基于PLC 的轻量型DCS 系统设计应用研究

郑军ZHENG Jun

（上海品是科技有限公司，上海 201600）

0 引言

传统上，PLC（可编程逻辑控制器）的功能以逻辑控制为主，DCS（集散控制系统）以过程控制为主。随着PLC 和DCS 功能上相向发展，PLC 和DCS 已经没有太大的区别。这仅仅是在功能的层面上。实质上，DCS 相比PLC 在应用场景上，更多使用在大型项目上，比如发电厂，石油，和化工，而PLC 多应用于单机项目或者生产线。这要归于DCS系统在处理中大型系统上的天然的优势：冗余设计使系统安全性增强；基于服务器的统一的数据管理增加数据安全性；模块化的设计第三方供应商也可以轻松集成。相对来说PLC 可以说是一张白纸，每个公司或者每个工程师都拥有自己的系统架构。往往这些架构只能满足功能上的需求，而不具有DCS 模块化架构的优点。

但是，PLC 系统相对于DCS 最大的优点是成本。对于超过千万的项目，DCS 系统占据总项目成本比重比较小。对于百万级别或者小于百万级别的项目，使用DCS 在成本控制上是无法想象的。工程师只能选择PLC 架构。

本文介绍的SmartDCS 是基于PLC 的轻量型DCS 系统。SmartDCS 在成本上可控，小型项目上可实现，使小型项目也可以实现诸多基于DCS 的大型项目的优点：上位机相互备份，数据增强安全性，报表集中管理，集成控制等。

1 SmartDCS 介绍

SmartDCS 的硬件使用的是西门子的一款性价比比较高的中型PLC—ET 200SP 分布式I/0 系统，上位机是西门子过程监控系统WinCC V7.4。

SmartDCS 在控制层主要包含控制模块（Control Module，以下简称CM），设备模块（Equipment Module，以下简称EM），状态迁移图，以及流程。在监控层主要包含控制模块界面，设备模块界面，流程界面，基于数据库的配方，用户管理，数据管理，报警，审计追踪，电子签名，以及报表。

SmartDCS 的典型应用场景如图1。其中三个HMI 可以相互备份，任何一台HMI 可以操作所有设备。数据中心可以选择配置。本地HMI 可以根据客户需求配置触摸屏，电脑，或者触摸工控机。

图1 SmartDCS 的典型应用场景

2 SmartDCS 设计

2.1 SmartDCS 的架构

图2 为SmartDCS 的架构。其包含了人机界面、PLC 程序、文件系统、电气系统以及他们之间的联系。

图2 SmartDCS 的架构

在这个架构中最大特点是面向设备的设备控制模块与面向过程的程序控制模块是分离的，虽然是分离的，但是不管在物理上还是在逻辑上在此模型中还是有很多的联系。物理上的分离在过程控制层架构中会详细提到，逻辑上的联系在“程序模块与设备模块的联系”一节中也会详细讨论；第二个特点是HMI 层的功能将减少到只有操作，也就是发命令，与状态的显示。连锁与包含将下放到PLC 层，且会在HMI 上显示；第三个特点，更加注重统计功能，统计是更高级控制层的要求，而在单机的表现是功能的延伸。

2.2 CM（控制模块）的设计

控制模块指的是控制的最底层元素，比如开关量信号，温度，变频器，电机，阀门。标准化，模块化设计每一个CM，对于SmartDCS 来说是控制的基础，不仅可以规定好每类设备的控制逻辑，也可以批量化管理所有CM。

CM 包含，报警Alarm，模拟量输入AI、模拟量输出AO、数字量输入DI、数字量输出DO、PID 等。本文中以AO 为例，说明CM 的设计。

首先自定义数据类型，UDT_DO。如表1。

表1 CM DO 的自定义数据类型

再为DO 设计上位机显示图标，如图3。在设计上位机时，要考虑以下因素：可复用性，信息完整性，和节省资源。对于一个DO 状态有很多种，如果每种状态都是用一个变量，则会占用大量的变量资源，SmartDCS 针对多种状态使用一个变量，节省了大量的变量空间。通过脚本的设计，在重复使用时，只需要修改CM 的索引号即可完成一个DO 的定义，节省开发时间。这个设计不仅可以清洗的看到CM 的模式状态（自动开，自动关，手动开，手动关），也可以看到更多的信息（互锁，报警，和维护状态）。

