基于DCS和PLC的腈纶纺丝生产线混合控制系统

葛锁良 袁业剑（合肥工业大学 电气与自动化工程学院，安徽 合肥 230009）

0 前言

DCS（分布式控制系统）是集计算机技术、通信技术、图形显示技术、控制技术于一体的控制系统，它通过某种通信网络将现场控制站、操作员站、工程师站联系起来，共同完成分散控制、集中管理。DCS基本结构包括过程控制单元、数据采集器、CRT操作站、监控计算机以及高速数据通路等五部分组成[1]。PLC（可编程序逻辑控制器）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储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程[2]。

DCS是一个完整的控制系统，能够实现生产线逻辑控制和数据采集监控功能。而PLC是一种控制器，相当于DCS中的现场控制器，要构成完整的管理系统还需要上位监控系统与之集成。DCS系统与PLC系统的区别主要有[3][4]:

（1）DCS在设计时留有大量的可扩展性接口，外接系统或扩展系统都十分方便;PLC系统一般是针对某一设备而设计，系统搭建完成以后很难扩展。

（2）DCS各工作站间通过通信网络传递各种信息来协调工作，以完成控制系统的最优控制和管理;PLC系统在通信能力及管理能力上不如DCS系统。

（3）PLC更专注于逻辑控制，逻辑运算能力优于DCS的现场控制器，而且PLC采用循环扫描机制，循环周期在10ms左右，而DCS控制站的循环周期在500ms左右。

两种控制系统各有优劣，如果能将PLC优秀的逻辑控制能力融入到DCS系统中去，一方面能减轻DCS的工作负荷，另一方面又能将两种控制方式的优点充分发挥。

1 腈纶纺丝工艺原理

腈纶纺丝生产分为纺丝生产线和纺丝辅助系统。

纺丝生产线是将聚合原液装置制备的纺丝原液（丙烯腈、醋酸乙烯脂和甲基丙烯磺酸钠的三元共聚物的硫氰酸钠溶液）加工成具有使用性能的腈纶长丝束，供成品装置生产短纤维或毛条装置生产毛条，也可以丝束形式出厂。纺丝生产线工艺流程可分为:（1）纺丝成形;（2）溶剂牵伸;（3）水洗;（4）预热;（5）热牵伸和骤冷;（6）干燥致密化;（7）气蒸定型;（8）二次牵伸;（9）调质上油;（10）卷曲。

纺丝辅助系统主要包括溶液循环系统和定型机系统。溶液循环系统又有三部分组成:

（1）水洗系统:水洗液由水洗供料泵经节能器和水洗加热器后，分送至各线水洗机，各线水洗水流量由调节阀控制。

（2）凝固浴循环系统:来自凝固浴循环槽中的凝固浴液由凝固浴循环泵抽出，经盐水冷却器冷却送至各纺丝机。

（3）回收液系统:凝固浴循环槽中的溶液一部分循环使用，多余的溶液自溢流管线溢流到回收液贮槽并经过滤器过滤，之后在凝固浴节能器中和水洗水交换能量并送至回收装置。

定型机为一压力容器，链板将丝束从入口处运送到出口处，在链板上方向丝束喷热水，使丝束温度升至容器温度。定型机内的温度由压力控制阀调节通入定型机的蒸汽量来控制。蒸汽从容器底部位于冷凝液下面的两个喷嘴喷入;在链板上方，蒸汽由五个沿定型机长度方向分布的喷嘴直接喷入。丝束在链板上完成定型后，进入含有脱盐水的骤冷槽中冷却，防止丝束在高温下被额外牵伸而抵消定型效果。

2 腈纶纺丝生产线DCS和PLC混合控制系统设计

2.1 总体设计

某石化公司腈纶生产线采用DCS和PLC混合控制系统:PLC负责生产线逻辑控制和速度控制;DCS负责数据采集处理和监控。腈纶生产线控制系统总体设计如图1。PLC优秀的逻辑控制能力和稳定性可以很好地完成腈纶生产线的控制任务，因此用PLC取代DCS过程控制单元，既能提高逻辑控制性能，又可以减轻DCS的工作量，使DCS更专注于数据采集处理和系统监控。

