用PC+PLC實(shí)現(xiàn)武漢漢口江灘公園照明的集散控制

1、用PC+PLC實(shí)現(xiàn)武漢漢口江灘公園照明的集散控制作者：發(fā)布時(shí)間：2007-12-06 09:53:38來源：繁體版 訪問數(shù)： 69    1 引言    世界經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)向國(guó)際化和高增值型方向發(fā)展，信息行業(yè)和計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)猛增，信息時(shí)代的前進(jìn)步伐將越來越快，傳統(tǒng)的工作經(jīng)濟(jì)遭到網(wǎng)絡(luò)知識(shí)經(jīng)濟(jì)的強(qiáng)有力地挑戰(zhàn)；智能建筑，智能小區(qū)，智能家居等飛速發(fā)展，樓宇自動(dòng)化(BA)、通信自動(dòng)化 (CA)、辦公自動(dòng)化(OA)、家庭自動(dòng)化（HA）等各種自動(dòng)化系統(tǒng)不斷出現(xiàn)；人們的物質(zhì)與精神生活水平迅速提高，對(duì)工作和生活追求靈活、高效和舒適，對(duì)照明的要求也越來越高。因此，

2、傳統(tǒng)的照明控制技術(shù)受到了時(shí)代的強(qiáng)烈沖擊，國(guó)內(nèi)外都不斷的把各種計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)不斷的引入到照明控制中來。    只要有人在夜間活動(dòng)的區(qū)域，都需要照明設(shè)備，有室內(nèi)、室外照明，有辦公照明、家庭照明，有體育場(chǎng)館、工礦業(yè)車間廠房、道路橋梁、公園廣場(chǎng)、車站碼頭等等照明場(chǎng)所，其分布的地理范圍從幾平方米到方圓幾十公里。對(duì)于范圍較大的照明空間來說，實(shí)現(xiàn)照明設(shè)備的集中監(jiān)控與管理變得勢(shì)在必行，目前大型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有SCADA系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)等，也有澳大利亞邦奇公司的Dynalite系統(tǒng)、奇勝公司的C-BUS系統(tǒng)等專業(yè)智能照明控制系統(tǒng)。本文將介紹怎樣用PC+PL

3、C來實(shí)現(xiàn)照明集散控制系統(tǒng)。    2 集散控制系統(tǒng)（DCS）及相關(guān)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)    自1975年Honeywell推出第一套DCS以來，世界上有幾十家自動(dòng)化公司推出了上百種的集散控制系統(tǒng)（DCS），在三十年的發(fā)展過程中，先后經(jīng)歷了四代產(chǎn)品的革新改良，其集散控制的思想越來越廣泛地被廣大自動(dòng)化工程技術(shù)人員所青睞，并不斷地被應(yīng)用于新建、擴(kuò)建和技改項(xiàng)目中。但傳統(tǒng)的DCS一般由專業(yè)廠家生產(chǎn)，具有一定的專有性；另外，對(duì)一般傳統(tǒng)的DCS來說，其控制規(guī)模比較大，成本費(fèi)用比較高，因此限制了在中小規(guī)模的自控系統(tǒng)項(xiàng)目中的推廣應(yīng)用。  

4、;  目前，與DCS并存于市場(chǎng)上的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)還有SCADA系統(tǒng)、以工業(yè)級(jí)PC機(jī)為核心構(gòu)成的小型監(jiān)督/控制系統(tǒng)（PC-Based）、PLC構(gòu)成的控制系統(tǒng)、PC+單片機(jī)/DSP構(gòu)成的控制系統(tǒng)、PC+PLC構(gòu)成的監(jiān)控系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)在應(yīng)用目標(biāo)上、系統(tǒng)功能上、產(chǎn)品形態(tài)和實(shí)現(xiàn)方法等方面與DCS有很多共同之處，也有許多區(qū)別1。在具體的工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)工程的特點(diǎn)、用戶的功能需求來設(shè)計(jì)合理的方案，選擇相應(yīng)的控制系統(tǒng)。3 用PC+PLC實(shí)現(xiàn)集散控制系統(tǒng)（DCS）的基本原理    集散控制的基本思想是集中管理，分散控制，即：將流程工業(yè)的自動(dòng)控制過程與操作管理人員對(duì)自動(dòng)

