自動化控制在現代工業(yè)中的應用

自動化控制在現代工業(yè)中的應用摘要本文介紹了PLC、DCS的概念、結構。介紹了PLC在新臨鋼燒結8㎡豎爐中，DCS在臨鋼焦化廠的應用，對PLC、DCS加以對比，分析，闡述了新一代自動控制系統(tǒng)FCS在當代工業(yè)中的應用，并對臨鋼自動化控制改進提出了建議。關鍵詞PLCDCSFCS主控制站一、PLC（ProgrammableLogicController）可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計。它采用可編程序的存貯器，用來在其內部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P設備，都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。PLC的構成雖然各種PLC的組成各不相同，但是在結構上是基本相同的，一般由CPU、存儲器、輸入輸出設備（I/O）和其他可選部件組成。其他的可選部件包括編程器，外存儲器，模擬I/O盤，通信接口，擴展接口等。CPU是PLC的核心，它用于輸入各種指令，完成預定的任務，起到了大腦的作用，自整定、預測控制和模糊控制等先進的控制算法也已經在CPU中得到了應用；存儲器包括隨機存儲器RAM和只讀存儲器ROM，通常將程序以及所有的固定參數固

化在ROM中，RAM則為程序運行提供了存儲實時數據與計算中間變量的空間；輸入輸出系統(tǒng)（I/O）使過程狀態(tài)和參數輸入到PLC的通道以及實時控制信號輸出的通道，這些通道可以有模擬量輸入、模擬量輸出、開關量輸入、開關量輸出、脈沖量輸入等，使PLC的應用十分廣泛。我國使用較多的PLC產品有德國西門子的S7系列，日本立石公司的C系列、三菱公司的FX系列、美國GE公司的GE系列等。各大公司生產的可編程控制器都已形成由小型到大型的系列產品，而且隨著技術的不斷進步，產品更新?lián)Q代很快。新臨鋼燒結廠豎爐系統(tǒng)按工藝流程分三大系統(tǒng)。配料、烘干、潤磨礦粉運輸及配料除塵為第一系統(tǒng)；造球、生球運輸、風機、水泵、煙氣除塵為第二系統(tǒng)；成品運輸及成品除塵為第三系統(tǒng)；各系統(tǒng)分別采用集中聯(lián)鎖、局部聯(lián)鎖、解除聯(lián)鎖、機旁事故停機等控制方式，可在操作臺上集中操作或機旁操作。各系統(tǒng)設有設備運行信號，事故音響燈光信號顯示。1豎爐生產的工藝流程，如圖：精礦粉接受與儲存膨潤土接受與儲存配料（合各種精礦粉及膨潤土）混合與干燥精礦粉接受與儲存膨潤土接受與儲存配料（合各種精礦粉及膨潤土）混合與干燥潤磨室造球生球篩分豎爐焙燒帶冷冷卻中間倉熟球篩分成品倉高爐料倉加水加熱爐煤氣空氣篩下返料0—5mm開爐或調節(jié)爐況煤氣運燒結0—5mm返礦空氣1、控制要求分析小車的前進、后退采用交流異步電動機控制。當某個電機得電，就一直保持當前的機械動作，直到相反動作的電機得電為止。為使2、PLC控制系統(tǒng)程序設計（1）得到啟動命令（有效時間為三分鐘），1#、2#鏈板只要有一個運行，I4.6布料小車即得到信號，接著向前向后的運行信號Q21.1、Q21.2相繼斷開，同時，報警DB1.DBX51.6輸出點斷開，時間繼電器T22啟動，延時5s。（2）M1.2有信號，T22延時5s閉合，I4.6布料小車在“集中控制”位置，1#、2#鏈板任意一個運行，M1.3無停機命令，M0.6斷開，I8.6停機按鈕在“分”位，M1.4布料小車自保PLC內部線圈吸合，M1.4觸點閉合自鎖，形成自保回路，三分鐘后，M1.2斷開，M1.4維持導電。布料小車向前運行回路：I5.0后限位信號輸出，布料小車向前運行信號Q21.1輸出，不輸出I4.7前到位信號，I5.2強制向后按鈕斷開，輸出線圈Q21.1通電，小車向前運行，在監(jiān)視運行屏幕上，向前運行指示燈亮。布料小車向后運行回路：I4.7前到位信號輸出，布料小車向后運行信號Q21.2輸出，后到位信號I5.0斷開，I5.1強制向前按鈕斷開，輸出線圈Q21.2通電，小車向后運行，向后運行指示燈亮。此程序的優(yōu)點在于設計了強制向前強制按鈕I5.1，強制向后按鈕I5.2，當下料不均勻時，可手動操作向前、向后按鈕，強制小車向前或向后運行，使布料均勻，保證小車的連續(xù)運行，確保了豎爐生產持續(xù)、穩(wěn)定。二、DCS是分散控制系統(tǒng)(DistributedControlSystem)的簡稱，國內一般習慣稱為集散控制系統(tǒng)。它是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網絡為紐帶的多級計算機系統(tǒng)，綜合了計算機(Computer)、通訊(Communication)、顯示(CRT)和控制(Control)等4C技術，分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態(tài)方便。