2.2 DCS 监控系统

本系统采用Honeywell公司的TDC3000分布式控制系统。TDC3000系统主要由三种通信网络组成:局域控制网络（LCN）、通用控制网络（UCN）和高速数据通路（HW）。每种网络上挂有不同功能的模块，实现控制系统的分散控制、集中管理。本系统采用其中两种网络:

（1）局域控制网络（LCN）:LCN是TDC3000的主干网，它是短程高速通信链，采用冗余结构，令牌存取通信控制方式符合IEEE802.4标准，传输速率为5Mbit/s，总线拓扑结构，其功能就是联接一系列内部模块[5]。本系统LCN网络上的模块有:1）通用站（US），是TDC3000的主要人机接口，完成系统网络组态、监控画面组态、报警显示、故障显示等功能;2）历史模块（HM），是TDC3000的存储单元，用来存储过程报警、操作员信息、连续过程历史数据等，是通用站和过程管理站的数据源模块;3）应用模块（AM），是用控制语言来完成UCN网络上所连接的模块不能实现的功能，并可提高过程控制及管理水平;4）网络接口模块（NIM），提供了UCN与LCN网络的通信指标，实现协议间的相互转换;5）计算机接口（CG），提供上位机与LCN网络相连接的接口;6）可编程控制器接口（PLCG），它是LCN网络与PLC进行通信的接口模块。

通用站对生产过程中的数据进行组态，主要包括:1）腈纶生产过程监控画面，用于显示生产流程;2）辅助系统数据监控，对来自辅助系统现场仪表的数据进行组态和监控;3）生产线状态监控，查看各台变频器和电机的工作情况;4）趋势分析，自动绘制各台变频器的频率趋势图，供操作人员分析生产状况;5）数据归档，对变频器频率值和电机启停状态进行归档，生成历史数据;6）报警显示，当变频器发生故障时，提示报警信息以通知操作人员处理。

（2）通用控制网络（UCN）:UCN采用令牌总线通信方式，传输速率为5Mbit/s，支持32个冗余设备，应用层采用RS511标准。UCN是直接与过程相连接的数据采集和设备控制的通信通道。

过程管理站由过程管理模块和I/O系统两部分组成。过程管理模块由通信处理器和调制解调器、I/O链接口处理器、控制处理器等三部分组成;I/O系统由一个冗余的I/O链和最多40个I/O处理器组成[5]。过程管理站可与现场仪表连接，实时采集现场工艺数据，如预热温度、水洗水流量、供纺压力等，并将这些数据送到历史模块存储，与PLC传送过来的数据一起构成腈纶生产过程的数据库。

2.3 PLC逻辑控制系统

图1 腈纶纺丝生产线DCS和PLC混合控制系统总体设计

2.3.1 控制系统组成

纺丝生产线是一个复杂的工艺系统，生产线的启停和调速都需要严格的逻辑控制。本系统采用变频驱动和PROFIBUS现场总线控制技术，可以满足逻辑控制的要求。S7-300 PLC是模块化的中型PLC，适合于中等性能的控制要求。用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，当系统规模扩大时，可以增加模块，对PLC进行扩展。ET200M是多通道模块化的分布式I/O，最多可以扩展8个模块，由于本系统的现场控制点数较多，因此选用4个ET200M作为PROFIBUS从站。变频器智能从站通过总线适配器TDS-PA01接入PROFIBUS总线，与PLC控制站通信，变频器的运行参数和PLC的控制参数可以通过总线相互传递，从而使系统具有较高的智能化和自动化。每条生产线有17台变频器。

2.3.2 PROFIBUS 网络

本系统PLC逻辑控制部分采用两级PROFIBUS网络:第一级是各生产线PLC及其变频器、ET200M组成的网络;第二级是备用线PLC与各生产线PLC、备用变频器组成的网络。PROFIBUS现场总线的应用，将提高控制系统的开放性和可靠性。

