华能电厂应用

基于PLC的集散系统－－欧姆龙CS1D在电厂的应用

本文以OMRON的CS1D系列PLC为例， 阐述了PLC在过程控制领域内的发展方向，说明了基于PLC的DCS系统的广阔应用前景。

在广大的工程技术人员中，尤其是在很多电厂的热工及电气专业的工程师中，普遍认为PLC和集散系统(又称分布式控制系统，DCS)完全是两种不同控制领域内的系统。PLC一般用在开关量的顺序控制中，用梯形图编程，电厂中的一些辅助程控系统如输煤和化水等用PLC来控制；而DCS大多用在过程控制领域，使用功能块的流程图来组态，一般用于电厂的核心系统控制，如汽轮机数字电液控制系统(DEH)、锅炉炉膛安全监控系统(BMS)、模拟量控制系统（MCS）、顺序控制系统（SCS）及数据采集系统(DAS)等。

然而， 当回到DCS的基本定义时，我们会发现这二者之间并不是对立的互不相干的两种控制系统。 DCS(Distributed Control System)是一种控制系统的结构概念。凡是集中管理、分散控制的控制系统，不论具体的控制器是仪表、PLC、IPC还是特定的现场控制单元FCU，我们都可以称之为集散系统。而

PLC(Programmable Logical Controller)指的是一种控制器， 只要它的网络功能足够强大，能够实现集中管理与分散控制的话，它当然可以组成DCS。

图1 基于PLC的DCS系统结构示意图

当然，概念的争论是没有多少实际意义的。目前在电厂等大型系统中应用DCS

就在于看重它的高可靠性及组态监控的方便实用性。如果一个用PLC构建的系统达不到电厂所要求的高可靠性及方便实用性，即使它可以称作集散系统，也没有什么实用价值可言。

近10年来，随着电子、计算机及网络技术的飞速发展，PLC的性能大大提升。其运算速度、 对过程量的处理能力和网络通讯功能已经和传统的PLC不可同日而语。基于PLC的过程控制(PBPC)现在已经成为了很多工程技术人员中的流行术语。 许多传统PLC厂商也及时开发出了“PLC+网络+服务器+组态软件”的类似传统DCS结构的大中型过程控制系统。加上PLC与生俱来的高可靠性，这一切使得PLC构建的DCS开始走向电厂主控等传统DCS的控制领域。实际上，早在1994年，彭瑜教授就已经发表论文提出了“在过程控制中采用以PLC为基础的DCS 系统是一个不可逆转的发展趋势”的论断。 美国Control杂志也在2001年刊登了一篇文章预言：“今天DCS所能做的事PLC也能做。”

CS1D系列

CS1D系列PLC是欧姆龙公司新近开发的一款高端PLC，它具有一些显著特点。该款PLC的处理速度极快，基本指令的处理时间为20ns，PCMIX(1μs可执行的平均指令数)为16；系统总线的波特率较欧姆龙的前一款产品也加快了一倍。它可以采用热备方式实现CPU的双重化，即达到CPU冗余的目的。能同时实现冗余功能的除了CPU外，还有电源及网络(Ethernet和Controller Link)单元。各工作单元及网络在产生故障后会自动切换到热备的冗余单元及网络中，并通知操作者进行更换。该功能对使用者是透明的，就是说使用者无须对冗余系统进行设置及编程就可自动实现故障切换的功能。所有单元可以实行在线更换，即所谓热插拔功能。

此系列产品的过程量控制能力强，具有专门的回路控制单元(CS1W-LC001)和内置回路控制插卡的CPU单元(CS1D-CPU65/67P)。回路控制插卡可最多带500个控制及操作块，即在极限情况下，一块卡可控制500个PID回路。

该系列可带多种过程控制(DCS)中专用的高可靠隔离型I/O单元。每个通道之间以及通道和系统总线之间可耐受500VDC及1000VAC。还具有DCS系统中特有的48VDC开关量输入单元(CS1W-ID411-HN)。普通开关量的I/O单元通道与系统总线间采用光电隔离。