图3 CM DO 的上位机显示

图4 为DO 的详细界面，从界面上可以看出，针对一个比较简单的DO 设备模块，可以获得更多的信息，比如互锁信息，维护信息，详细的描述，使之易于操作，易于维护，易于测试。

图4 CM DO 的详细界面

类似于DO，设计所有的CM。并且为每个CM 编程，这样程序的可复用性和重复性大大提高。在监控侧，操作员也可以看到更多的信息，提高可操作性和减少排查异常的难度。并且有必要为每个设计的CM 配置文件，并且版本控制，有利于软件的标准化管理。

2.3 EM（设备模块）的设计

设备模块，由多个CM 组成，可以完成特定的任务。比如，温度控制、真空控制、清洗、排水、溶氧的控制。通常PLC 架构的程序并不包含EM 层，流程会直接控制CM，流程更加负责，不利于文件化和测试，软件稳定性也不是很好。EM 的引入，让复杂的设备划分为几个或者十几个小的模块。每个模块完成一定的任务。流程控制EM，而不是直接控制CM，使流程的编写更加简单。测试也可以分为三层测试，分别是CM 测试、EM 测试、流程测试。系统的文件化、测试性能、稳定性都得到提高。

在HMI，可以独立的对EM 的每个功能进行启停，从而对EM 进行功能确认。EM 的界面见图5。

图5 EM 的操作示例

2.4 流程的设计

流程是协调各个EM（包含可能涉及到的其它系统的EM）完成生产程序，是生产过程中最常使用的功能。故而需要对流程的步骤、状态转换、命令、步骤跳转信息显示清洗准确，提供可操作性。

其中我们重点说明状态转换，设备实体与程序元素有很多状态，比如初始状态、正在运行、正在暂停、已经停止、最终状态，等等。从一个状态转移到另外一种状态，需要命令。

状态与命令的结合即是图6 状态转移图。在应用状态转移图时，应该根据所处的行业和设备的类型和负责程度设计专属的状态转移图，而不是一成不变的。

图6 状态转移图

2.5 用户管理的设计

基于操作系统的用户管理可以直接使用系统用户管理策略，使用户管理更加符合电子签名的要求。而HMI 软件并不配置直接的功能来实现用户管理。

2.6 数据管理的设计

对于电子数据的管理也是数据安全性的重要一环。定期对数据进行备份/归档。当需要时，还可以重新连接归档数据，查看生产情况。这对于制药生产过程和审计追溯都具有重要的意义。本数据管理系统也是全脚本设计。

2.7 电子签名的设计

电子签名是审计追踪的重要一环。对于重要的操作，不仅可以记住操作人员是谁，在什么时候，原因是什么，也可以起到复核的作用。电子签名对于制药生产基本上已经是标准的配置功能。电子签名界面为图7。

图7 电子签名操作界面

2.8 HMI（人机界面）的设计

SmartDCS 最重要的一个设计就是HMI 的设计。HMI必须具备相互备份，任何一台HMI 可以操作任何一台设备，和数据的全备份三个功能。

一台HMI 可以操作多台设备。从而保证数据的安全性，和系统的稳定性。

其功能实现有两种办法，第一种方案是为每台设备设计一套界面，选择设备时切换到对应的一套界面组；第二种方案所有的设备使用同一套界面，不尽兴界面切换，切换的是变量。SmartDCS 选择的是第二种方案。在每个变量后面加上标识设备的设备单元号，在切换设备时，修改变量的后缀，从而切换到选择的设备控制上。这种做法，减少了开发的工作量，也使各设备使用完全相同的界面。

3 结论与建议

综上所述，通过对CM、EM、流程、用户管理、数据管理、电子签名和HMI 的再设计，使基于PLC 系统的SmartDCS 具有了DCS 的大部分功能和优点：①标准化的功能模块。②模块化的架构设计。③集中控制和本地控制的分布式控制。④上位机的冗余备份。⑤电子数据的备份。⑥原始数据文件的管理。⑦基于本地系统或者域服务器的用户管理系统。⑧电子签名。⑨强大的报表功能。

SmartDCS 为轻量型的DCS 系统，其最大的优点还是因成本低使小型设备或者小型系统可以应用上DCS，从而提升的生产效率和效益，也更加易于操作性、易于维护性和易于验证。

SmartDCS 可以应用在多行业，不同设备。不过在应用过程中，因为每个行业或者每周设备对于设备的关注点不一样，故而需要对CM，EM 进行扩展或者差异化设计。从而提升设备或者系统的自动化程度和稳定性等各方面的性能。