目前我國以和利時、浙大中控、上海新華為代表的國內DCS廠家經過10年的發(fā)展，都各自推出自己的DCS系統(tǒng)：和利時推出MACS－Smartpro第四代DCS系統(tǒng)、浙大中控推出Webfield(ECS)系統(tǒng)、新華推出XDPF-400系統(tǒng)。在中國的DCS市場上，三家國內廠商已經具備了相當的競爭能力。例如通過新華公司與和利時公司在火電站控制領域的競爭以及和利時公司與浙大中控在化工等領域的競爭，使得國外的DCS紛紛降價?？梢哉f，三家公司最大的貢獻是把國外的DCS價格降到了原來40％以下，為DCS在國內工業(yè)企業(yè)的普及應用，特別是在中小型企業(yè)中的應用做出了貢獻。焦化廠二焦系統(tǒng)2000年采用浙大中控的集散控制系統(tǒng)ＪＸ－３００=1\*ROMANI、JX－３００系統(tǒng)簡介JX－３００是浙大中控1996年推出的新型開放式集散控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)應用了新的信號處理技術、高速網絡通信技術、可靠的軟件平臺和軟件設計技術和現場總線技術，采用了高性能的微處理器和成熟的先進控制算法，使其兼?zhèn)淞烁咚倏煽康臄祿斎胼敵?、運算、過程控制功能和ＰＬＣ聯(lián)鎖邏輯控制功能。ＪＸ－３００基本組成包括工程師站（ＥＳ）、操作站（ＯＳ）、控制站（ＣＳ）和通訊網絡。在通訊網絡上掛接通信接口單元可實現與ＰＬＣ的連接；通過多功能計算機（ＭＦＳ）和相應的軟件Ａdvantrol－ＰＩ可實現與企業(yè)管理計算機網的信息交接，實現企業(yè)網絡 Ethernet操作員電腦工和師電腦操作員電腦工和師電腦網橋網橋 Scnet=2\*ROMANII(過程控制網)現場控制站數據采集站現場控制站現場控制站數據采集站現場控制站通信接口卡通信接口卡智能設備或PCL智能設備或PCL（圖1）ＪＸ――３００Ｘ網絡結構示意圖(Intranet)環(huán)境下的實時數據采集、實時流程查看、實時趨勢瀏覽、報警記錄與查看、開關量變位記錄與查看、報表數據存貯、歷史趨勢存貯與查看、生產過程報表生成與輸出等到功能，從而實現整個企業(yè)生產過程的管理、控制全集成綜合自動化。結構示意圖見圖1=2\*ROMANII、焦化廠二焦系統(tǒng)主要生產工藝焦化廠二焦系統(tǒng)生產工段主要分為：焦爐爐底加熱工段（焦爐煤氣加熱控制站、集氣管壓力控制站、鼓風機工段（風機控制站、冷凝泵房控制點）、回收工段（粗苯控制點、硫銨控制點、回收控制點）。各個工段都要對煤氣溫度、壓力、進行測量根據測量的結果進行分析，然后調節(jié)相應的控制閥門以達到工藝要求的最佳值，在回收系統(tǒng)，液位的顯示、調節(jié)，以及溫度參數的測量，調節(jié)控制回收產品母液的溫度，這些都影響化工產品的產量與質量，在沒有用ＤＣＳ時各個崗位都要靠人工調節(jié)，顯示用的是數顯表和模合表現場需要控制的點多，造成各個崗位儀表盤多，不利于現場治理，而職工必須不斷的下現場觀看液位，調節(jié)閥門工作效率低，勞動強度大，崗位要求操作工人數多，調節(jié)也不穩(wěn)定，不利于生產運行，造成煤氣壓力波動大，溫度調節(jié)也不穩(wěn)定，化工產品的產量不盡人意。制約著設備的性能，不能良好的滿足化工工藝的各項指標，從而給臨鋼公司帶來了隱形的損失，給焦爐加熱以及焦爐維護工作和全公司焦爐煤氣的用戶帶來很多不利因素。=3\*ROMANIII、風機工段ＤＣＳ用途現以ＤＣＳ在風機工段的應用做具體的闡述，其它的崗位大同小異。（本論文后附有二焦系統(tǒng)ＤＣＳ布置及網絡圖，以供參考。）風機操作工首先要掌握風機運行的各個參數：風機前軸瓦溫度、風機后軸瓦溫度、液力偶合器油溫、風機電機前軸承溫度、電機后軸承溫度、風機的轉速。煤氣控制參數：新２＃爐焦氣管壓力、３＃爐集氣管壓力、４＃爐集氣管壓力、初冷器前煤氣溫度、初冷器前煤氣壓力、初冷器后的煤氣溫度、初冷器后的煤氣壓力（風機機前吸力）風機機后壓力、外供煤氣壓力。冷凝液液位，電捕焦油器的含氧量，初冷器上水溫度，初冷器吸力，剩余氨水的液位，循環(huán)氨水的壓力，高壓氨水的壓力，溫度等等，而這些壓力、溫度的控制要靠閥門的開關來控制，而DCS的分散控制、集中管理為實現這些功能有獨特的優(yōu)勢。主控制站主要由機柜、機籠、供電單元和各類卡件組成，如主控制卡、數據轉發(fā)卡、各種信號輸入／輸出卡，其核心是主控制卡，主控制卡通過系統(tǒng)內高速數據網絡――ＳＢＵＳ擴充各種功能，實現現場信號的輸入輸出，同時完成過程控制中的數據采集、回路控制、順序控制、以及優(yōu)化控制等各種算法。三、PLC與集散控制系統(tǒng)DCS的比較PLC（1）從開關量控制發(fā)展到順序控制、運送處理，是從下往上的。（2）連續(xù)PID控制等多功能，PID在中斷站中。

