摘要：
本文讨论了用PC+PLC实现集散控制系统（DCS）的基本原理，以武汉汉口江滩公园照明控制系统为例，着重论述了用PC+PLC实现的集散控制系统（DCS）在照明控制中的应用，并介绍了该控制系统具有的强大功能。中央控制室以GE公司的iFix作为监控软件，通过采集现场PLC和EDA9033的数据信息，不仅可以控制每个照明回路，还可以形象生动的显示每个照明回路的各种信息，监视每个回路的开关状态信息、故障报警信息、电流、电压、功率因素、有功功率、无功功率等电参数信息。
1．引言
世界经济结构向国际化和高增值型方向发展，信息行业和计算机产业猛增，信息时代的前进步伐将越来越快，传统的工作经济遭到网络知识经济的强有力地挑战；智能建筑，智能小区，智能家居等飞速发展，楼宇自动化(BA)、通信自动化 (CA)、办公自动化(OA)、家庭自动化（HA）等各种自动化系统不断出现；人们的物质与精神生活水平迅速提高，对工作和生活追求灵活、高效和舒适，对照明的要求也越来越高。因此，传统的照明控制技术受到了时代的强烈冲击，国内外都不断的把各种计算机技术、网络通信技术、现代控制技术不断的引入到照明控制中来。
只要有人在夜间活动的区域，都需要照明设备，有室内、室外照明，有办公照明、家庭照明，有体育场馆、工矿业车间厂房、道路桥梁、公园广场、车站码头等等照明场所，其分布的地理范围从几平方米到方圆几十公里。对于范围较大的照明空间来说，实现照明设备的集中监控与管理变得势在必行，目前大型的计算机控制系统有SCADA系统、DCS系统等，也有澳大利亚邦奇公司的Dynalite系统、奇胜公司的C-BUS系统等专业智能照明控制系统。本文将介绍怎样用PC+PLC来实现照明集散控制系统。
2．集散控制系统（DCS）及相关计算机控制系统
自1975年Honeywell推出第一套DCS以来，世界上有几十家自动化公司推出了上百种的集散控制系统（DCS），在三十年的发展过程中，先后经历了四代产品的革新改良，其集散控制的思想越来越广泛地被广大自动化工程技术人员所青睐，并不断地被应用于新建、扩建和技改项目中。但传统的DCS一般由专业厂家生产，具有一定的专有性；另外，对一般传统的DCS来说，其控制规模比较大，成本费用比较高，因此限制了在中小规模的自控系统项目中的推广应用。
目前，与DCS并存于市场上的计算机控制系统还有SCADA系统、以工业级PC机为核心构成的小型监督/控制系统（PC-Based）、PLC构成的控制系统、PC+单片机/DSP构成的控制系统、PC+PLC构成的监控系统等。这些系统在应用目标上、系统功能上、产品形态和实现方法等方面与DCS有很多共同之处，也有许多区别[1]。在具体的工程应用中，应根据工程的特点、用户的功能需求来设计合理的方案，选择相应的控制系统。
3．用PC+PLC实现集散控制系统（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：将流程工业的自动控制过程与操作管理人员对自动控制过程的管理过程相对分离；流程工业的自动控制过程由各控制站相对独立地自动完成，而操作人员对自动控制过程的管理则由中央控制室的操作站来完成。中央操作站与各现场控制站一方面各自相对独立地运行，从而将各种故障限制在局部范围内，极大地提高了自动控制系统总体的安全性和可靠性；另一方面又相互进行实时数据通信和信息交换，实现了操作人员在中央控制室的操作站对整个自动控制过程进行管理和调整。
现场控制站的主要任务是实现对生产过程的自动控制，因此它必须要能够自动采集现场的各种工艺参数以及设备的运行状态等生产信息，然后按照事先编好的控制程序进行大量的数值计算，最后输出4～20ｍＡ标准模拟信号(或on/off数字信号)去驱动各种执行机构，调节各种工艺参数，实现生产过程的自动控制；另外还要与操作站进行实时通信，将采集到的各种生产信息传送到操作站供操作人员使用，同时接收操作人员通过操作站发出的各种指令实时调整自动控制方案、优化生产过程，因此它还需要具有标准化的通信接口。目前的各种PLC均具有这样的功能，而且其容量弹性大，扩充方便，控制方案的组态简单易学，性能价格比优越，因此是中小型DCS的操作站的理想选择。
