摘要： 　　本文討論了用PC+PLC實現集散控制系統（DCS）的基本原理，以武漢漢口江灘公園照明控制系統為例，著重論述了用PC+PLC實現的集散控制系統（DCS）在照明控制中的應用，并介紹了該控制系統具有的強大功能。中央控制室以GE公司的iFix作為監控軟件，通過采集現場PLC和EDA9033的數據信息，不僅可以控制每個照明回路，還可以形象生動的顯示每個照明回路的各種信息，監視每個回路的開關狀態信息、故障報警信息、電流、電壓、功率因素、有功功率、無功功率等電參數信息。 關鍵詞： 　　照明控制，DCS，PC+PLC，iFix，EDA9033。 Abstract: 　　The article talks about the basic principles of distribute control system (DCS) realized by PC+PLC, taking the lighting control system of Wuhan Hankou Jiangtan Park for example, emphatically discusses how to utilize DCS realized by PC+PLC into lighting control system. At the same time, it presents all kinds of powerful functions in this project realized by this kind of DCS. The center control room, using iFix supervision software produced by GE，collecting the data information of PLC and EDA9033, centralizedly controls every disperse lighting electrical loops and vividly displays and supervises all relative information, such as the status of on or off, alarming for unexpected problems, the current, voltage, factor of power, useful power, useless power of each electrical loops, etc. Keywords: 　　illumination control, DCS, PC+PC，iFix, EDA9033。 1． 引言 　　世界經濟結構向國際化和高增值型方向發展，信息行業和計算機產業猛增，信息時代的前進步伐將越來越快，傳統的工作經濟遭到網絡知識經濟的強有力地挑戰；智能建筑，智能小區，智能家居等飛速發展，樓宇自動化(BA)、通信自動化 (CA)、辦公自動化(OA)、家庭自動化（HA）等各種自動化系統不斷出現；人們的物質與精神生活水平迅速提高，對工作和生活追求靈活、高效和舒適，對照明的要求也越來越高。因此，傳統的照明控制技術受到了時代的強烈沖擊，國內外都不斷的把各種計算機技術、網絡通信技術、現代控制技術不斷的引入到照明控制中來。 　　只要有人在夜間活動的區域，都需要照明設備，有室內、室外照明，有辦公照明、家庭照明，有體育場館、工礦業車間廠房、道路橋梁、公園廣場、車站碼頭等等照明場所，其分布的地理范圍從幾平方米到方圓幾十公里。對于范圍較大的照明空間來說，實現照明設備的集中監控與管理變得勢在必行，目前大型的計算機控制系統有SCADA系統、DCS系統等，也有澳大利亞邦奇公司的Dynalite系統、奇勝公司的C-BUS系統等專業智能照明控制系統。本文將介紹怎樣用PC+PLC來實現照明集散控制系統。 2． 集散控制系統（DCS）及相關計算機控制系統 　　自1975年Honeywell推出第一套DCS以來，世界上有幾十家自動化公司推出了上百種的集散控制系統（DCS），在三十年的發展過程中，先后經歷了四代產品的革新改良，其集散控制的思想越來越廣泛地被廣大自動化工程技術人員所青睞，并不斷地被應用于新建、擴建和技改項目中。但傳統的DCS一般由專業廠家生產，具有一定的專有性；另外，對一般傳統的DCS來說，其控制規模比較大，成本費用比較高，因此限制了在中小規模的自控系統項目中的推廣應用。 　　目前，與DCS并存于市場上的計算機控制系統還有SCADA系統、以工業級PC機為核心構成的小型監督/控制系統（PC-Based）、PLC構成的控制系統、PC+單片機/DSP構成的控制系統、PC+PLC構成的監控系統等。