PDF《国产 DCS与PLC 集成方案的比较及其在电厂的应用》

PROCESS AUTOMATION IN STRUMENTATION Vol

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12 Dece m eber

2009 2008年重庆市电力公司科技基金资助项目 (编号: 2008- 46- 16- 6).

修改稿收到日期: 2009- 08-

24 . 第一作者曾蓉, 女, 1968年生, 2007年毕业于重庆大学自动化学院控 制理论与控制工程专业, 获硕士学位, 副教授;

主要从事计算机应用技术 方面的研究. 国产 DCS与PLC集成方案的比较及其在电厂的应用 Comparison of Integration Schem e of Dom estic DCS and PLC and Its Applications in Power P lant 曾蓉1冯继勇

2 丁明亮

1 向贤兵

1 (重庆电力高等专科学校

1 , 重庆

400053 ;

重庆发电厂

2 , 重庆 400053) 摘要: 为了实现电厂 DCS与PLC的数据共享和统一监控, 设计了和利时 HOLL I ASM ACSV DCS与Siemens S7

300 PLC的三种集成 方案, 并比较说明了这三种方案的各自特点.集成方案的实施将 PLC的相关信息融入到 DCS的数据库进行管理, 使得 DCS与PLC 成为可以交换信息的整体.同时, DCS操作员站可监控这些辅助系统的运行.试验测试和实际运行表明, 系统集成提高了电厂自动 化水平, 减少了监控点数量, 并节约了电厂的运行成本. 关键词: 集成 DCS PLC Profibus DP OPC 中图分类号: TP273 文献标志码: A Abstract : In order to achieve data sharing and unified monitoring of DCS and PLC in po w er plan, t three of the integration sche m es forHOL LI A SMACSV DCS and S ie m ens S7

300 PLC have been designed . The features of these three sche mes are described and co mpared. The inte gration sche mem erges the related infor m ation of PLC into database of DCS form anage men,t wh ich makes DCS and PLC beco mes an entirety that is capable in infor m ation exchange . I n addition, the operation status of auxiliary syste m s can bemonitored on operatorworkstations ofDCS. T he test and practical operation indicate that the integration of the syste ms enhances the auto m ation level of po w erp lan, t reduces the quantity of monitoring points , and lo wers the operation costs . K eywords : Integration D istributed control syste m P rogra mm able logic controller Profibus DP OPC

0 引言 DCS因其可靠性高、 功能完善、 数据共享及组态方 便等优点, 在我国大型火电机组中得到广泛应用;

同时, PLC 在电厂辅助系统中也得到普遍应用. 国内单机

600 MW 及以上电厂对辅助系统的监控 和管理提出了新的要求, 控制管理系统需要集成数量 和种类不断增多的现场信息成为一种必然的趋势.由 于不同厂家的设备具有不同的通信机制, 且不同工控 软件中的通信模块访问接口各不相同, 造成工控软件 相互之间不能通信, 软件资源不能共享的局面 [ 1] .利 用计算机和网络技术对各辅助系统的过程数据进行统 一监视和管理, 减少监控点, 可节约电厂的运行成本. 本文就杭州和利时自动化有限公司 DCS MACSV 与Sie m ens PLC S7 300的集成提出三种可行方案并进 行比较, 然后介绍其中两种集成方案在火电厂的定期 排污系统和蒸汽吹灰系统中的应用.

1 DCS与PLC集成的方案比较

1 .

1 基于 Profibus DP方案 Profibus总线是由 Sie m ens公司倡导的一种国际 性的开放式现场总线, 协议满足 ISO /OSI网络化参考 模型对开放系统的要求. Profibus是一种在性能、 开放程度、 可互换性、 互可 操作性及应用业绩等方面均具有优势的总线;

DP协议 是目前欧洲乃至全球应用最广泛的总线系统之一 [2] , 具有安装简单、 拓扑结构多样、 易于实现冗余、 通信实 时可靠、 功能比较完善等性能. Profibus DP是一种高 速的低成本通信连接总线, 用于设备级控制系统与分 散式 I/O通信, 实现自控系统和分散外围设备 I/O及 智能现场仪表之间的高速数据通信. Profibus总线设 备可分为主站和从站.本文以 DCS控制站为主站, 当 主站得到总线控制权时不用外界请求就可以主动发送 信息;

S7 300可编程序控制器为从站, 它仅对接收到的 信息给予确认或当主站发出请求时向其发送信息. Profibus DP主站和从站的制造商向用户提供 GSD 文件, 组态工具使用 GSD文件测试与独立设备相关的 数据.设备数据库文件主要是靠制造商和设备的 ID

46 国产 DCS与PLC集成方案的比较及其在电厂的应用 曾蓉, 等 自动化仪表 第30卷第 12期2009年12月 号来区别的. 采用 ProfibusDP 现场总线技术实现 MACSV 与Siem ens S7

300 PLC系统的集成, S7 300配备了通信模 块CP342 5, 其系统结构如图 1所示. 图1基于 Profibus DP的集成方案结构图 Fig .

1 Structure of the integration scheme based on Profibus DP

1 .

