崔瑶1 董旭辰2
1中国核电工程有限公司 北京 100840；2中核控制系统工程有限公司 北京 100840
摘要：本文在研究比较PLC、DCS、FCS控制系统的基础上，结合工程实际情况，选用西门子S7-400PLC为某化工厂1#厂房控制系统，并提出了控制系统的拓扑结构；分析了工艺检测和控制要求，完成了控制系统各模块设计；给出了三线制接近开关与PLC控制系统的连接方法。
关键词：PLC；DCS；FCS；控制系统；接近开关；PNP；NPN
1.项目概述
某核化工厂堆工区低放废水及蒸残液贮存厂房（1#）的主要任务为：接收堆工区各设施排放的低放废水，并输送到低放废水处理厂房（2#）进行处理；将2#厂房蒸发产生的蒸残液输送回1#厂房安全贮存。此外，该厂房还担负着安全贮存现1#蒸残液的任务。
自动控制系统是实现安全贮存蒸残液和低放废水的重要手段。控制系统可以在控制室内实现本子项各流量、温度、液位、压力等测点的集中显示，完成阀门、泵体的开关操作，达到关键参数自动控制、调节的目的。
2.控制系统的选择研究
2.1控制系统PLC、DCS、FCS的功能及其特点
科学技术日新月异的发展，带来了自动化技术的一次又一次变革。目前，在连续型流程生产自动控制（国内习惯称工业过程控制）中，有三大控制系统：PLC、DCS和FCS。
1）PLC
PLC（Programmable Logic Controller，可编程序控制器）是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，在其内部存储逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的生产过程。
PLC自1976年正式命名起，经过35年的发展，技术已经十分成熟与完善。在化工、纺织机械、印刷、冶金等行业占主导地位。目前，PLC的主要品牌有AB、ABB、松下、西门子、三菱、欧姆龙、施奈德、和利时等。
2）DCS
DCS（Distributed Control System）为分布式控制系统，在国内自控行业又称之为集散控制系统。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。其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理，主要特点是配置灵活、组态方便。
与PLC相比，DCS通常采用若干个控制器（过程站）对一个生产过程中的众多点进行控制。从这个角度上讲DCS将控制分散化，将因共模故障而产生的风险降低了，但除此之外，PLC系统与DCS系统的结构差异不大，只是在工程上的着重点不同。DCS着重于闭环控制及数据处理；PLC着重于逻辑控制及开关量的控制，同时也可以实现模拟量的控制。
3）FCS
FCS（Fieldbus Control System）为现场总线控制系统，是由DCS与PLC发展而来的，FCS不仅具备DCS与PLC的特点，而且在数字信号传输与控制方面跨出了革命性的一步。FCS是全分散、全数字化、全开放性和可互操作的新一代生产过程自动化系统，它取代了现场一对一的4~20mA模拟信号线。与DCS、PLC相比，FCS具有测量精度高、抗干扰能力强、节省电缆、节省I/O终端和实现设备管理自动化等特点。
但是，在小规模的系统中，FCS的优势不大。由于系统规模较小，FCS在管理自动化和远程诊断功能等方面的优势无法体现，也无法发挥现场总线可以明显降低系统运行维护费用的优势。此外，目前现场总线国际标准有12种，各个标准都有不足。由于各种现场总线的通信协议之间有很大的差异，要实现不同总线产品的互联非常困难，使得FCS的开放性、分散性和可互操作性等优点难以体现。
2.2控制系统选择
本项目工艺、通风、水等专业要求检测的参数有：液位、液位信号、温度、压力、差压、流量，要求自动调节的系统有：温度调节系统等。各工种要求对上述检测参数在控制室上位计算机上集中显示和操作。同时，对于要求远距离手动控制的阀门和泵，也要求在计算机上进行。