5、控制過程的管理過程相對(duì)分離；流程工業(yè)的自動(dòng)控制過程由各控制站相對(duì)獨(dú)立地自動(dòng)完成，而操作人員對(duì)自動(dòng)控制過程的管理則由中央控制室的操作站來完成。中央操作站與各現(xiàn)場(chǎng)控制站一方面各自相對(duì)獨(dú)立地運(yùn)行，從而將各種故障限制在局部范圍內(nèi)，極大地提高了自動(dòng)控制系統(tǒng)總體的安全性和可靠性；另一方面又相互進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信和信息交換，實(shí)現(xiàn)了操作人員在中央控制室的操作站對(duì)整個(gè)自動(dòng)控制過程進(jìn)行管理和調(diào)整。    現(xiàn)場(chǎng)控制站的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制，因此它必須要能夠自動(dòng)采集現(xiàn)場(chǎng)的各種工藝參數(shù)以及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等生產(chǎn)信息，然后按照事先編好的控制程序進(jìn)行大量的數(shù)值計(jì)算，最后輸出420標(biāo)準(zhǔn)

6、模擬信號(hào)(或on/off數(shù)字信號(hào))去驅(qū)動(dòng)各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)各種工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制；另外還要與操作站進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，將采集到的各種生產(chǎn)信息傳送到操作站供操作人員使用，同時(shí)接收操作人員通過操作站發(fā)出的各種指令實(shí)時(shí)調(diào)整自動(dòng)控制方案、優(yōu)化生產(chǎn)過程，因此它還需要具有標(biāo)準(zhǔn)化的通信接口。目前的各種PLC均具有這樣的功能，而且其容量彈性大，擴(kuò)充方便，控制方案的組態(tài)簡(jiǎn)單易學(xué)，性能價(jià)格比優(yōu)越，因此是中小型DCS的操作站的理想選擇。    中央控制室的操作站實(shí)際上是一個(gè)人機(jī)界面，一方面把控制站采集的各種生產(chǎn)信息進(jìn)行加工處理，然后以操作人員所習(xí)慣和熟悉的各種流程畫面、生產(chǎn)報(bào)表

7、、歷史趨勢(shì)和聲光報(bào)警等形式提供給操作人員。另一方面把操作人員的各種指令進(jìn)行編碼后傳送給操作站對(duì)控制方案進(jìn)行調(diào)整，以優(yōu)化生產(chǎn)過程或?qū)μ厥馇闆r的緊急處理。對(duì)中小型DCS來講，目前市面上比較流行的各種監(jiān)控軟件均能實(shí)現(xiàn)這樣的功能，且對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件和操作系統(tǒng)無特別要求，用普通工業(yè)PC機(jī)和一套監(jiān)控軟件就可實(shí)現(xiàn)采用工業(yè)PC機(jī)和PLC組成集散控制系統(tǒng)時(shí)，PLC承擔(dān)了現(xiàn)場(chǎng)控制站的主要工作，PC機(jī)承擔(dān)了操作站和工程師站的工作。在安裝有PLC系統(tǒng)軟件的工業(yè)PC機(jī)上可以離線(或在線)編輯PLC的控制應(yīng)用軟件，控制應(yīng)用軟件下載到PLC后，PLC就可以獨(dú)立地完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、邏輯控制、模擬控制等工作。而操作站的各種功能都

8、可以通過安裝在工業(yè)PC上的實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件來實(shí)現(xiàn)，在安裝有實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件的PC機(jī)上可以方便地對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控（用PC+PLC實(shí)現(xiàn)DCS的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示）。    圖1 用PC+PLC實(shí)現(xiàn)DCS的結(jié)構(gòu)框圖    4 漢口江灘公園照明的集散控制系統(tǒng)（DCS）設(shè)計(jì)    4.1 工程概況    武漢漢口江灘公園上起武漢客運(yùn)港，下至丹水池后湖船廠,全長(zhǎng)7公里,總面積約150萬(wàn)平方米，是以防洪及綜合環(huán)境整治為主的綜合性市政工程，同時(shí)也具有城市生態(tài)綠化、觀江親水、休閑健身、文化展示等功能

9、。該工程分三期建成，目前已經(jīng)完成一、二期，共3.4公里，三期工程已經(jīng)正式啟動(dòng)，全線工程建成后，武漢漢口江灘公園將成為全球最大的廣場(chǎng)。    由于江灘一期工程距離較短，其照明控制系統(tǒng)可以在低壓配電室內(nèi)就地控制；然而，江灘工程的二期長(zhǎng)2.4公里，配電室較多，就地控制的方式變得不太現(xiàn)實(shí)；同時(shí)，考慮到后續(xù)的三期工程，為實(shí)現(xiàn)全園區(qū)的所有照明設(shè)備的集中監(jiān)控與管理、提高企業(yè)的綜合管理水平變勢(shì)在必行。因此用PC+PLC組建江灘二期工程的照明的集散控制系統(tǒng)（DCS），實(shí)現(xiàn)了集中監(jiān)控與管理的功能，該系統(tǒng)投入運(yùn)行一年后，一期的照明控制與管理也成功的擴(kuò)展到該系統(tǒng)中，同時(shí)也為三期工程的照明

