自动化控制在现代工业中的应用

自动化控制在现代工业中的应用摘要本文介绍了PLC、DCS的概念、结构。介绍了PLC在新临钢烧结8㎡竖炉中，DCS在临钢焦化厂的应用，对PLC、DCS加以对比，分析，阐述了新一代自动控制系统FCS在当代工业中的应用，并对临钢自动化控制改进提出了建议。关键词PLCDCSFCS主控制站一、PLC（ProgrammableLogicController）可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。PLC的构成虽然各种PLC的组成各不相同，但是在结构上是基本相同的，一般由CPU、存储器、输入输出设备（I/O）和其他可选部件组成。其他的可选部件包括编程器，外存储器，模拟I/O盘，通信接口，扩展接口等。CPU是PLC的核心，它用于输入各种指令，完成预定的任务，起到了大脑的作用，自整定、预测控制和模糊控制等先进的控制算法也已经在CPU中得到了应用；存储器包括随机存储器RAM和只读存储器ROM，通常将程序以及所有的固定参数固

化在ROM中，RAM则为程序运行提供了存储实时数据与计算中间变量的空间；输入输出系统（I/O）使过程状态和参数输入到PLC的通道以及实时控制信号输出的通道，这些通道可以有模拟量输入、模拟量输出、开关量输入、开关量输出、脉冲量输入等，使PLC的应用十分广泛。我国使用较多的PLC产品有德国西门子的S7系列，日本立石公司的C系列、三菱公司的FX系列、美国GE公司的GE系列等。各大公司生产的可编程控制器都已形成由小型到大型的系列产品，而且随着技术的不断进步，产品更新换代很快。新临钢烧结厂竖炉系统按工艺流程分三大系统。配料、烘干、润磨矿粉运输及配料除尘为第一系统；造球、生球运输、风机、水泵、烟气除尘为第二系统；成品运输及成品除尘为第三系统；各系统分别采用集中联锁、局部联锁、解除联锁、机旁事故停机等控制方式，可在操作台上集中操作或机旁操作。各系统设有设备运行信号，事故音响灯光信号显示。1竖炉生产的工艺流程，如图：精矿粉接受与储存膨润土接受与储存配料（合各种精矿粉及膨润土）混合与干燥精矿粉接受与储存膨润土接受与储存配料（合各种精矿粉及膨润土）混合与干燥润磨室造球生球筛分竖炉焙烧带冷冷却中间仓熟球筛分成品仓高炉料仓加水加热炉煤气空气筛下返料0—5mm开炉或调节炉况煤气运烧结0—5mm返矿空气1、控制要求分析小车的前进、后退采用交流异步电动机控制。当某个电机得电，就一直保持当前的机械动作，直到相反动作的电机得电为止。为使2、PLC控制系统程序设计（1）得到启动命令（有效时间为三分钟），1#、2#链板只要有一个运行，I4.6布料小车即得到信号，接着向前向后的运行信号Q21.1、Q21.2相继断开，同时，报警DB1.DBX51.6输出点断开，时间继电器T22启动，延时5s。（2）M1.2有信号，T22延时5s闭合，I4.6布料小车在“集中控制”位置，1#、2#链板任意一个运行，M1.3无停机命令，M0.6断开，I8.6停机按钮在“分”位，M1.4布料小车自保PLC内部线圈吸合，M1.4触点闭合自锁，形成自保回路，三分钟后，M1.2断开，M1.4维持导电。布料小车向前运行回路：I5.0后限位信号输出，布料小车向前运行信号Q21.1输出，不输出I4.7前到位信号，I5.2强制向后按钮断开，输出线圈Q21.1通电，小车向前运行，在监视运行屏幕上，向前运行指示灯亮。布料小车向后运行回路：I4.7前到位信号输出，布料小车向后运行信号Q21.2输出，后到位信号I5.0断开，I5.1强制向前按钮断开，输出线圈Q21.2通电，小车向后运行，向后运行指示灯亮。此程序的优点在于设计了强制向前强制按钮I5.1，强制向后按钮I5.2，当下料不均匀时，可手动操作向前、向后按钮，强制小车向前或向后运行，使布料均匀，保证小车的连续运行，确保了竖炉生产持续、稳定。二、DCS是分散控制系统(DistributedControlSystem)的简称，国内一般习惯称为集散控制系统。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机(Computer)、通讯(Communication)、显示(CRT)和控制(Control)等4C技术，分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。