這些系統在應用目標上、系統功能上、產品形態和實現方法等方面與DCS有很多共同之處，也有許多區別[1]。在具體的工程應用中，應根據工程的特點、用戶的功能需求來設計合理的方案，選擇相應的控制系統。 3． 用PC+PLC實現集散控制系統（DCS）的基本原理 　　集散控制的基本思想是集中管理，分散控制，即：將流程工業的自動控制過程與操作管理人員對自動控制過程的管理過程相對分離；流程工業的自動控制過程由各控制站相對獨立地自動完成，而操作人員對自動控制過程的管理則由中央控制室的操作站來完成。中央操作站與各現場控制站一方面各自相對獨立地運行，從而將各種故障限制在局部范圍內，極大地提高了自動控制系統總體的安全性和可靠性；另一方面又相互進行實時數據通信和信息交換，實現了操作人員在中央控制室的操作站對整個自動控制過程進行管理和調整。 　　現場控制站的主要任務是實現對生產過程的自動控制，因此它必須要能夠自動采集現場的各種工藝參數以及設備的運行狀態等生產信息，然后按照事先編好的控制程序進行大量的數值計算，最后輸出4～20ｍＡ標準模擬信號(或on/off數字信號)去驅動各種執行機構，調節各種工藝參數，實現生產過程的自動控制；另外還要與操作站進行實時通信，將采集到的各種生產信息傳送到操作站供操作人員使用，同時接收操作人員通過操作站發出的各種指令實時調整自動控制方案、優化生產過程，因此它還需要具有標準化的通信接口。目前的各種PLC均具有這樣的功能，而且其容量彈性大，擴充方便，控制方案的組態簡單易學，性能價格比優越，因此是中小型DCS的操作站的理想選擇。 　　中央控制室的操作站實際上是一個人機界面，一方面把控制站采集的各種生產信息進行加工處理，然后以操作人員所習慣和熟悉的各種流程畫面、生產報表、歷史趨勢和聲光報警等形式提供給操作人員。另一方面把操作人員的各種指令進行編碼后傳送給操作站對控制方案進行調整，以優化生產過程或對特殊情況的緊急處理。對中小型DCS來講，目前市面上比較流行的各種監控軟件均能實現這樣的功能，且對計算機的硬件和操作系統無特別要求，用普通工業PC機和一套監控軟件就可實現。 　　采用工業PC機和PLC組成集散控制系統時，PLC承擔了現場控制站的主要工作，PC機承擔了操作站和工程師站的工作。在安裝有PLC系統軟件的工業PC機上可以離線(或在線)編輯PLC的控制應用軟件，控制應用軟件下載到PLC后，PLC就可以獨立地完成現場數據采集、邏輯控制、模擬控制等工作。而操作站的各種功能都可以通過安裝在工業PC上的實時監控軟件來實現，在安裝有實時監控軟件的PC機上可以方便地對生產過程進行監控（用PC+PLC實現DCS的結構框圖如圖1所示）。 4． 漢口江灘公園照明的集散控制系統（DCS）設計 4.1 工程概況 　　武漢漢口江灘公園上起武漢客運港，下至丹水池后湖船廠,全長7公里,總面積約150萬平方米，是以防洪及綜合環境整治為主的綜合性市政工程，同時也具有城市生態綠化、觀江親水、休閑健身、文化展示等功能。該工程分三期建成，目前已經完成一、二期，共3.4公里，三期工程已經正式啟動，全線工程建成后，武漢漢口江灘公園將成為全球最大的廣場。 　　由于江灘一期工程距離較短，其照明控制系統可以在低壓配電室內就地控制；然而，江灘工程的二期長2.4公里，配電室較多，就地控制的方式變得不太現實；同時，考慮到后續的三期工程，為實現全園區的所有照明設備的集中監控與管理、提高企業的綜合管理水平變勢在必行。因此用PC+PLC組建江灘二期工程的照明的集散控制系統（DCS），實現了集中監控與管理的功能，該系統投入運行一年后，一期的照明控制與管理也成功的擴展到該系統中，同時也為三期工程的照明控制與集中管理留了充裕的擴展接口。 4.2 用PC+PLC實現江灘公園二期工程照明的集散控制系統（DCS） 4.2.1 江灘公園的通信網絡背景介紹 　　在江灘二期建設時，搭建了1000M光纖Ethernet局域網絡，該網絡為噴泉控制系統、安全監控系統、停車廠收費系統、導游標識系統等提供了可靠的網絡通信平臺。本文所介紹的照明控制系統也是以該通信網絡為平臺來完成數據通訊，二期工程共有六個10KV/0.4KV的變壓器，它們分別位于市政廣場、國賓林、友誼林、網球場、游泳池、園藝區；同時，在每個箱式變壓器的15-30米處設計了個低壓配電室，并在每個低壓配電室內配置網絡交換機，配備的PLC設備通過雙絞線連接到交換機，基于TCP/IP協議通訊（其網絡拓撲圖見圖2）。 