基于PLC 的輕量型DCS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)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(tǒng)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(tǒng)）以過(guò)程控制為主。隨著PLC 和DCS 功能上相向發(fā)展，PLC 和DCS 已經(jīng)沒(méi)有太大的區(qū)別。這僅僅是在功能的層面上。實(shí)質(zhì)上，DCS 相比PLC 在應(yīng)用場(chǎng)景上，更多使用在大型項(xiàng)目上，比如發(fā)電廠，石油，和化工，而PLC 多應(yīng)用于單機(jī)項(xiàng)目或者生產(chǎn)線。這要?dú)w于DCS系統(tǒng)在處理中大型系統(tǒng)上的天然的優(yōu)勢(shì)：冗余設(shè)計(jì)使系統(tǒng)安全性增強(qiáng)；基于服務(wù)器的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理增加數(shù)據(jù)安全性；模塊化的設(shè)計(jì)第三方供應(yīng)商也可以輕松集成。相對(duì)來(lái)說(shuō)PLC 可以說(shuō)是一張白紙，每個(gè)公司或者每個(gè)工程師都擁有自己的系統(tǒng)架構(gòu)。往往這些架構(gòu)只能滿足功能上的需求，而不具有DCS 模塊化架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。

但是，PLC 系統(tǒng)相對(duì)于DCS 最大的優(yōu)點(diǎn)是成本。對(duì)于超過(guò)千萬(wàn)的項(xiàng)目，DCS 系統(tǒng)占據(jù)總項(xiàng)目成本比重比較小。對(duì)于百萬(wàn)級(jí)別或者小于百萬(wàn)級(jí)別的項(xiàng)目，使用DCS 在成本控制上是無(wú)法想象的。工程師只能選擇PLC 架構(gòu)。

本文介紹的SmartDCS 是基于PLC 的輕量型DCS 系統(tǒng)。SmartDCS 在成本上可控，小型項(xiàng)目上可實(shí)現(xiàn)，使小型項(xiàng)目也可以實(shí)現(xiàn)諸多基于DCS 的大型項(xiàng)目的優(yōu)點(diǎn)：上位機(jī)相互備份，數(shù)據(jù)增強(qiáng)安全性，報(bào)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(jià)比比較高的中型PLC—ET 200SP 分布式I/0 系統(tǒng)，上位機(jī)是西門子過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)WinCC V7.4。

SmartDCS 在控制層主要包含控制模塊（Control Module，以下簡(jiǎn)稱CM），設(shè)備模塊（Equipment Module，以下簡(jiǎn)稱EM），狀態(tài)遷移圖，以及流程。在監(jiān)控層主要包含控制模塊界面，設(shè)備模塊界面，流程界面，基于數(shù)據(jù)庫(kù)的配方，用戶管理，數(shù)據(jù)管理，報(bào)警，審計(jì)追蹤，電子簽名，以及報(bào)表。

SmartDCS 的典型應(yīng)用場(chǎng)景如圖1。其中三個(gè)HMI 可以相互備份，任何一臺(tái)HMI 可以操作所有設(shè)備。數(shù)據(jù)中心可以選擇配置。本地HMI 可以根據(jù)客戶需求配置觸摸屏，電腦，或者觸摸工控機(jī)。

圖1 SmartDCS 的典型應(yīng)用場(chǎng)景

2 SmartDCS 設(shè)計(jì)

2.1 SmartDCS 的架構(gòu)

圖2 為SmartDCS 的架構(gòu)。其包含了人機(jī)界面、PLC 程序、文件系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)以及他們之間的聯(lián)系。

圖2 SmartDCS 的架構(gòu)

在這個(gè)架構(gòu)中最大特點(diǎn)是面向設(shè)備的設(shè)備控制模塊與面向過(guò)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(lián)系。物理上的分離在過(guò)程控制層架構(gòu)中會(huì)詳細(xì)提到，邏輯上的聯(lián)系在“程序模塊與設(shè)備模塊的聯(lián)系”一節(jié)中也會(huì)詳細(xì)討論；第二個(gè)特點(diǎn)是HMI 層的功能將減少到只有操作，也就是發(fā)命令，與狀態(tài)的顯示。連鎖與包含將下放到PLC 層，且會(huì)在HMI 上顯示；第三個(gè)特點(diǎn)，更加注重統(tǒng)計(jì)功能，統(tǒng)計(jì)是更高級(jí)控制層的要求，而在單機(jī)的表現(xiàn)是功能的延伸。