（3）可用一臺PC機為主站，多臺同型PLC為從站。

（4）也可一臺PLC為主站，多臺同型PLC為從站，構成PLC網絡。這比用PC機作主站方便之處是：有用戶編程時，不必知道通信協(xié)議，只要按說明書格式寫就行。

（5）PLC網格既可作為獨立DCS，也可作為DCS的子系統(tǒng)。

（6）大系統(tǒng)同DCS。

（7）PLC主要用于工業(yè)過程中的順序控制，新型PLC也兼有閉環(huán)控制功能。

DCS

（1）分散控制系統(tǒng)DCS集4C（Communication，Computer，Control、CRT）技術于一身的監(jiān)控技術。

（2）從上到下的樹狀拓撲大系統(tǒng)，其中通信（Communication）是關鍵。

（3）PID在中斷站中，中斷站聯(lián)接計算機與現場儀器儀表與控制裝置。

（4）是樹狀拓撲和并行連續(xù)的鏈路結構，也有大量電纜從中繼站并行到現場儀器儀表。

（5）模擬信號，A/D—D/A、帶微處理器的混合。

（6）一臺儀表一對線接到I/O，由控制站掛到局域網LAN。

（7）DCS是控制（工程師站）、操作（操作員站）、現場儀表（現場測控站）的3級結構。

（8）用于大規(guī)模的連續(xù)過程控制，如石化等PLC以開關量控制為主，兼顧模擬量的控制，尤其是小型PLC具有存儲容量大、體積小、價格便宜等優(yōu)點，迅速發(fā)展成為現代工業(yè)控制的主導產品。20世紀70年代與PLC同時發(fā)展起來的集散型控制系統(tǒng)（DCS）以模擬量的控制為主，有很強的數值運算功能。它的主要特點是能夠實現集中管理和分散控制，為過程控制的主流產品。一般來講，離散型制造業(yè)采用可編程序控制器（PLC），常用于邏輯/順序控制。流程工業(yè)的控制一般采用集散型控制系統(tǒng)（DCS）。而間隙過程工業(yè)則以DCS和PLC混合使用為好。在實際生產中，生產過程往往既需要連續(xù)控制，又需要邏輯/順序控制的功能，DCS和PLC都是基于微處理器的數字控制系統(tǒng)裝量，它們相互滲透發(fā)展，不斷擴大自己的應用領域。目前，PLC已廣泛地被應用在DCS中。在當今的PLC中，除了提供模擬量控制模塊外，PID回路控制也已不再被認為是PLC中的新事物了，它已經成為每一種大型PLC的標準性能，甚至許多新型的小型PLC也能提供PID等控制算法的功能。現在以PLC為基礎的PID控制正廣泛應用于連續(xù)過程和批量過程的控制中。在此基礎上，一些PLC生產廠商為其新一代的通用PLC系列又增加了許多專為過程控制而設計的控制功能。除PID運算外，增添了“超前滯后”、工程量變換、報警、斜坡函數和高精度模擬量I/O等特殊處理算法。過去僅限于大型DCS系統(tǒng)中使用的其他一些先進的過程控制功能，也開始在PLC中出現。自整定PID回路、模糊控制等就是最好的一些進展。在DCS控制系統(tǒng)中，也越來越多地采用了各種智能數字調節(jié)器和PLC，新型的數字調節(jié)器與PLC不僅容量更大，速度更快，而且都具有較強的聯(lián)網通信能力，可以采用以廉價的雙絞線為傳輸介質的現場總線網，將作為主結點的現場控制站與作為從結點的數十個數字調節(jié)器、PLC或數字化智能變送器連接在一起，也可以將數臺PLC通過網點直接接入高速數據公路，組成過程控制級的順序控制站。