2#与1#厂房布置相邻，工艺流程具有衔接性，存在互相连锁操作，如果独立采用控制系统将不利于生产过程的安全进行，不利于工艺人员对生产过程的统一操作，不利于生产流程的连锁要求。因此，从生产安全、统一操作、连锁控制以及节省成本等方面考虑，2#子项与1#子项采用一套控制系统。
根据以上分析，本子项应选用可编程序控制器（S7-400PLC）为控制系统，具体选用理由如下：
1）阀门及泵等开关量控制较多，连续测量点数相对较少，闭环回路较少，而DCS分布式系统着重于闭环控制及数据处理，因此与DCS相比，PLC着重于逻辑控制和开关量控制又兼有模拟量控制的功能更具优势。
2）本子项规模不大，FCS在管理自动化和远程诊断功能等方面的优势得不到体现。
3）在众多的PLC生产厂商中，西门子公司的产品性能稳定、性价比高。其PLC系统当中结合了PROFIBUS-DP现场总线技术，可实现设备级分散I/O的高速通信，非常适合本工程2#与1#两厂房信号的高速传输。
4）西门子S7-400系列PLC为高端产品，具有极高的处理速度，强大的通讯性能和卓越的CPU资源裕量，该系统的各方面性能足以满足本工程的测控要求，并具有一定的扩展性。
5）该新建工程子项较多，它们相互联系，共同完成着整个化工厂处理的任务。针对各子项规模均不大、厂址比较分散的特点，选择PLC作为各子项控制系统符合工程的实际需要，这也有助于全厂子项最终联网的顺利实现。
3.控制系统设计
3.1控制系统结构
本工程控制系统结构拓扑图如图1所示，结构如下：
图1 控制系统拓扑图
1#与2#共用一个中央处理器（CPU），主机架挂有电源模块（PS）、中央处理器（CPU）、以太网通讯模块（CP）。
1) 本项（1#）设有远程I/O站ET200，ET200与主机架通过PROFIBUS-DP总线通讯，信号在总线上以全数字信号形式高速传输。控制室侧通过CPU上DP接口与总线连接，ET200侧通过IM153模块与总线相连。
2) 本子项（1#）共有I/O模块65个，包括模拟量输入模块（AI）19个、模拟量输出模块（AO）1个、数字量输入模块（DI）29个、数字量输出模块（DO）16个。每个ET200最多可挂8个I/O模块，因此共需9个ET200站点，9个IM153模块。这些模块完成与现场各检测仪表、调节阀、开关阀和泵的信号传输。
4）下位机与上位机工程师站、操作员站等通过工业以太网（IE）连接并完成通信。工程师可在工程师站测试与修改控制程序，操作人员在操作员站完成整个生产过程的监控，报表通过打印机打印。
5）1#为低放废水和蒸残液贮存厂房，运行后参与人员相对较少，相对于2#测控点数也较少。因此将控制系统上位机（工程师站、操作员站、打印机等）放在2#控制间中。
3.2控制器（CPU）的选择
根据测控要求，结合前述控制系统拓扑结构，本工程选择带有PROFIBUS-DP接口的CPU 414-3为控制系统中央处理器。该控制器集成有2.8MB工作存储器（RAM），位、字、定点数操作时间达0.045μs，浮点数操作时间0.135μs，位存储器8KB，I/O及过程I/O映像区8KB，数字量通道最多达65536个，模拟量通道最多达4096个，CPU上带2个DP接口，最多可挂96个DP从站。该控制器的各项参数均满足本子项的测控要求。
3.3连续量测控模块设计
3.3.1测量模块设计
控制系统对连续量测量的过程为：在检测仪表内部完成传感、变送后，信号以电压、电流、电阻等形式向控制室传输，控制器只能接收数字量，而传来的信号均是模拟量，因此必须经过模拟/数字（A/D）转换模块（模拟量输入模块，AI）才能被控制器所采集，最终实现集中显示。
本子项连续测量仪表共有以下三种信号类型：两线制4~20mA、四线制4~20mA和热电阻。仪表的数量与信号传输的方式决定了模拟量输入模块的选型。