2 M odbus方案 本方案采用 M odbus协议实现 DCS与BOP PLC系 统的 互联.M odbus协 议是 国际 标准 通信 规约, 是GOULD公司开发的无条件开放、 无条件使用、 相对比 较简单的通信协议.其数据传输采用主 /从(master/ slave)式通信, 报文形式为请求 /响应帧方式.该方案 可使 DCS通过 M odbus协议直接对 PLC 进行读写操 作, 并在 DCS中形成一个完整的数据库, 且无需增加 过多的额外设备, 在DCS集控室实现辅助系统的监 控.不足之处是: PLC 的Modbus接口为 RS 232口, 远 距离通信时需要将其转换为 RS 485口;

通信介质为屏 蔽双绞线, M odbus通信速率较低, 当通信数据量大时, 会造成网络堵塞;

采用热备配置的 PLC系统, 主 /从控 制器切换时会造成数据在切换过程中的丢失;

同时, 由于Modbus协议不是西门子公司所开发, 通信卡价格昂 贵.因此, 西门子 PLC的通信较少选用该方案.

1 .

3 OPC 方案 用于过程控制的对象链接与嵌入 OPC ( OLE for process control)是以微软公司的 OLE /COM ( component object m odel) 和DCOM ( d istributed component object m odel)机制作为应用程序的通信标准 [ 3- 5] .它采用客 户-服务器 ( C lient/Server)结构, OPC客户程序通过接 口与 OPC服务器通信, 间接地对现场数据进行存取. OPC作为硬件和软件之间的一个中间接口, 使不 同的客户软件能够访问任意的数据源.开发商可以开 发一个高度优化的、 可重用的 OPC 服务器访问底层的 硬件, 并将数据以 OPC 接口方式提供给任何具有 OPC 接口的客户端软件. 硬件厂商为其设备开发一个通用的、 符合 OPC规 范的数据接口 ( OPC Server), 以提供其他系统的读写 信息;

应用软件也通过 OPC规范来读写硬件设备的信 息(OPC C lient);

同时, 用OPC技术可以实现全厂综合 自动化, 实现 DCS、 PLC、 FCS等的无缝连接. OPC 基于 M icroso ft OLE (现在为 ActiveX)、 COM 和DCOM 等技术, 建立了一套符合工业控制要求的通 信接口规范.该技术完全支持分布式应用和异构环境 下应用程序之间软件的无缝集成和互操作性, 它使设 备层、 自动化层以及信息层之间的协同工作成为了可 能, 并且提供了工业自动化应用的统一数据传输平台, 使异构系统之间的数据交换更为方便 [ 6] . DCS、 PLC都具有 OPC接口能力, S7 300配置以太 网模块 CP343 1.采用 OPC 技术实现 DCS与PLC 系 统集成方案的结构如图 2所示. 图2基于 OPC 的集成方案结构图 Fig .

2 S tructure of the integration sche m e based on OPC

1 .

4 三种方案的特点 三种方案主要具有以下特点. ! 它们都能在 DCS中将 DCS数据库和 PLC系统 数据库整合为一个数据库, 并在 DCS上实现对辅助系 统的监控. ? Profibus DP 方案实施的前提 必须是 DCS 与PLC都支持该协议, PLC要接入 DCS现场控制站并作 为其中的一个模块;

同时应考虑将 PLC 作为与不同产 商生产的 DCS硬件接入模块.OPC 方案中, DCS 和Siem ens PLC系统上位机软件组态王均基于 OPC 标准 开发, 且DCS的操作员站和 PLC系统上位机均支持以 太网通信, 因此, 易于实现, 对DCS 硬件没有影响, 安 全性强, 但该方案中 PLC要具有上位机. # OPC方案在实际应用过程中可采用快速光纤 以太网, 以保证网络的畅通和整个系统的性能, 且网络

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2009 拓扑结构简单, 需要额外增加的设备较少. ? 当PLC系统发生双机热备切换时, DCS和PLC 系统的通信仍然能够正常进行, 无需专门设计切换 电路.

2 基于 Profibus DP的定期排污系统 火电厂汽包定期排污的目的是降低炉水含盐量, 提高蒸汽品质, 防止蒸汽中的盐分在金属管壁结垢, 降 低热效率并防止其腐蚀金属管壁等 [ 7] .因此, 在锅炉 每运行一段时间后, 就应将水冷壁下联箱中含盐量最 高的炉水排除.一般情况下, 每8h就要求排污一次, 当锅炉水质较差时, 特别在锅炉启动过程中, 排污次数 还需增加.电厂已采用 PLC 对锅炉定期排污系统进 行自动控制.

2 .

1 S iemens S7 300的组态 本方案采用 Sie m ens S7 300进行硬件组态, 并依 据电厂定期排污的工艺过程设计 PLC 的程序.在主 程序 OB1中进行 Profibus DP通信时需调用系统功能 块SFC1和SFC2, 并进行下列相应设置. CALL DP_SEND CPLADDR: =W# 16#

150 % CP模块的起始地址 SEND: = P # Q

0 .