目前我国以和利时、浙大中控、上海新华为代表的国内DCS厂家经过10年的发展，都各自推出自己的DCS系统：和利时推出MACS－Smartpro第四代DCS系统、浙大中控推出Webfield(ECS)系统、新华推出XDPF-400系统。在中国的DCS市场上，三家国内厂商已经具备了相当的竞争能力。例如通过新华公司与和利时公司在火电站控制领域的竞争以及和利时公司与浙大中控在化工等领域的竞争，使得国外的DCS纷纷降价。可以说，三家公司最大的贡献是把国外的DCS价格降到了原来40％以下，为DCS在国内工业企业的普及应用，特别是在中小型企业中的应用做出了贡献。焦化厂二焦系统2000年采用浙大中控的集散控制系统ＪＸ－３００=1\*ROMANI、JX－３００系统简介JX－３００是浙大中控1996年推出的新型开放式集散控制系统，该系统应用了新的信号处理技术、高速网络通信技术、可靠的软件平台和软件设计技术和现场总线技术，采用了高性能的微处理器和成熟的先进控制算法，使其兼备了高速可靠的数据输入输出、运算、过程控制功能和ＰＬＣ联锁逻辑控制功能。ＪＸ－３００基本组成包括工程师站（ＥＳ）、操作站（ＯＳ）、控制站（ＣＳ）和通讯网络。在通讯网络上挂接通信接口单元可实现与ＰＬＣ的连接；通过多功能计算机（ＭＦＳ）和相应的软件Ａdvantrol－ＰＩ可实现与企业管理计算机网的信息交接，实现企业网络 Ethernet操作员电脑工和师电脑操作员电脑工和师电脑网桥网桥 Scnet=2\*ROMANII(过程控制网)现场控制站数据采集站现场控制站现场控制站数据采集站现场控制站通信接口卡通信接口卡智能设备或PCL智能设备或PCL（图1）ＪＸ――３００Ｘ网络结构示意图(Intranet)环境下的实时数据采集、实时流程查看、实时趋势浏览、报警记录与查看、开关量变位记录与查看、报表数据存贮、历史趋势存贮与查看、生产过程报表生成与输出等到功能，从而实现整个企业生产过程的管理、控制全集成综合自动化。结构示意图见图1=2\*ROMANII、焦化厂二焦系统主要生产工艺焦化厂二焦系统生产工段主要分为：焦炉炉底加热工段（焦炉煤气加热控制站、集气管压力控制站、鼓风机工段（风机控制站、冷凝泵房控制点）、回收工段（粗苯控制点、硫铵控制点、回收控制点）。各个工段都要对煤气温度、压力、进行测量根据测量的结果进行分析，然后调节相应的控制阀门以达到工艺要求的最佳值，在回收系统，液位的显示、调节，以及温度参数的测量，调节控制回收产品母液的温度，这些都影响化工产品的产量与质量，在没有用ＤＣＳ时各个岗位都要靠人工调节，显示用的是数显表和模合表现场需要控制的点多，造成各个岗位仪表盘多，不利于现场治理，而职工必须不断的下现场观看液位，调节阀门工作效率低，劳动强度大，岗位要求操作工人数多，调节也不稳定，不利于生产运行，造成煤气压力波动大，温度调节也不稳定，化工产品的产量不尽人意。制约着设备的性能，不能良好的满足化工工艺的各项指标，从而给临钢公司带来了隐形的损失，给焦炉加热以及焦炉维护工作和全公司焦炉煤气的用户带来很多不利因素。=3\*ROMANIII、风机工段ＤＣＳ用途现以ＤＣＳ在风机工段的应用做具体的阐述，其它的岗位大同小异。（本论文后附有二焦系统ＤＣＳ布置及网络图，以供参考。）风机操作工首先要掌握风机运行的各个参数：风机前轴瓦温度、风机后轴瓦温度、液力偶合器油温、风机电机前轴承温度、电机后轴承温度、风机的转速。煤气控制参数：新２＃炉焦气管压力、３＃炉集气管压力、４＃炉集气管压力、初冷器前煤气温度、初冷器前煤气压力、初冷器后的煤气温度、初冷器后的煤气压力（风机机前吸力）风机机后压力、外供煤气压力。冷凝液液位，电捕焦油器的含氧量，初冷器上水温度，初冷器吸力，剩余氨水的液位，循环氨水的压力，高压氨水的压力，温度等等，而这些压力、温度的控制要靠阀门的开关来控制，而DCS的分散控制、集中管理为实现这些功能有独特的优势。主控制站主要由机柜、机笼、供电单元和各类卡件组成，如主控制卡、数据转发卡、各种信号输入／输出卡，其核心是主控制卡，主控制卡通过系统内高速数据网络――ＳＢＵＳ扩充各种功能，实现现场信号的输入输出，同时完成过程控制中的数据采集、回路控制、顺序控制、以及优化控制等各种算法。三、PLC与集散控制系统DCS的比较PLC（1）从开关量控制发展到顺序控制、运送处理，是从下往上的。（2）连续PID控制等多功能，PID在中断站中。

