編程工具銷售，需要系統(tǒng)集成商或用戶實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的工程建設(shè)。在此過程中用戶很容易就會掌握相應(yīng)的技術(shù)，如在石門電廠一期工廠中，硬件設(shè)施選擇的是AB 公司的PLC，火電公司完成系統(tǒng)的大部分調(diào)試工作。DCS 廠家應(yīng)用方式即為交鑰匙工程。電站中的PLC 技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，在以上工程中PLC 僅應(yīng)用在吹灰程序控制、化學(xué)補(bǔ)給系統(tǒng)等相關(guān)輔助車間，另外汽機(jī)、鍋爐等部分主要輔助設(shè)備也是通過PLC 技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制，僅有很少一部分大容量接點(diǎn)為接觸器，剩下部分均消除了繼電器盤。在此過程中，一方面降低了繼電器盤數(shù)量以及電子設(shè)備間面積，另外降低了盤間的電纜連接，對于系統(tǒng)可靠性具有顯著提升作用。

2.3 控制精度及可擴(kuò)展性區(qū)別

DCS 注重是實(shí)現(xiàn)連續(xù)過程控制精度，可以實(shí)現(xiàn)針對PID、模糊、前饋以及自適應(yīng)等復(fù)雜控制，通常PLC 技術(shù)只具備有PID 功能，相對來講控制精度不高。DCS 系統(tǒng)的SCANDA 軟件包功能非常強(qiáng)大，也存在有配方功能，且也能夠?qū)崿F(xiàn)對軟件的針對性開發(fā)，比如配置工藝參數(shù)及控制算法等，提高了DCS 技術(shù)的應(yīng)用便捷性。PLC 系統(tǒng)通常沒有或者很少有擴(kuò)展需求，主要是在設(shè)備中應(yīng)用不具備有兼容性要求，例如對于PLC 系統(tǒng)來講想要實(shí)現(xiàn)兩個或兩個以上系統(tǒng)要求資源共享難度更大。但是PLC系統(tǒng)通常采用的是專用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，比如西門子MPI 總線型網(wǎng)絡(luò)，想要增加一臺操作員站難度都很大，或有較大成本。

3 DCS 和PLC 系統(tǒng)在涂料行業(yè)的應(yīng)用

3.1 PLC 自控系統(tǒng)的應(yīng)用

PLC 技術(shù)在涂料行業(yè)中的應(yīng)用，主要是在粉塵濃度問題中應(yīng)用，如果粉塵濃度超標(biāo)，會對涂料行業(yè)正常工作產(chǎn)生影響。因此，涂料行業(yè)想要提升自身除塵效率，就需要在PLC 技術(shù)的應(yīng)用下對粉塵實(shí)施輔助性監(jiān)測，所以在涂料行業(yè)中PLC 技術(shù)為其控制系統(tǒng)的一個輔助控制系統(tǒng)。另外PLC 技術(shù)也能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控電除塵器工作過程，且將其監(jiān)測所得數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，在對其處理顯示在屏幕上，也能夠針對其中部分?jǐn)?shù)據(jù)實(shí)施處理分析。在對其實(shí)施監(jiān)測過程中，如果發(fā)現(xiàn)粉塵濃度超出預(yù)定范圍，也就會立即發(fā)出警報(bào)，便于處理。PLC 系統(tǒng)將會直接影響到涂料行業(yè)的輔助系統(tǒng)，一方面有助于提高工作效率，另一方面也可以顯著降低能源消耗量，減少資源浪費(fèi)[7]。

3.2 DCS 自控系統(tǒng)的應(yīng)用

涂料企業(yè)生產(chǎn)過程中，樹脂合成自控系統(tǒng)也是一個重要的組成部分。在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)PLC 在樹脂合成自控系統(tǒng)存在可靠性不足的問題，目前PLC 有的CPU 沒有冗余，一旦CPU被雷擊或意外損壞，整個控制系統(tǒng)會癱瘓，易引發(fā)安全生產(chǎn)事故。而DCS 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的，為保證相應(yīng)設(shè)備的安全可靠，采用了雙冗余的控制單元，當(dāng)重要控制單元出現(xiàn)故障時(shí)，都會有相關(guān)的冗余單元實(shí)時(shí)無擾的切換為工作單元，保證整個系統(tǒng)的安全可靠。PLC 所搭接的系統(tǒng)基本沒有冗余的概念，就更談不上冗余控制策略。當(dāng)其中某個PLC 單元發(fā)生故障時(shí)，不得不將整個系統(tǒng)停下來，才能進(jìn)行更換維護(hù)并需重新編程。所以DCS系統(tǒng)要比其安全可靠性上高一個等級。在樹脂合成自控系統(tǒng)中，配置兩個CPU，可以有效實(shí)現(xiàn)無人化操作。無人化操作系統(tǒng)即為僅在后臺監(jiān)控相關(guān)數(shù)據(jù)顯示即可，可以直接操作控制系統(tǒng)的開啟。實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行中的故障風(fēng)險(xiǎn)，可以顯著提高工作效率，降低故障發(fā)生率。

4 結(jié)語

綜上，在涂料行業(yè)中PLC 系統(tǒng)和DCS 系統(tǒng)的應(yīng)用各具優(yōu)勢，都屬于是重要的技術(shù)，因此需要依照這一行業(yè)的實(shí)際需求結(jié)合應(yīng)用以上兩個系統(tǒng)，盡可能實(shí)現(xiàn)“取其精華棄其糟粕”，以此確保PLC 系統(tǒng)和DCS 系統(tǒng)的互補(bǔ)應(yīng)用，提高工作效率，降低故障發(fā)生率。