基于PLC的轻量型DCS系统设计应用研究

基于PLC的轻量型DCS系统设计应用研究

赵海英

河南豫光金铅股份有限公司 河南省 济源市 459000

摘要：随着科学技术的发展，我国的PLC技术有了很大进展，并在DCS系统设计中得到了广泛的应用。DCS相比PLC在功能、系统稳定性和数据安全上都有绝对优势，其劣势成本比较高。故DCS多应用在规模较大的项目。为了让规模较小的项目也能实现DCS的优点，本文首先分析了DCS控制系统工作原理，其次探讨了基于PLC的轻量型DCS系统设计应用，最后就超滤冷停时蒸汽管道震动可能存在的问题进行研究，以供参考。

关键词： PLC；轻量型 DCS 系统设计；项目成本

引言

DCS系统是河南豫光金铅股份有限公司污酸处理系统自动控制体系的重要组成部分，其可实现对不同热工过程参数的控制。通过控制结果，为热工系统的控制提供依据，以此保证各个热工过程均为最佳状态，实现污酸处理系统安全、经济运行，并且最大限度保证节能减排效果。但是由于各个热工过程存在显著的非线性、时变性以及不确定性等特点，并且，污酸处理系统运行数据量极大的同时，还存在离群样本和维度较高的变量，变量之间的关联程度显著，当前控制过程人为因素较重，智能控制模型难以构建。

1DCS控制系统工作原理

DCS控制试验与仿真系统采用以废气处理控制系统为基础的控制对象系统，加DCS控制系统的双调节模式。通过类比排液环节、循环、塔内水位控制、快速补液等回路设计，能够实现各种时序控制、位式控制、多个PID回路同时控制、SCS程控系统，以及故障联锁保护、紧急联锁停车保护控制等。可实现常规热工系统7大类实验，15项扩展实验等。DCS控制试验与仿真系统与传统废气处理监控系统相比较，可实现更贴近污酸处理系统实际生产的相关实验，对自动控制系统进行实验的同时，实现相关热控联锁实验，程控实验和热控检修实验。DCS控制试验与仿真系统的控制对象工艺流程装置主要由1个不锈钢框架、1个不锈钢储总水箱、2个料池，1个反应加热锅炉、2台给水泵、1台循环泵、1台冷却水泵、1套硬件联锁保护系统、手动阀和不锈钢管道等组成。系统先对控制对象系统的设备的执行动作进行信号采集，并对系统压力、液位、pH等信号进行采集传递给DCS系统，进行信号的A/D转化，将处理好的数据进入控制系统。DCS系统采用与污酸处理控制系统相同的双网冗余控制系统，采用一光六电交换机进行网络连接。上位机兼操作员站、工程服务器、历史站功能。可实现对控制对象系统进行监控操作、自动逻辑分析处理、历史数据采集及分析等功能。

2基于PLC的轻量型DCS系统设计应用

2.1SmartDCS的架构

其包含了人机界面、PLC程序、文件系统、电气系统以及他们之间的联系。在这个架构中最大特点是面向设备的设备控制模块与面向过程的程序控制模块是分离的，虽然是分离的，但是不管在物理上还是在逻辑上在此模型中还是有很多的联系。物理上的分离在过程控制层架构中会详细提到，逻辑上的联系在“程序模块与设备模块的联系”一节中也会详细讨论；第二个特点是HMI层的功能将减少到只有操作，也就是发命令，与状态的显示。连锁与包含将下放到PLC层，且会在HMI上显示；第三个特点，更加注重统计功能，统计是更高级控制层的要求，而在单机的表现是功能的延伸。

2.2I/O点数量的统计

针对污酸处理系统的生产工艺特点，结合各个信号点的统计以及整个污酸处理系统的控制需求，对其硬件(机柜、卡件、操作台等)进行了选取。而在硬件的选取与设计中，必须保证设备的硬件结构能够达到设计要求，并为未来的污酸处理系统预留空间。I/O点表为整个DCS系统设计奠定了基础。根据I/O类型和现场设备数量的要求，确定所有设备子系统所需的I/O数量和I/O类型。按照规定的方法连接现场信号和所有控制系统，为软件设计做准备。