10、控制與集中管理留了充裕的擴(kuò)展接口。    4.2 用PC+PLC實(shí)現(xiàn)江灘公園二期工程照明的集散控制系統(tǒng)（DCS）    4.2.1 江灘公園的通信網(wǎng)絡(luò)背景介紹    在江灘二期建設(shè)時(shí)，搭建了1000M光纖Ethernet局域網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)為噴泉控制系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、停車廠收費(fèi)系統(tǒng)、導(dǎo)游標(biāo)識(shí)系統(tǒng)等提供了可靠的網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)。本文所介紹的照明控制系統(tǒng)也是以該通信網(wǎng)絡(luò)為平臺(tái)來完成數(shù)據(jù)通訊，二期工程共有六個(gè)10KV/0.4KV的變壓器，它們分別位于市政廣場(chǎng)、國(guó)賓林、友誼林、網(wǎng)球場(chǎng)、游泳池、園藝區(qū)；同時(shí)，在每個(gè)箱式變

11、壓器的15-30米處設(shè)計(jì)了個(gè)低壓配電室，并在每個(gè)低壓配電室內(nèi)配置網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，配備的PLC設(shè)備通過雙絞線連接到交換機(jī)，基于TCP/IP協(xié)議通訊（其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D見圖2）。圖2 江灘二期1000M局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D    4.2.2 江灘公園照明配電的現(xiàn)場(chǎng)控制站設(shè)計(jì)    照明配電的主回路設(shè)計(jì)：通過低壓電纜，把來至箱變低壓側(cè)的380/220V市電經(jīng)隔離開關(guān)和斷路器后引至開關(guān)柜的低壓銅母線，然后由低壓斷路器分成若干支路，在每個(gè)分支回路中配置普通三相交流接觸器和電流互感器，最后到單相或三相用電負(fù)載。每個(gè)配電柜共計(jì)14個(gè)三相配電回路，單個(gè)配電柜的容量

12、約150KVA，每個(gè)分支三相回路約10KW，其配電柜的配電系統(tǒng)圖如圖3所示。圖3：配電柜的配電系統(tǒng)圖圖4：EDA9033接線圖    電參量檢測(cè)單元的選擇:    本工程選擇山東力創(chuàng)科技有限公司研發(fā)生產(chǎn)的EDA9033作為電量采集模塊，檢測(cè)配電柜的總電流和各分支回路的電流、電壓、功率因素等電參量。該模塊采用電磁隔離和光電隔離技術(shù)使得電壓輸入、電流輸入及信號(hào)輸出三方完全隔離,從而保證了測(cè)控系統(tǒng)的安全；基于RS-485或RS-232與其他設(shè)備通訊，采用RS-485二線制輸出接口時(shí)，具有+15kV的ESD保護(hù)功能，而采用RS-232三線制時(shí)

13、，具有±15kV的ESD保護(hù)能力；通訊速率(bps)可在1200、2400、4800、9600、19.2k中選擇；具有雙協(xié)議通訊功能，即同時(shí)具有ASCII碼格式和十六進(jìn)制格式通訊協(xié)議；指令為十六進(jìn)制格式時(shí)，適合于單片機(jī)編程接口，過載能力強(qiáng)，可正確測(cè)量滿量程1.5倍的電壓或電流信號(hào)2。  由配電系統(tǒng)圖知，所有三相配電回路的電流大于EDA9033的量程（20A），在配電設(shè)計(jì)時(shí)為每個(gè)配電柜配置了15個(gè)互感器，L0為配電柜的總電流檢測(cè)互感器，其變比為250/5，L1-L14為14個(gè)分支回路的電流檢測(cè)互感器，變比為30/5；KM1-KM14為控制分支配電回路接通的三相接觸器