（3）可用一台PC机为主站，多台同型PLC为从站。

（4）也可一台PLC为主站，多台同型PLC为从站，构成PLC网络。这比用PC机作主站方便之处是：有用户编程时，不必知道通信协议，只要按说明书格式写就行。

（5）PLC网格既可作为独立DCS，也可作为DCS的子系统。

（6）大系统同DCS。

（7）PLC主要用于工业过程中的顺序控制，新型PLC也兼有闭环控制功能。

DCS

（1）分散控制系统DCS集4C（Communication，Computer，Control、CRT）技术于一身的监控技术。

（2）从上到下的树状拓扑大系统，其中通信（Communication）是关键。

（3）PID在中断站中，中断站联接计算机与现场仪器仪表与控制装置。

（4）是树状拓扑和并行连续的链路结构，也有大量电缆从中继站并行到现场仪器仪表。

（5）模拟信号，A/D—D/A、带微处理器的混合。

（6）一台仪表一对线接到I/O，由控制站挂到局域网LAN。

（7）DCS是控制（工程师站）、操作（操作员站）、现场仪表（现场测控站）的3级结构。

（8）用于大规模的连续过程控制，如石化等PLC以开关量控制为主，兼顾模拟量的控制，尤其是小型PLC具有存储容量大、体积小、价格便宜等优点，迅速发展成为现代工业控制的主导产品。20世纪70年代与PLC同时发展起来的集散型控制系统（DCS）以模拟量的控制为主，有很强的数值运算功能。它的主要特点是能够实现集中管理和分散控制，为过程控制的主流产品。一般来讲，离散型制造业采用可编程序控制器（PLC），常用于逻辑/顺序控制。流程工业的控制一般采用集散型控制系统（DCS）。而间隙过程工业则以DCS和PLC混合使用为好。在实际生产中，生产过程往往既需要连续控制，又需要逻辑/顺序控制的功能，DCS和PLC都是基于微处理器的数字控制系统装量，它们相互渗透发展，不断扩大自己的应用领域。目前，PLC已广泛地被应用在DCS中。在当今的PLC中，除了提供模拟量控制模块外，PID回路控制也已不再被认为是PLC中的新事物了，它已经成为每一种大型PLC的标准性能，甚至许多新型的小型PLC也能提供PID等控制算法的功能。现在以PLC为基础的PID控制正广泛应用于连续过程和批量过程的控制中。在此基础上，一些PLC生产厂商为其新一代的通用PLC系列又增加了许多专为过程控制而设计的控制功能。除PID运算外，增添了“超前滞后”、工程量变换、报警、斜坡函数和高精度模拟量I/O等特殊处理算法。过去仅限于大型DCS系统中使用的其他一些先进的过程控制功能，也开始在PLC中出现。自整定PID回路、模糊控制等就是最好的一些进展。在DCS控制系统中，也越来越多地采用了各种智能数字调节器和PLC，新型的数字调节器与PLC不仅容量更大，速度更快，而且都具有较强的联网通信能力，可以采用以廉价的双绞线为传输介质的现场总线网，将作为主结点的现场控制站与作为从结点的数十个数字调节器、PLC或数字化智能变送器连接在一起，也可以将数台PLC通过网点直接接入高速数据公路，组成过程控制级的顺序控制站。