2.3软件设计

我们配套开发了编程和仿真工具--HPLC。HPLC软件中内置了两种编程语言--梯形图语言（LD）和指令表语言（IL）。两种语言满足国际电工委员会制定的工业控制编程语言标准IEC1131-3的要求。用户可以利用HPLC庞大的标准图形库和完备的算法，将DCS系统中所有现场控制器的端口状态模拟出来展现出来。用户通过执行程序了解系统中现场控制器的运行状态。

2.4EM（设备模块）的设计

设备模块，由多个CM组成，可以完成特定的任务。比如，温度控制、液位控制、排液、循环、补液的控制。通常PLC架构的程序并不包含EM层，流程会直接控制CM，流程更加负责，不利于文件化和测试，软件稳定性也不是很好。EM的引入，让复杂的设备划分为几个或者十几个小的模块。每个模块完成一定的任务。流程控制EM，而不是直接控制CM，使流程的编写更加简单。测试也可以分为三层测试，分别是CM测试、EM测试、流程测试。系统的文件化、测试性能、稳定性都得到提高。

2.5实验步骤

系统上电，启动控制对象系统和DCS系统硬件。进行模式选择、管路选择，以单回路料池液位调节为例。启动DCS系统工程软件，根据工程中已有数据库，组态调节阀逻辑；设置初始参数。下载逻辑和画面，打开监视画面，观察系统参数显示和逻辑显示正常，调节系统至水位平衡。扰动实验：将设定值设定反复3次实验，观察曲线并修改参数；整定过程中，水位波动不得超调。调节完成后进行参数同步，并截屏保存曲线，完成实验后恢复系统。

2.6HMI（人机界面）的设计

SmartDCS最重要的一个设计就是HMI的设计。HMI必须具备相互备份，任何一台HMI可以操作任何一台设备，和数据的全备份三个功能。一台HMI可以操作多台设备。从而保证数据的安全性，和系统的稳定性。其功能实现有两种办法，第一种方案是为每台设备设计一套界面，选择设备时切换到对应的一套界面组；第二种方案所有的设备使用同一套界面，不进行界面切换，切换的是变量。SmartDCS选择的是第二种方案。在每个变量后面加上标识设备的设备单元号，在切换设备时，修改变量的后缀，从而切换到选择的设备控制上。这种做法，减少了开发的工作量，也使各设备使用完全相同的界面。

3超滤冷停时蒸汽管道震动可能存在的问题分析

超滤系统冷停，冷水流量为零，温度会升高，可以采用温度信号控制阀门关闭，但温度信号反应较慢，关闭电磁阀不及时，依然会造成管道震动。如果采用3台泵状态信号联锁板换蒸汽阀门关闭，即3台泵全部停止（DI点）后，板换蒸汽阀门关闭，这样虽然能达到目的，但在调试过程发现，泵是由变频器控制，泵从停止信号发出到泵停止，需要10秒，虽然管道震动时间短了，但是依然存在震动现象。最后，研究发现，采用3台泵停止信号（DO点）发出，板换蒸汽阀门立即关闭，这样，节省了10秒的时间，管道不会出现震动。攻关小组人员通过程序修改、多次调试下装，最终完美实现超滤系统冷停后，管道无震动问题，

结语

污酸处理热工系统存在复杂、多变的因素，使其数据中存在大量的多重相关性、非线性的数据，并且离群样本点数量也较多，导致其智能驱动系统的构建较为困难。在应用过程中，因为每个行业或者每周设备对于设备的关注点不一样，故而需要对CM，EM进行扩展或者差异化设计。从而提升设备或者系统的自动化程度和稳定性等各方面的性能。

参考文献

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