這樣，使DCS的控制功能進一步分散，控制速度與功能及系統(tǒng)的可靠性又得以進一步的提高。現在的PLC不是原來的簡單PLC了，它幾乎可以完成所有的自動化控制任務，甚至包括過程控制，今后，PLC的各種特性提高的速度和各種功能完善的速度越來越快，DCS和PLC的控制功能將進一步融合，DCS必將被由PLC構成的控制系統(tǒng)或被PC為平臺的PLC控制系統(tǒng)所取代。四、計算機和網絡技術的飛速發(fā)展，引起了自動化控制系統(tǒng)結構的變革，一種世界上最新型的控制系統(tǒng)即現場總線控制系統(tǒng)（FieldbusControlSystem，FCS）在上世紀九十年代走向實用化，并正以迅猛的勢頭快速發(fā)展?，F場總線控制系統(tǒng)是目前自動化技術中的一個熱點，正越來越受到國內外自動化設備制造商與用戶的關注?，F場總線控制系統(tǒng)的出現，將給自動化領域在過程控制系統(tǒng)上帶來又一次革命，其深度和廣度將超過歷史的任何一次，從而開創(chuàng)自動化的新紀元。

（1）FCS是第五代過程控制系統(tǒng)，它是21世紀自動化控制系統(tǒng)的方向。是3C技術（Communication，Computer，Control）的融合?；救蝿帐牵罕举|（本征）安全、危險區(qū)域、易變過程、難于對付的非常環(huán)境。

（2）全數字化、智能、多功能取代模擬式單功能儀器、儀表、控制裝置。

（3）用兩根線聯(lián)接分散的現場儀表、控制裝置，取代每臺儀表的兩根線?！艾F場控制”取代“分散控制”；數據的傳輸采用“總線”方式。

（4）從控制室到現場設備的雙向數字通信總線，是互聯(lián)的、雙向的、串行多節(jié)點、開放的數字通信系統(tǒng)取代單向的、單點、并行、封閉的模擬系統(tǒng)。

（5）用分散的虛擬控制站取代集中的控制站。

（6）把微機處理器轉入現場自控設備，使設備具有數字計算和數字通信能力，信號傳輸精度高，遠程傳輸。實現信號傳輸全數字化、控制功能分散、標準統(tǒng)一全開放。

（7）可上局域網，再可與internet相通。既是通信網絡，又是控制網絡。

FCS的關鍵要點：

（1）FCS系統(tǒng)的核心是總線協(xié)議，即總線標準。采用雙絞線、光纜或無線電方式傳輸數字信號，減少大量導線，提高了可靠性和抗干擾能力。FCS從傳感器、變送器到調節(jié)器一直是數字信號，這就使我們很容易地處理更復雜、更精確的信號，同時數字通信的差錯功能可檢出傳輸中的誤碼。FCS可以將PID控制徹底分散到現場設備（FieldDevice）中。FCS還可以通過網關和企業(yè)的上級管理網絡相連，以便管理者掌握第一手資料，為決策提供依據。所以現場總線具有開放性、互操作性、系統(tǒng)結構的高度分散性、靈活的網絡拓撲結構、現場設備的高度智能化、對環(huán)境的高度適應性等諸多突出特點。

（2）FCS系統(tǒng)的基礎是數字智能現場裝置：數字智能現場裝置是FCS系統(tǒng)的硬件支撐，是基礎；道理很簡