14、，型號(hào)為L(zhǎng)C1-40A 220VAC。    遠(yuǎn)程終端單元(RTU)的選型及電路原理圖設(shè)計(jì)：    可編程序控制器(Programmable Logic Controller, PLC)技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展,技術(shù)相當(dāng)成熟，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。用PLC來實(shí)現(xiàn)中照明配電自動(dòng)化的RTU功能，能夠很好地滿足RTU的特有的要求，使用PLC的離散輸入點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)遙信、用PLC的離散輸出點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)遙控、用PLC的模擬采樣輸入來實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、用PLC的通信功能來實(shí)現(xiàn)和主機(jī)的通信3。完成這些功能，都無需額外的硬件，只需根據(jù)開關(guān)量的實(shí)際情況，對(duì)PLC

15、進(jìn)行簡(jiǎn)單編程即可。這種基于PLC的中照明配電自動(dòng)化的RTU實(shí)現(xiàn)方案具有以下特點(diǎn)：硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，完全免維護(hù)；規(guī)?？纱罂尚。恢恍鑼LC的擴(kuò)展模塊連接在一起，就可以實(shí)現(xiàn)遙控點(diǎn)、遙信點(diǎn)、遙測(cè)點(diǎn)的增加；抗惡劣環(huán)境；高可靠性；編程實(shí)現(xiàn)各種功能，免硬件調(diào)試；費(fèi)用低廉。PLC方案在具體設(shè)計(jì)時(shí)，包括以下幾個(gè)步驟: 獲取操作點(diǎn)數(shù)。了解配電網(wǎng)的基本情況及自動(dòng)化的具體要求，確定系統(tǒng)需要進(jìn)行遙控、遙信、遙測(cè)、甚至遙調(diào)的設(shè)備，統(tǒng)計(jì)各處配電室需要這4種信號(hào)的具體點(diǎn)數(shù)。確定通信方案。根據(jù)配電網(wǎng)的規(guī)模及分布情況，確定總體設(shè)計(jì)方案，主要是通信方案的設(shè)計(jì)和選擇。PLC選型。根據(jù)各處各種操作的點(diǎn)數(shù)以及所確定的通信方案，選擇恰當(dāng)型號(hào)

16、的PLC來實(shí)現(xiàn)RTU功能。    本工程選擇美國(guó)GE公司的Versa Max PLC，此款PLC是GE Fanuc Automation推出的新一代控制系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)新穎，通用性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)緊湊，模塊化設(shè)計(jì)，支持熱插拔、配置靈活，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，為自動(dòng)化系統(tǒng)提供功能強(qiáng)大的系列產(chǎn)品。每個(gè)控制站內(nèi)選擇1臺(tái)Versa Max PLC的CPU模塊，2臺(tái)32路I/O模塊（用于32路配電回路的接觸器控制與吸合狀態(tài)檢測(cè)），32臺(tái)EDA9033檢測(cè)每個(gè)配電回路的電參量，EDA9033和PLC通過RS485總線進(jìn)行通訊。PLC的接線原理框圖（如圖5）所示，控制回路原理圖（如圖6）所示。圖5：

17、PLC的接線原理框圖圖6： 控制回路原理圖    4.2.3 中央控制室工業(yè)PC機(jī)及監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)：    根據(jù)江灘二期照明控制系統(tǒng)的監(jiān)控對(duì)象，考慮到一期、三期的預(yù)留，在中央控制室設(shè)計(jì)兩臺(tái)工業(yè)級(jí)PC機(jī)分別作為數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和操作監(jiān)控服務(wù)器，并選用GE公司的iFix Plus Unlimited Ver3.0版本作為監(jiān)控軟件。iFix工控組態(tài)軟件是一套實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、過程可視化及監(jiān)控功能的高性能的自動(dòng)化軟件，它在世界范圍內(nèi)已廣泛用于生產(chǎn)制造、包裝、食品和飲料、石油及天然氣生產(chǎn)等眾多工業(yè)領(lǐng)域4。iFix組態(tài)軟件的優(yōu)越性能為實(shí)現(xiàn)江灘公園的照

18、明集散控制系統(tǒng)提供了可能。iFix 是一套提供現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，過程可視化及過程監(jiān)控功能的工業(yè)自動(dòng)化軟件解決方案。GE公司是全球最大的工控軟件公司之一，提供全面的工業(yè)企業(yè)解決方案，iFix是GE工業(yè)自動(dòng)化軟件解決方案家族中的HMI/SCADA軟件組件，實(shí)現(xiàn)過程監(jiān)控，并在整個(gè)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中傳遞信息，基于組件技術(shù)的Intellution Dynamics還包括了高性能的批次控制組件、軟邏輯控制組件、以及基于Internet功能組件，所有組件能無縫的集成于一體，實(shí)時(shí)綜合地反映復(fù)雜的動(dòng)態(tài)生產(chǎn)過程。iFix軟件不僅包含大量圖形工具，使用戶能夠快速簡(jiǎn)單地開發(fā)系統(tǒng)，而且iFix軟件提供了工業(yè)界最為強(qiáng)大的功能，包括實(shí)