1）两线制4~20mA
测量低放废水泵压力、蒸残液贮槽气相压力、气镇器稳压罐液位、低放废液接收槽低放废水液位、一层检修大厅温度等仪表的信号传输方式均为两线制4~20mA，选择可以接收电流的模拟量输入模块即可完成测量功能。对于两线制变送器，需将该模块的量程卡设定为“D”，模拟量输入模块既接收测量信号，又为两线制仪表供电。
2）四线制4~20mA
测量低放废水泵废液流量、中转泵管道流量、气镇器稳压罐液位等仪表的信号传输方式均为四线制4~20mA，选择可以接收电流的模拟量输入模块完成测量功能。四线制变送器为单独供电的变送器，为与前述两线制变送器区别开来，需将该模块的量程卡设定为“C”。它与两线制变送器的供电方式不同，PLC模拟量输入模块的量程卡为两通道共享，因此在制作控制系统输入输出表（I/O表）时需将这些单独供电的四线制信号分配到同一量程卡范围内。
3）热电阻
装配式双支热电阻为电阻信号。该信号比较特殊，但是厂房只有一个热电阻信号，没有热电偶信号，如果单为该信号选择一个只接收温度信号的模拟量输入模块显得过于浪费，因此选取通用的既接收电流信号又接收温度信号的模拟量输入模块较为合适。此外，为消除引线电阻对信号的影响，该热电阻信号采取三线制连接方式，因此要多预留一个通道。
综上所述，在统计全1#厂房连续量测量点的基础上，考虑备用，选用既可接收温度信号又可接收电流信号的模拟量输入模块SM331共19个。
3.3.2控制回路设计
通风工种要求控制一层检修大厅的温度。根据工程的实际情况，使用单回路闭环反馈控制系统进行控制。该系统的组成如下：
被控对象：一层检修大厅温度；
测量变送装置：温度变送器（负责检测温度）；
控制器：PLC；
调节阀：气动薄膜直通单座调节阀（负责调节蒸汽流量）；
该控制回路的方块图如下图所示。
图2 一层检修大厅温度控制回路方块图
该控制回路工作过程为：首先假设在干扰发生之前，系统处于平衡状态。当一层检修大厅温度突然上升时，温度变送器将感受到温度变化，PLC感受到偏差（给定温度没有变），PLC此时输出信号变大，气关式气动薄膜单座调节阀开度变小，导致高温蒸汽流入检修大厅变少，使得检修大厅温度慢慢下降并逐渐趋于给定值。此时，系统将达到一个新的平衡状态，控制阀处于一个新的开度。
工业常见的控制规律有比例（P）控制、比例-积分（PI）控制、比例-微分（PD）控制和比例-积分-微分（PID）控制。其中比例（P）控制作用的输入与输出信号成比例关系，仅有比例控制时系统输出存在稳态误差；比例-积分（PI）控制作用由于积分的存在，可以使系统在进入稳态后无稳态误差；比例-微分（PD）控制作用由于微分的存在，可以预测误差的变化趋势，从而避免被控量的严重超调；比例-积分-微分（PID）控制作用综合了上述的控制规律。由于温度对象的时间滞后比较大，为了保证控制精度，减少动态偏差，在控制规律上选择比例-积分-微分（PID）控制。
调节阀是控制系统的执行机构，它接受控制器（PLC）的命令执行控制任务。因此需选用1个模拟量输出模块SM332，完成PLC向调节阀传输信号的功能。
3.4开关量测控模块设计
3.4.1气动阀门的控制与阀位信号的检测
工艺要求在控制室远程开关气动阀门并监视气动阀门的状态。这些气动阀门的控制由PLC和电磁先导阀完成：控制室上位机发出控制信号（开或关），PLC将信号经由开关量输出模块（SM322）送至位于现场的电磁先导阀，电磁先导阀控制气路通断，以达到控制气动阀门开关的目的。在气动截止阀阀体上装有两个接近开关，用来反映阀门的开或关状态，阀位反馈信号送到PLC控制系统的开关量输入模块（SM321），在上位机上可以监视阀门的开关状态。
接近开关是反应气动开关阀到位以及故障与否的重要元件。目前主要有以下两种形式：
1）两线制接近开关