这样，使DCS的控制功能进一步分散，控制速度与功能及系统的可靠性又得以进一步的提高。现在的PLC不是原来的简单PLC了，它几乎可以完成所有的自动化控制任务，甚至包括过程控制，今后，PLC的各种特性提高的速度和各种功能完善的速度越来越快，DCS和PLC的控制功能将进一步融合，DCS必将被由PLC构成的控制系统或被PC为平台的PLC控制系统所取代。四、计算机和网络技术的飞速发展，引起了自动化控制系统结构的变革，一种世界上最新型的控制系统即现场总线控制系统（FieldbusControlSystem，FCS）在上世纪九十年代走向实用化，并正以迅猛的势头快速发展。现场总线控制系统是目前自动化技术中的一个热点，正越来越受到国内外自动化设备制造商与用户的关注。现场总线控制系统的出现，将给自动化领域在过程控制系统上带来又一次革命，其深度和广度将超过历史的任何一次，从而开创自动化的新纪元。

（1）FCS是第五代过程控制系统，它是21世纪自动化控制系统的方向。是3C技术（Communication，Computer，Control）的融合。基本任务是：本质（本征）安全、危险区域、易变过程、难于对付的非常环境。

（2）全数字化、智能、多功能取代模拟式单功能仪器、仪表、控制装置。

（3）用两根线联接分散的现场仪表、控制装置，取代每台仪表的两根线。“现场控制”取代“分散控制”；数据的传输采用“总线”方式。

（4）从控制室到现场设备的双向数字通信总线，是互联的、双向的、串行多节点、开放的数字通信系统取代单向的、单点、并行、封闭的模拟系统。

（5）用分散的虚拟控制站取代集中的控制站。

（6）把微机处理器转入现场自控设备，使设备具有数字计算和数字通信能力，信号传输精度高，远程传输。实现信号传输全数字化、控制功能分散、标准统一全开放。

（7）可上局域网，再可与internet相通。既是通信网络，又是控制网络。

FCS的关键要点：

（1）FCS系统的核心是总线协议，即总线标准。采用双绞线、光缆或无线电方式传输数字信号，减少大量导线，提高了可靠性和抗干扰能力。FCS从传感器、变送器到调节器一直是数字信号，这就使我们很容易地处理更复杂、更精确的信号，同时数字通信的差错功能可检出传输中的误码。FCS可以将PID控制彻底分散到现场设备（FieldDevice）中。FCS还可以通过网关和企业的上级管理网络相连，以便管理者掌握第一手资料，为决策提供依据。所以现场总线具有开放性、互操作性、系统结构的高度分散性、灵活的网络拓扑结构、现场设备的高度智能化、对环境的高度适应性等诸多突出特点。

（2）FCS系统的基础是数字智能现场装置：数字智能现场装置是FCS系统的硬件支撑，是基础；道理很简