该系列的可靠性很高，如CS1D-CPU67H的平均故障时间(MTBF)为263000h，即连续运行30年才可能出现一次故障。而即便出现故障也能自动切换到备份CPU，保证系统继续运行。 不能在线更换的底板和DPL的MTBF分别为346000h和940000h。二者综合起来考虑，系统需要停机维修的平均时间为28.9年。

CS1D-CPU67H的程序区可达500K bytes，数据区可达896Kbytes。DCS专用型号CS1D-CPU67H(XE)的数据区更可以达到1.8M bytes。

CS1D具有强大的网络功能，以太网传输速率可达100Mbps，距离达2.5KM，热备冗余的单元CS1D-ETN21D更可以实现双以太网。控制器层网络Controller Link 在采用GI光纤电缆时，可达到30KM距离和2M的传输速率。Controller Link 可以构成环形网络来实现网络的冗余。选用不同的现场总线单元，可支持DeviceNet (CompoBus/D)、ModBus和ProfiBus等多种流行的总线协议。采用欧

姆龙特有的FINS信息协议，可实现对相连的任意层网络内的节点进行数据读写和PLC操作等功能。

基于PLC的DCS系统结构

从以上对欧姆龙CS1D的介绍中能够看出，为了构成一个成熟的DCS系统，CS1D 已经具备了超强的可靠性、强大的过程量处理功能和方便的网络通讯能力。但是目前PLC的主要编程方式仍然是以梯形图为主，怎样才能使用传统DCS所使用的流程图方式来组态?对一个有着500多个模拟量和6000多个开关量的300MW火力发电机组来说，梯形图的编程量是惊人的，也是不现实的。如果这个问题不解决，就不能实现DCS系统组态监控的方便实用性。

针对这个问题， 北京华能新锐控制技术有限公司提出了一个很好的解决方案。华能新锐公司对于火电厂的控制有着丰富的实践经验，他们采用独特的“数字引擎”技术，开发出了一套使用传统DCS组态语言，以流程图的方式在网络上对PLC进行编程的软件PineCAD。 PineCAD通过调用OMRON的中间层软件FinsGateWay所提供的AxtiveX控件，使用FINS协议的命令，可以对网络中任意节点上的PLC进行数据的读写和监控。“数字引擎”技术也很好地解决了控制逻辑的在线编辑的问题。PineCAD的功能由4个部分组成，即控制逻辑组态编辑器、控制过程实时监控器、离线传送器和在线传送器。以PineCAD和FinsGateWay 为主构成了DCS系统中的工程师站。通过工程师站，用户可以对系统中所有控制站进行控制逻辑的组态和在线调试。

同时，由OMRON的人机界面软件CX-Supervisor或市面上流行的人机界面软件如iFix/ iHistorian等可以构成DCS系统中的操作员站和历史数据服务器。

至此，一个以PLC为基础的DCS系统已经基本可以实现了。但是，在实际的应用中，我们碰到了一个现实的问题，即在许多DCS应用场合里，对一些关键点，都需要精确记录事件序列数据，即SOE。大多SOE记录需要按时间校正的顺序排列，并打印出该事件的小时、分、秒和毫秒的时间标签。由于PLC的工作基理是扫描执行程序，扫描时间随程序量的大小而变化，很难精确到毫秒。即使是一些特殊的中断输入和高速记数输入功能也尚不能给事件打上精确的时间标签。因此，SOE 可以说是目前传统功能的PLC尚不能完全取代的领域。 针对这个弱点，北京华能新锐控制技术有限公司同样用IPC很好地解决了这个问题。图1就是一个用于300MW火力发电机组、基于PLC的DCS控制系统的系统结构示意图。它选用15套CS1D作为15个控制站，分别控制15个子系统，每个子系统都采用双CPU和双电源的冗余结构，所有单元，包括I/O、CPU和电源等都可热插拔。15个子系统再通过冗余的以太网与服务器、SOE和工程师站、操作员站等相连。图2为工程师站上运行的用于系统控制逻辑组态的软件PineCAD的组态画面。