两线制接近开关如图3所示，它的接线比较简单，接近开关与负载串联后接到电源即可。中试厂选用的上千个接近开关均为两线制接近开关，在调试中存在以下问题：开关截止状态时，有0.2~0.7mA漏电流，会使与开关串接的阀位显示灯—LED发光二极管发亮，因此从灯光判断不出气动开关阀是处于“开”或“关”状态；接近开关处于导通状态时，开关本身有5.0~7.0VDC的饱和电压降，会使与它串接的继电器获得的电压低于继电器临界动作电压（~19VDC），造成气动开关阀联锁控制不可靠或失灵。
可见，两线制接近开关受工作条件的限制，导通时开关本身产生一定的压降，截止时又有一定的剩余电流流过，这些都将影响测控过程。
图3 两线制接近开关
2）三线制接近开关
图4 三线制接近开关
三线制接近开关如图4所示，分为NPN型与PNP型两种。对于前述两线制接近开关的问题，对三线制接近开关来说，输出截止时，漏电流极小，几乎可以忽略不计。因此，三线制比两线制接近开关工作更可靠，本工程选用三线制接近开关。
三线制接近开关的接线为：红（棕）线接电源正端；兰（蓝）线接电源0V端；黄（黑）线为信号，应接负载。而负载的另一端是这样接的：对于NPN型接近开关，应接到电源正端；对于PNP型接近开关，则应接到电源0V端。
图5 西门子PLC开关量输入模块与PNP接近开关接线图
PLC开关量输入模块一般可分为两类：一类的公共输入端为电源0V，电流从输入模块流出，此时要选用NPN型接近开关；另一类的公共输入端为电源正端，电流流入输入模块，
此时要选用PNP型接近开关。现在控制系统已经确定为西门子公司的S7-400型PLC，因此要根据PLC的开关量输入模块的类型来确定接近开关为NPN型还是PNP型。图5所示为
西门子开关量输入模块SM321的工作原理图，该模块外部开关量输入触点的公共端接到了电源的正端，这种情况应使用PNP型接近开关。本工程为每个气动开关阀门配套两个三线制PNP型接近开关。
3.4.2差压开关与音叉开关的信号检测
根据工艺要求，测量蒸残液贮槽蒸残液液位的差压开关和测量捕集器液位的音叉液位开关等均为开关量信号，这些信号最终由开关量输入模块（SM321）进入PLC系统完成报警功能。
综上，在统计全厂开关量输入/输出信号的基础上，考虑备用，选用开关量输入模块SM321共29个，开关量输出模块SM322共16个。
4.结论与展望
4.1结论
目前，本工程已完成现场施工并进入调试阶段。通过本文的讨论与分析，结合现场调试情况，得出如下结论：
1）PLC为适合三废处理工程的控制系统，该系统的性能满足工程的测控要求，并有一定的裕量，可进一步扩展。
2）从生产安全、统一操作、连锁控制和节省成本等多方面考虑，2#和B1#厂房采用一套控制系统是合理的。
3）通过PROFIBUS-DP现场总线技术构建的设备级I/O高速通信网络，非常适合2#与1#两厂房信号的高速传输。
4）本文所设计的连续量测控模块与开关量测控模块可以满足工程测控要求。
5）与两线制接近开关相比，三线制接近开关工作更为可靠。PNP型接近开关为与西门子PLC系统配套的三线制接近开关。
4.2展望
虽然本子项选用了PLC作为控制系统，但是数字通讯是一种趋势，它代表了技术的进步，双向数字通信现场总线信号制以及由它而产生的巨大推动力，必将加速现场装置与控制仪表的变革，出现越来越多的功能完善的数字智能现场装置，全数字现场总线控制系统FCS必将在更多场合中发挥其特点及优越性。
参考文献：
[1]陆德民主编.石油化工自动控制设计手册.第三版.北京：化学工业出版社，2000.
[2]孙洪程，翁维勤.过程控制工程设计.北京：化学工业出版社，2001.
[3]夏继强，邢春香.现场总线工业控制网络技术.北京：北京航空航天大学出版社，2005.
论文作者:崔瑶1,董旭辰2
论文发表刊物:《防护工程》2018年第15期
论文发表时间:2018/10/30
标签：控制系统论文; 信号论文; 模块论文; 接近开关论文; 模拟量论文; 测量论文; 系统论文; 《防护工程》2018年第15期论文;