分布式控制系统在工业生产的实际应用

王家军，王志涛

（1.山东天力设计研究院，山东济南 250014；2.北京优稳昌盛科技有限公司，北京 100094）

0 引言

分布式控制系统（Distributed Control System，DCS），也叫集散控制系统，它是1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。集中控制系统（Centralized Control System，CCS），也叫中央控制系统，是将过程控制、检测集中在1台计算机上的单级计算机系统。更早期的集中控制系统是由仪表电气组合完成。分布式控制系统是在集中控制系统的基础上伴随着计算机技术的迅速发展而发展起来的。

对于分布式控制系统与集中控制系统的概念，现在大多数工程技术人员耳熟能详，但是在许多工业生产的工控系统中，常常遇到这样的问题，企业负责人在介绍企业投资巨大引以为豪的控制系统时，说自己的控制系统是分布式控制系统，实际上是集中控制系统。甚至有许多设计院出的图纸标注的是分布式控制系统，实际上也是典型的集中控制系统。

1 案例

1.1 系统介绍

某公司的平面布置如图1所示。设备布置区1是1幢5层楼高的钢构建筑，设备布置区2是0 m层的室外露天。设备布置区1和2内安装有大量各种型号传感器和执行器。DCS控制室布置了2套西门子公司S7-400 PLC组成的控制系统。操控室布置了10台计算机，供操作人员和工程师使用。配电室布置了所有设备的供电系统，安装了大量变频器。DCS控制室内控制系统通过控制室西侧电缆桥架与设备布置区内的传感器和执行器连接，现场的电缆敷设情况如图2所示。配电室内的配电设备通过配电室北侧电缆桥架穿过操控室与DCS控制室内控制系统连接，现场的电缆敷设情况如图3所示。DCS控制室2套控制系统平面布置如图4所示。

图1 厂区平面布置

PLC主机柜的硬件配置：S7-400主机、通信模块、电源模块ET200M模块、I/O模块、大量中间继电器和接线端子排。MCC1柜的硬件配置：ET200M模块、I/O模块、大量中间继电器和接线端子排。

MCC2柜的硬件配置：ET200M模块、AI/AO模块、大量安全栅和接线端子排。

2台PLC主机柜是系统大脑，柜内配置的ET200M模块和I/O模块负责控制配电室内电气设备并接受反馈信号。2台MCC1柜配置的ET200M模块和I/O模块负责控制设备布置区1和2内的开关量并接受反馈信号。2台MCC3柜配置的ET200M模块和AI/AO模块输出模拟量信号到设备布置区1和2和配电室并接受模拟量反馈信号。操控室内电脑通过网线与PLC主机柜连接。

通过以上分析不难看出，这是典型的集中控制系统，典型的中央控制系统。与分布式控制系统的分散控制、集中操作、网络通信的基本思想不符。该例中，企业的设计图纸标注为分布式控制系统而实际为集中控制系统的做法，使该企业在自控系统设备投资方面，根据该企业在自控系统方面总投资额估算，至少多投入150多万元人民币，并且企业今后的运营成本也比真正的分布式控制系统高很多，而大量现场设备的优质资源被闲置浪费。为此，就该企业的控制方案作如下调整，调整后公司平面布置如图5所示。

图2 DCS控制室西侧电缆敷设现场

图3 DCS控制室南侧电缆敷设现场

图4 DCS控制室控制系统平面布置

1.2 调整方案

将图1中DCS控制室去掉，2台PLC主机柜整合为1台，将该柜放置在操控室内。在图1设备布置区1的2层钢构外开辟出2个控制站室，增设控制站1、2。在图1配电室内增设1个控制站3，将图1中DCS控制室西侧、南侧电缆桥架去掉。

1.3 调整后控制系统的配置

（1）PLC主机柜的硬件配置。2台S7-400主机、通信模块、电源模块、光电转换模块。

（2）控制站1和2的硬件配置。6个ET200M模块、I/O模块、AI/AO模块、中间继电器、安全栅和接线端子排、光电转换模块。

图5 调整后厂区平面布置

（3）控制站3的硬件配置。4个ET200M模块、I/O模块、AI/AO模块、中间继电器、安全栅和接线端子排、光电转换模块。以上配置就是把图4中2套控制系统的2台PLC主机柜整合为1台PLC主机柜，放置于操控室。把图4中2套控制系统用于配电室配电设施的硬件全部拿出来，组装成1台新的控制柜，放置于配电室。把原控制系统中用于设备布置区的硬件设备、2个MCC1壳体、2个MCC2壳体分别放置于控制站1和控制站2。同时在各处增加一定数量的光电转换模块。控制站与PLC主机柜之间通过光缆连接，光缆连接如图6所示。PLC主机柜通过1根光缆与控制站1和2连接，通过2根光缆与控制站3连接，控制站1和2再用电缆与现场的传感器执行器连接，控制站3则分为2部分，一部分是用控制电缆，这部分用于交流接触器；另一部分是用RS485通信电缆进行串行通信，这部分用于变频器。

调整方案中，鉴于目前控制系统硬件和软件性能，对于中小型控制系统的实时性、可靠性完全能够满足要求，在3个控制站内不再安装计算机。具体到本例中，也就是不在控制站内再安装小型PLC，而用ET200M和操控室内的PLC主机柜进行通信连接，由操控室内的PLC负责整个系统的运行。

图6 控制站与PLC主机柜光缆连接

2 调整后系统分析

调整后的控制系统随然不完全符合分布式控制系统的定义，带有集中控制系统的特点，但是它却充分利用了网络通信的功能，调整后的系统完全能够实现图1平面设备布置的功能要求，更为关键的是，使现场设备的优质资源得到充分利用，为该企业节约一大笔设备投资。

经过上述典型实例分析，不难看出在工业生产中自控系统方面存在的问题。工程技术人员在生产实践中，要积极调整思路、抛弃旧观念，将现有成熟的自控技术充分应用到工业生产中，将我国工业自动化水平提高到应有的程度。