第一级网络中，PLC与变频器的通信采用PPO1类型作为数据传递的格式。PPO1格式分为四字PKW参数区和双字PZD过程数据区，两者均为连续的数据区。在组态时，为每个变频器分配一个总线从站地址，并为PKW和PZD分配连续的逻辑起始地址。主站通过系统读模块（SFC14）和系统写模块（SFC15）完成与变频器的数据交换，数据交换方式如图2所示。

图2 PLC与变频器数据交换

第二级网络中，备用PLC做主站，1#～6#生产线PLC和备用变频器做从站。1#～6#生产线PLC将各变频器的设定频率、各电机的启停状态等数据传送给备用PLC，以供DCS采集。当需要投入备用变频器时，备用线PLC将判断该变频器是否空闲、是否有故障，并将这些信息传送给相应的PLC，再判断能否投入该备用变频器。

2.4PLC与 DCS通信

DCS需要采集腈纶生产过程的全部数据并进行处理，除了直接采集辅助系统现场仪表的数据之外，还要采集生产线上的工作数据，这就需要通过与PLC的通信来实现。TDC3000支持两种串口通信协议:MODBUS和Allen-Bradley[6]。S7-300 PLC本身不支持这两种协议，通过安装CP341通信处理器便支持RTU格式的MODBUS协议。此时TDC3000就可以通过LCN网络上的PLC接口、CP341通信处理器与S7-300 PLC进行通信了。TDC3000作MODBUS主站，S7-300 PLC作MODBUS从站，本系统MODBUS协议采用RTU报文传输模式。S7-300与TDC3000通信示意图如图3所示。

图3 S7-300与TDC3000通信示意图

通过MODBUS通信，PLC将生产线上各台变频器的运行频率、电机的转速和启停状态等数据传送给DCS，进行状态监控和数据归档;DCS的工程师站可以设定PLC系统中各变频器的运行频率。PLC和变频器安装在控制室，DCS安装在监控室，由此该腈纶厂形成了“车间—控制室—监控室”三级管理系统。

2.5 变频器备用方式研究

腈纶车间共有六条生产线，为保证变频器发生故障时能继续生产，设计了一条备用线。备用线采用“一备多”的方法，即备用线每个工位的变频器为1#～6#线相应工位的变频器备用，例如备用线的F1为1#～6#线F1备用，依次类推。

备用线PLC与1#～6#生产线PLC之间通过PROFIBUS总线进行通信，备用线PLC做主站，备用变频器和1#～6#生产线PLC做从站。当某一变频器发生故障时，先判断该工位备用变频器是否被占用，如果未被占用，则选择该工位变频器以备用方式运行，此时电机将切换到备用变频器的控制下继续运行。这种备用方式既保证了系统的可靠性，又使投资比较经济。

3 小结

本系统结合DCS和PLC两种控制系统的优点，构成了效率更高的混合控制系统，提高了生产线逻辑控制性能和全厂的自动化管理水平。随着DCS和PLC各自的发展，两者的区别正逐渐减小。DCS提高了自己的逻辑控制能力，其性能逐渐接近PLC的水平;而PLC也逐渐与上位监控系统集成，提高了对系统的管理水平，如西门子公司的新一代过程控制系统PCS7就是在其S7系列PLC基础上提出的[7]。随着自动化技术的发展，工厂的信息化管理水平将大大提高。

[1]王常力，罗安.分布式控制系统（DCS）设计与应用实例[M].北京:电子工业出版社，2004:22～36.

[2]廖常初.S7-300/400 PLC应用技术[M].北京:机械工业出版社，2005:1～9.

[3]高敏，夏安邦.对PLC、DCS、FCS三大控制系统特点和差异的探讨[J].应用能源技术，2008，11:42 ～45.

[4]刘奋强.DCS与 PLC的区别和应用[J].湖北电力，2005，29（12）:74～74，108.

[5]张岳.集散控制系统及现场总线[M].北京:机械工业出版社，2006:52～80.

[6]吴波，冯地斌，邱文邦.TDC3000系统和三菱PLC系统之间的通信[J].自动化仪表，2003，24（11）:39 ～41.

[7]丁明华，王建明，凌立国.PCS7控制系统在甲烷氯化物项目中的冗余应用[J].化工自动化及仪表，2009，36（3）:87～89.