19、時(shí)過程的監(jiān)視和監(jiān)督控制，報(bào)警和報(bào)警管理，歷史趨勢(shì)，統(tǒng)計(jì)過程控制，基于用戶的安全系統(tǒng)，方便的系統(tǒng)擴(kuò)展，網(wǎng)絡(luò)等，用戶可以在企業(yè)的所有層次位置上都很方便地獲得實(shí)時(shí)過程信息，無論是在控制室還是在會(huì)議室，都可以進(jìn)行交互操作，并很快地做出有效的決策。4.2.4 中央控制室的功能    中央控制室采用以上設(shè)計(jì)方案后，把整個(gè)江灘園區(qū)照明控制系統(tǒng)的日常操作、管理及維護(hù)的主要工作集中在控制中心站。調(diào)度系統(tǒng)部分的各種畫面及功能模塊按照顯示和使用的處所駐留在本地的計(jì)算機(jī)上，在網(wǎng)絡(luò)上流動(dòng)的主要是實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)和各種報(bào)警和消息。整個(gè)系統(tǒng)在TCP/IP協(xié)議下交換數(shù)據(jù)。2臺(tái)計(jì)算機(jī)和組成在邏輯意義上

20、獨(dú)立的一個(gè)功能子網(wǎng)，其實(shí)現(xiàn)的功能如下：    可自動(dòng)接受各個(gè)控制子站所采集各照明配電回路的電流、電壓、回路狀態(tài)等數(shù)據(jù)；    對(duì)各個(gè)控制子站進(jìn)行控制模式和方案設(shè)置、遙控命令的下發(fā)等；    支持網(wǎng)絡(luò)連接，可以把數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)送到服務(wù)器SQL數(shù)據(jù)庫(kù)；     數(shù)據(jù)顯示，模擬圖形顯示，趨勢(shì)顯示，動(dòng)態(tài)模擬圖、趨勢(shì)圖形顯示、疊加實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；報(bào)警產(chǎn)生、報(bào)警紀(jì)錄、報(bào)警確認(rèn)、報(bào)警查詢。報(bào)警內(nèi)容包括：照明回路的白天亮燈、晚上熄燈、電壓過壓、電流過載、供電線路停電、門開報(bào)警等故障；（分別如圖7、8

21、、9所示）    按照全園區(qū)的平面圖，指示每個(gè)園區(qū)的用電設(shè)備的情況，直觀明了（如圖10所示）；    數(shù)據(jù)存貯，歷史數(shù)據(jù)查詢，運(yùn)行記錄瀏覽；    運(yùn)行報(bào)表、統(tǒng)計(jì)分析圖形打印、歷史資料打印；     操作員權(quán)限管理，口令設(shè)置，操作檔案記錄；     報(bào)警信息可通過GSM短信信息方式，發(fā)送到相關(guān)的手機(jī)上；    報(bào)警值的設(shè)定：設(shè)置電流、電壓等報(bào)警項(xiàng)的上限和下限值；    可以按照時(shí)間設(shè)計(jì)成

22、不同的開啟模式，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開啟/關(guān)閉的功能，以適應(yīng)用戶需要，可以采用平時(shí)照明、節(jié)假日照明和重大節(jié)假日照明模式進(jìn)行設(shè)置；    巡測(cè)周期：設(shè)置巡測(cè)間的時(shí)間間隔；    系統(tǒng)的維護(hù)功能；    系統(tǒng)校時(shí)。圖7 電壓電流指示圖8 歷史數(shù)據(jù)查詢圖9 回路狀態(tài)顯示圖10 分區(qū)電子地圖指示    4.2.5 各控制子站的功能    采用這種方案，形成分布式控制子站，這些位于控制子站一般位于控制現(xiàn)場(chǎng)，江灘的照明控制系統(tǒng)的控制子站位于各個(gè)低壓配電室內(nèi)，其功能如下：    對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的參數(shù)和回路狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，如開關(guān)狀態(tài)、電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)及回路的開關(guān)狀態(tài)。    按照預(yù)定的方案進(jìn)行控制，在特定時(shí)間段內(nèi)對(duì)各個(gè)回路的燈進(jìn)行程控，對(duì)照明燈具進(jìn)