2.2 CM（控制模塊）的設(shè)計(jì)

控制模塊指的是控制的最底層元素，比如開(kāi)關(guān)量信號(hào)，溫度，變頻器，電機(jī)，閥門。標(biāo)準(zhǔn)化，模塊化設(shè)計(jì)每一個(gè)CM，對(duì)于SmartDCS 來(lái)說(shuō)是控制的基礎(chǔ)，不僅可以規(guī)定好每類設(shè)備的控制邏輯，也可以批量化管理所有CM。

CM 包含，報(bào)警Alarm，模擬量輸入AI、模擬量輸出AO、數(shù)字量輸入DI、數(shù)字量輸出DO、PID 等。本文中以AO 為例，說(shuō)明CM 的設(shè)計(jì)。

首先自定義數(shù)據(jù)類型，UDT_DO。如表1。

表1 CM DO 的自定義數(shù)據(jù)類型

再為DO 設(shè)計(jì)上位機(jī)顯示圖標(biāo)，如圖3。在設(shè)計(jì)上位機(jī)時(shí)，要考慮以下因素：可復(fù)用性，信息完整性，和節(jié)省資源。對(duì)于一個(gè)DO 狀態(tài)有很多種，如果每種狀態(tài)都是用一個(gè)變量，則會(huì)占用大量的變量資源，SmartDCS 針對(duì)多種狀態(tài)使用一個(gè)變量，節(jié)省了大量的變量空間。通過(guò)腳本的設(shè)計(jì)，在重復(fù)使用時(shí)，只需要修改CM 的索引號(hào)即可完成一個(gè)DO 的定義，節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間。這個(gè)設(shè)計(jì)不僅可以清洗的看到CM 的模式狀態(tài)（自動(dòng)開(kāi)，自動(dòng)關(guān)，手動(dòng)開(kāi)，手動(dòng)關(guān)），也可以看到更多的信息（互鎖，報(bào)警，和維護(hù)狀態(tài)）。

圖3 CM DO 的上位機(jī)顯示

圖4 為DO 的詳細(xì)界面，從界面上可以看出，針對(duì)一個(gè)比較簡(jiǎn)單的DO 設(shè)備模塊，可以獲得更多的信息，比如互鎖信息，維護(hù)信息，詳細(xì)的描述，使之易于操作，易于維護(hù)，易于測(cè)試。

圖4 CM DO 的詳細(xì)界面

類似于DO，設(shè)計(jì)所有的CM。并且為每個(gè)CM 編程，這樣程序的可復(fù)用性和重復(fù)性大大提高。在監(jiān)控側(cè)，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(gè)設(shè)計(jì)的CM 配置文件，并且版本控制，有利于軟件的標(biāo)準(zhǔn)化管理。

2.3 EM（設(shè)備模塊）的設(shè)計(jì)

設(shè)備模塊，由多個(gè)CM 組成，可以完成特定的任務(wù)。比如，溫度控制、真空控制、清洗、排水、溶氧的控制。通常PLC 架構(gòu)的程序并不包含EM 層，流程會(huì)直接控制CM，流程更加負(fù)責(zé)，不利于文件化和測(cè)試，軟件穩(wěn)定性也不是很好。EM 的引入，讓復(fù)雜的設(shè)備劃分為幾個(gè)或者十幾個(gè)小的模塊。每個(gè)模塊完成一定的任務(wù)。流程控制EM，而不是直接控制CM，使流程的編寫更加簡(jiǎn)單。測(cè)試也可以分為三層測(cè)試，分別是CM 測(cè)試、EM 測(cè)試、流程測(cè)試。系統(tǒng)的文件化、測(cè)試性能、穩(wěn)定性都得到提高。

在HMI，可以獨(dú)立的對(duì)EM 的每個(gè)功能進(jìn)行啟停，從而對(duì)EM 進(jìn)行功能確認(rèn)。EM 的界面見(jiàn)圖5。

圖5 EM 的操作示例

2.4 流程的設(shè)計(jì)

流程是協(xié)調(diào)各個(gè)EM（包含可能涉及到的其它系統(tǒng)的EM）完成生產(chǎn)程序，是生產(chǎn)過(guò)程中最常使用的功能。故而需要對(duì)流程的步驟、狀態(tài)轉(zhuǎn)換、命令、步驟跳轉(zhuǎn)信息顯示清洗準(zhǔn)確，提供可操作性。