0 BYTE

4 %发送数据存储区 DONE: = M 100.

1 %发送完成一次产生一个脉冲 ERROR: = M100.

2 %错误位 STATUS: = MW

4 %调用时产生的状态字 CALL DP_RECV CPLADDR : =W# 16#

150 % CP模块的起始地址 RECV: = P # I

4 .

0 BYTE

4 %接收数据存储区 NDR: = M110.

0 %接收完成一次产生一个脉冲 ERROR: = M110.

1 %错误位 STATUS: = MW

112 %调用时产生的状态字 DPSTATUS: = MB114 % Profibus DP的状态字节 在组态完成后, 将程序下装 PLC

2 .

2 DCS组态 和利时 HOLLI ASMACSV DCS必须完成如下组态. ! 将siem80d6. gsd 文件复制到 DCS 安装目录 C: TARGET H ollySys PCBasedIO , 这样 S7

300 就可 作为 MACSV 的一个站 (站号为 17)进入 &

控制器算法 组态 ?, 并完成组态编译;

然后进入图形组态, 完成后 进入数据总控进行全部联编;

最后将程序下装服务器 和操作员站. ? 运行操作员站, DCS操作员就可对定期排污系 统进行实时监控, 而PLC不用另设监控站, 现场站可 作为调试检修用, 平时无人值守.

3 基于 OPC的蒸汽吹灰控制系统

3 .

1 W indow s XP操作系统的设置 和利时 DCS进行 OPC通信之前应进行操作系统 的设置, 主要是进行 W indows XP 的COM、 DCOM 配置.配置完成后, DCS与PLC 上位机的 W indow s操作 系统应设置为用同一 &

网段 ?、 同一 &

工作组 ?、 同一用 户名的相同密码登陆.

3 .

2 组态王的组态 PLC上位机操作站的监控软件采用组态王 K ing V iew 6.

53 . 组态王 &

工程浏览器 ?中 &

设备 ?项增加 &

OPC服务 器?, 输入 HOLLYSYS. MACSOPCSvr . 1, 并设置参数. 另外, 在组态王 &

数据词典 ?中增加了 DCS与PLC 需要交换信息的全部变量.由于 DCS客户端只能与 组态王服务器的内部变量进行通信, 因此, 须将 PLC 的输入输出转换为组态王内部变量, 并通过 OPC 方式 与DCS交换信息.

3 .

3 DCS的OPC 配置及编程 DCS安装 OPC 服务器后, 工程启动控制算法组 态, 在系统中增加需要与组态王交换信息的所有变量, 变量类型设为全局变量, 完成相应的编程, 工程进行全 部编译;

然后工程启动数据总控, 进行全部联编;

以上 各步骤完成后, 最后将工程下装操作员站各服务器. 工程还需安装 HOLLYSYSMACSV OPC客户端程 序OPC C lient , 并进行配置与调试.在组态王处于运 行状态时, DCS服务器上运行其 OPC 客户端程序, 在 程序的相应栏输入组态王上位机的名称或地址进行刷 新.这时 OPC客户端就能找到并选中组态王的 OPC 服务器 &

K ingv iew. v iew. 1?, 并进行 HOLLYSYS OPC Client的配置与调试.同时, 在HOLLYSYS OPC C lient 中增加 &

标签 ?, 即加入 PLC 中需要交换信息的内部变 量, 修改标签的 &

点名及项名 ?, 将其定义为与 MACSV 控制器算法中的相应全局变量的相同名称. 通过上述配置及编程, DCS操作员就能对蒸汽吹 灰系统进行实时监控和协调运行.现场站也只用于调 试检修, 平时无人值守.

4 结束语 电厂机组容量的不断增大, 自动化水平不断提高, 所采用的控制系统和设备也越来越多.利用计算机和 网络技术将各辅助系统的过程数据进行统一监视和管 理, 可减少监控点数量, 节约电厂的运行成本. (下转第 51页)48 国产 DCS与PLC集成方案的比较及其在电厂的应用 曾蓉, 等 自动化仪表 第30卷第 12期2009年12月2.2编程原理 编程时, 首先将数字输入 A I W0和AIW2进行转化. 在梯形图中, AI W 0和AIW2的输出范围为 0~

32 760. 所测力的对应理论位移量如式 ( 1)所示: l= Fp ( l Ap ( Es ( 1) 式中: Fp 为预应力筋的平均张拉力, kN;

l为预应力筋 的长度, mm;

Ap 为预应力筋的截面积, mm

2 ;

E 为预应 力筋的弹性模量, kN /mm

2 . 然后, 比较实际位移量与理论位移, 若实际位移与 理论位移误差大于 6% , 则应该停止张拉和回油.

2 .

3 梯形图程序 梯形图程序转化成的 STL语言如下所示. LD S M 0.

0 MOVW AI W0, AC2 MOVW AC2, VW........