圖2 江灘二期1000M局域網網絡拓撲圖 4.2.2 江灘公園照明配電的現場控制站設計 　　照明配電的主回路設計：通過低壓電纜，把來至箱變低壓側的380/220V市電經隔離開關和斷路器后引至開關柜的低壓銅母線，然后由低壓斷路器分成若干支路，在每個分支回路中配置普通三相交流接觸器和電流互感器，最后到單相或三相用電負載。每個配電柜共計14個三相配電回路，單個配電柜的容量約150KVA，每個分支三相回路約10KW，其配電柜的配電系統圖如圖3所示。 圖3：配電柜的配電系統圖 圖4：EDA9033接線圖 電參量檢測單元的選擇: 　　本工程選擇山東力創科技有限公司研發生產的EDA9033作為電量采集模塊，檢測配電柜的總電流和各分支回路的電流、電壓、功率因素等電參量。該模塊采用電磁隔離和光電隔離技術使得電壓輸入、電流輸入及信號輸出三方完全隔離,從而保證了測控系統的安全；基于RS-485或RS-232與其他設備通訊，采用RS-485二線制輸出接口時，具有+15kV的ESD保護功能，而采用RS-232三線制時，具有±15kV的ESD保護能力；通訊速率(bps)可在1200、2400、4800、9600、19.2k中選擇；具有雙協議通訊功能，即同時具有ASCII碼格式和十六進制格式通訊協議；指令為十六進制格式時，適合于單片機編程接口，過載能力強，可正確測量滿量程1.5倍的電壓或電流信號[2]。 　　由配電系統圖知，所有三相配電回路的電流大于EDA9033的量程（20A），在配電設計時為每個配電柜配置了15個互感器，L0為配電柜的總電流檢測互感器，其變比為250/5，L1-L14為14個分支回路的電流檢測互感器，變比為30/5；KM1-KM14為控制分支配電回路接通的三相接觸器，型號為LC1-40A 220VAC。 遠程終端單元(RTU)的選型及電路原理圖設計： 　　可編程序控制器(Programmable Logic Controller, PLC)技術經過幾十年的發展,技術相當成熟，已被廣泛應用于工業控制的各個領域。用PLC來實現中照明配電自動化的RTU功能，能夠很好地滿足RTU的特有的要求，使用PLC的離散輸入點來實現遙信、用PLC的離散輸出點來實現遙控、用PLC的模擬采樣輸入來實現遙測、用PLC的通信功能來實現和主機的通信[3]。完成這些功能，都無需額外的硬件，只需根據開關量的實際情況，對PLC進行簡單編程即可。這種基于PLC的中照明配電自動化的RTU實現方案具有以下特點：硬件結構簡單，完全免維護；規模可大可小；只需將PLC的擴展模塊連接在一起，就可以實現遙控點、遙信點、遙測點的增加；抗惡劣環境；高可靠性；編程實現各種功能，免硬件調試；費用低廉。PLC方案在具體設計時，包括以下幾個步驟: ①獲取操作點數。了解配電網的基本情況及自動化的具體要求，確定系統需要進行遙控、遙信、遙測、甚至遙調的設備，統計各處配電室需要這4種信號的具體點數。②確定通信方案。根據配電網的規模及分布情況，確定總體設計方案，主要是通信方案的設計和選擇。③PLC選型。根據各處各種操作的點數以及所確定的通信方案，選擇恰當型號的PLC來實現RTU功能。 　　本工程選擇美國GE公司的Versa Max PLC，此款PLC是GE Fanuc Automation推出的新一代控制系統，其設計新穎，通用性強，結構緊湊，模塊化設計，支持熱插拔、配置靈活，經濟實用，為自動化系統提供功能強大的系列產品。每個控制站內選擇1臺Versa Max PLC的CPU模塊，2臺32路I/O模塊（用于32路配電回路的接觸器控制與吸合狀態檢測），32臺EDA9033檢測每個配電回路的電參量，EDA9033和PLC通過RS485總線進行通訊。PLC的接線原理框圖（如圖5）所示，控制回路原理圖（如圖6）所示。 圖5： PLC的接線原理框圖 圖6： 控制回路原理圖 4.2.3 中央控制室工業PC機及監控軟件的設計： 　　根據江灘二期照明控制系統的監控對象，考慮到一期、三期的預留，在中央控制室設計兩臺工業級PC機分別作為數據庫服務器和操作監控服務器，并選用GE公司的iFix Plus Unlimited Ver3.0版本作為監控軟件。iFix工控組態軟件是一套實現現場數據采集、過程可視化及監控功能的高性能的自動化軟件，它在世界范圍內已廣泛用于生產制造、包裝、食品和飲料、石油及天然氣生產等眾多工業領域[4]。iFix組態軟件的優越性能為實現江灘公園的照明集散控制系統提供了可能。iFix 是一套提供現場數據采集，過程可視化及過程監控功能的工業自動化軟件解決方案。