其中我們重點(diǎn)說(shuō)明狀態(tài)轉(zhuǎn)換，設(shè)備實(shí)體與程序元素有很多狀態(tài)，比如初始狀態(tài)、正在運(yùn)行、正在暫停、已經(jīng)停止、最終狀態(tài)，等等。從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另外一種狀態(tài)，需要命令。

狀態(tài)與命令的結(jié)合即是圖6 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。在應(yīng)用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖時(shí)，應(yīng)該根據(jù)所處的行業(yè)和設(shè)備的類型和負(fù)責(zé)程度設(shè)計(jì)專屬的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，而不是一成不變的。

圖6 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

2.5 用戶管理的設(shè)計(jì)

基于操作系統(tǒng)的用戶管理可以直接使用系統(tǒng)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(lái)實(shí)現(xiàn)用戶管理。

2.6 數(shù)據(jù)管理的設(shè)計(jì)

對(duì)于電子數(shù)據(jù)的管理也是數(shù)據(jù)安全性的重要一環(huán)。定期對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份/歸檔。當(dāng)需要時(shí)，還可以重新連接歸檔數(shù)據(jù)，查看生產(chǎn)情況。這對(duì)于制藥生產(chǎn)過(guò)程和審計(jì)追溯都具有重要的意義。本數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)也是全腳本設(shè)計(jì)。

2.7 電子簽名的設(shè)計(jì)

電子簽名是審計(jì)追蹤的重要一環(huán)。對(duì)于重要的操作，不僅可以記住操作人員是誰(shuí)，在什么時(shí)候，原因是什么，也可以起到復(fù)核的作用。電子簽名對(duì)于制藥生產(chǎn)基本上已經(jīng)是標(biāo)準(zhǔn)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(jī)界面）的設(shè)計(jì)

SmartDCS 最重要的一個(gè)設(shè)計(jì)就是HMI 的設(shè)計(jì)。HMI必須具備相互備份，任何一臺(tái)HMI 可以操作任何一臺(tái)設(shè)備，和數(shù)據(jù)的全備份三個(gè)功能。

一臺(tái)HMI 可以操作多臺(tái)設(shè)備。從而保證數(shù)據(jù)的安全性，和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

其功能實(shí)現(xiàn)有兩種辦法，第一種方案是為每臺(tái)設(shè)備設(shè)計(jì)一套界面，選擇設(shè)備時(shí)切換到對(duì)應(yīng)的一套界面組；第二種方案所有的設(shè)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(gè)變量后面加上標(biāo)識(shí)設(shè)備的設(shè)備單元號(hào)，在切換設(shè)備時(shí)，修改變量的后綴，從而切換到選擇的設(shè)備控制上。這種做法，減少了開(kāi)發(fā)的工作量，也使各設(shè)備使用完全相同的界面。

3 結(jié)論與建議

綜上所述，通過(guò)對(duì)CM、EM、流程、用戶管理、數(shù)據(jù)管理、電子簽名和HMI 的再設(shè)計(jì)，使基于PLC 系統(tǒng)的SmartDCS 具有了DCS 的大部分功能和優(yōu)點(diǎn)：①標(biāo)準(zhǔn)化的功能模塊。②模塊化的架構(gòu)設(shè)計(jì)。③集中控制和本地控制的分布式控制。④上位機(jī)的冗余備份。⑤電子數(shù)據(jù)的備份。⑥原始數(shù)據(jù)文件的管理。⑦基于本地系統(tǒng)或者域服務(wù)器的用戶管理系統(tǒng)。⑧電子簽名。⑨強(qiáng)大的報(bào)表功能。

SmartDCS 為輕量型的DCS 系統(tǒng)，其最大的優(yōu)點(diǎn)還是因成本低使小型設(shè)備或者小型系統(tǒng)可以應(yīng)用上DCS，從而提升的生產(chǎn)效率和效益，也更加易于操作性、易于維護(hù)性和易于驗(yàn)證。

SmartDCS 可以應(yīng)用在多行業(yè)，不同設(shè)備。不過(guò)在應(yīng)用過(guò)程中，因?yàn)槊總€(gè)行業(yè)或者每周設(shè)備對(duì)于設(shè)備的關(guān)注點(diǎn)不一樣，故而需要對(duì)CM，EM 進(jìn)行擴(kuò)展或者差異化設(shè)計(jì)。從而提升設(shè)備或者系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和穩(wěn)定性等各方面的性能。