GE公司是全球最大的工控軟件公司之一，提供全面的工業企業解決方案，iFix是GE工業自動化軟件解決方案家族中的HMI/SCADA軟件組件，實現過程監控，并在整個企業網絡中傳遞信息，基于組件技術的Intellution Dynamics還包括了高性能的批次控制組件、軟邏輯控制組件、以及基于Internet功能組件，所有組件能無縫的集成于一體，實時綜合地反映復雜的動態生產過程。iFix軟件不僅包含大量圖形工具，使用戶能夠快速簡單地開發系統，而且iFix軟件提供了工業界最為強大的功能，包括實時過程的監視和監督控制，報警和報警管理，歷史趨勢，統計過程控制，基于用戶的安全系統，方便的系統擴展，網絡等，用戶可以在企業的所有層次位置上都很方便地獲得實時過程信息，無論是在控制室還是在會議室，都可以進行交互操作，并很快地做出有效的決策。 4.2.4 中央控制室的功能 　　中央控制室采用以上設計方案后，把整個江灘園區照明控制系統的日常操作、管理及維護的主要工作集中在控制中心站。調度系統部分的各種畫面及功能模塊按照顯示和使用的處所駐留在本地的計算機上，在網絡上流動的主要是實時生產數據和各種報警和消息。整個系統在TCP/IP協議下交換數據。2臺計算機和組成在邏輯意義上獨立的一個功能子網，其實現的功能如下： ● 可自動接受各個控制子站所采集各照明配電回路的電流、電壓、回路狀態等數據； ● 對各個控制子站進行控制模式和方案設置、遙控命令的下發等； ● 支持網絡連接，可以把數據通過網絡送到服務器SQL數據庫； ● 數據顯示，模擬圖形顯示，趨勢顯示，動態模擬圖、趨勢圖形顯示、疊加實時數據；報警產生、報警紀錄、報警確認、報警查詢。報警內容包括：照明回路的白天亮燈、晚上熄燈、電壓過壓、電流過載、供電線路停電、門開報警等故障；（分別如圖7、8、9所示） ● 按照全園區的平面圖，指示每個園區的用電設備的情況，直觀明了（如圖10所示）； ● 數據存貯，歷史數據查詢，運行記錄瀏覽； ● 運行報表、統計分析圖形打印、歷史資料打印； ● 操作員權限管理，口令設置，操作檔案記錄； ● 報警信息可通過GSM短信信息方式，發送到相關的手機上； ● 報警值的設定：設置電流、電壓等報警項的上限和下限值； ● 可以按照時間設計成不同的開啟模式，實現自動開啟/關閉的功能，以適應用戶需要，可以采用平時照明、節假日照明和重大節假日照明模式進行設置； ● 巡測周期：設置巡測間的時間間隔； ● 系統的維護功能； ● 系統校時。 圖7 電壓電流指示 圖8 歷史數據查詢 圖9 回路狀態顯示 圖10 分區電子地圖指示 4.2.5 各控制子站的功能 　　采用這種方案，形成分布式控制子站，這些位于控制子站一般位于控制現場，江灘的照明控制系統的控制子站位于各個低壓配電室內，其功能如下： ● 對現場的參數和回路狀態進行數據采集和處理，如開關狀態、電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數及回路的開關狀態。 ● 按照預定的方案進行控制，在特定時間段內對各個回路的燈進行程控，對照明燈具進行時間控制和光控。 ● 接受控制中心站的指令，進行指定或全系統回路的開關控制。 ● 能根據電壓、電流、有功功率和功率因數的變化自動進行照明回路亮燈率估算。 5． 結束語 　　用PC+PLC實現的DCS在江灘照明控制系統中投入使用近2年來，性能穩定，運行可靠，操作簡單，維護工作量很小，受到了操作和維護人員的歡迎。根據江灘園區管理工作需要，在投用一年后，把江灘一期的照明控制也納入該系統，成功的實現了擴展，待江灘三期建成后，該控制系統將監控與管理長達7公里的全園區照明控制設備運行與維護的任務，控制子站近20個，將成為一個典型的中大型的照明控制網絡。實踐證明，用PC+PLC實現的DCS配置靈活、技術先進、性能可靠、系統安全、開放性好、易于擴展、軟件組態簡單、便于自行設計和調試、性能價格比優越，系統擴展容易且維護工作量小，是企業進行技術改造和中小型生產過程首選的自控系統。 參考文獻： [1] 王常力 羅安 《分布式控制系統（DCS）設計與應用實例》電子工業出版社 2004.8 P19-P23 [2] 李敏 EDA9033三相工頻交流電參數數據采集模塊 《國外電子元器件》2003年第3期P31-P33 [3] 邱野 中低壓配電網自動化的必要性及其PLC實現方案 《廣東電力》2003年10月Vol116 No15 [4] 倪旻 工業控制組態軟件的產品對比及發展趨勢 《測控技術》2000年 第19期 P38-P40 　 作者單位：武漢理工大學自動化學院 　 地址：武漢市珞獅路122號，武漢理工大學鑒湖校區A-205信箱　430070　 Email：zoujustin@163.com