中央控制室的操作站实际上是一个人机界面，一方面把控制站采集的各种生产信息进行加工处理，然后以操作人员所习惯和熟悉的各种流程画面、生产报表、历史趋势和声光报警等形式提供给操作人员。另一方面把操作人员的各种指令进行编码后传送给操作站对控制方案进行调整，以优化生产过程或对特殊情况的紧急处理。对中小型DCS来讲，目前市面上比较流行的各种监控软件均能实现这样的功能，且对计算机的硬件和操作系统无特别要求，用普通工业PC机和一套监控软件就可实现。
采用工业PC机和PLC组成集散控制系统时，PLC承担了现场控制站的主要工作，PC机承担了操作站和工程师站的工作。在安装有PLC系统软件的工业PC机上可以离线(或在线)编辑PLC的控制应用软件，控制应用软件下载到PLC后，PLC就可以独立地完成现场数据采集、逻辑控制、模拟控制等工作。而操作站的各种功能都可以通过安装在工业PC上的实时监控软件来实现，在安装有实时监控软件的PC机上可以方便地对生产过程进行监控（用PC+PLC实现DCS的结构框图如图1所示）。
图1 用PC+PLC实现DCS的结构框图
4．汉口江滩公园照明的集散控制系统（DCS）设计
4.1 工程概况
武汉汉口江滩公园上起武汉客运港，下至丹水池后湖船厂,全长7公里,总面积约150万平方米，是以防洪及综合环境整治为主的综合性市政工程，同时也具有城市生态绿化、观江亲水、休闲健身、文化展示等功能。该工程分三期建成，目前已经完成一、二期，共3.4公里，三期工程已经正式启动，全线工程建成后，武汉汉口江滩公园将成为全球最大的广场。
由于江滩一期工程距离较短，其照明控制系统可以在低压配电室内就地控制；然而，江滩工程的二期长2.4公里，配电室较多，就地控制的方式变得不太现实；同时，考虑到后续的三期工程，为实现全园区的所有照明设备的集中监控与管理、提高企业的综合管理水平变势在必行。因此用PC+PLC组建江滩二期工程的照明的集散控制系统（DCS），实现了集中监控与管理的功能，该系统投入运行一年后，一期的照明控制与管理也成功的扩展到该系统中，同时也为三期工程的照明控制与集中管理留了充裕的扩展接口。
4.2 用PC+PLC实现江滩公园二期工程照明的集散控制系统（DCS）
4.2.1 江滩公园的通信网络背景介绍
在江滩二期建设时，搭建了1000M光纤Ethernet局域网络，该网络为喷泉控制系统、安全监控系统、停车厂收费系统、导游标识系统等提供了可靠的网络通信平台。本文所介绍的照明控制系统也是以该通信网络为平台来完成数据通讯，二期工程共有六个10KV/0.4KV的变压器，它们分别位于市政广场、国宾林、友谊林、网球场、游泳池、园艺区；同时，在每个箱式变压器的15-30米处设计了个低压配电室，并在每个低压配电室内配置网络交换机，配备的PLC设备通过双绞线连接到交换机，基于TCP/IP协议通讯（其网络拓扑图见图2）。
图2 江滩二期1000M局域网网络拓扑图
4.2.2 江滩公园照明配电的现场控制站设计
照明配电的主回路设计：通过低压电缆，把来至箱变低压侧的380/220V市电经隔离开关和断路器后引至开关柜的低压铜母线，然后由低压断路器分成若干支路，在每个分支回路中配置普通三相交流接触器和电流互感器，最后到单相或三相用电负载。每个配电柜共计14个三相配电回路，单个配电柜的容量约150KVA，每个分支三相回路约10KW，其配电柜的配电系统图如图3所示。
图3：配电柜的配电系统图
图4：EDA9033接线图
电参量检测单元的选择:
本工程选择山东力创科技有限公司研发生产的EDA9033作为电量采集模块，检测配电柜的总电流和各分支回路的电流、电压、功率因素等电参量。该模块采用电磁隔离和光电隔离技术使得电压输入、电流输入及信号输出三方完全隔离,从而保证了测控系统的安全；基于RS-485或RS-232与其他设备通讯，采用RS-485二线制输出接口时，具有+15kV的ESD保护功能，而采用RS-232三线制时，具有±15kV的ESD保护能力；通讯速率(bps)可在1200、2400、4800、9600、19.2k中选择；具有双协议通讯功能，即同时具有ASCII码格式和十六进制格式通讯协议；指令为十六进制格式时，适合于单片机编程接口，过载能力强，可正确测量满量程1.5倍的电压或电流信号[2]。
由配电系统图知，所有三相配电回路的电流大于EDA9033的量程（20A），在配电设计时为每个配电柜配置了15个互感器，L0为配电柜的总电流检测互感器，其变比为250/5，L1-L14为14个分支回路的电流检测互感器，变比为30/5；KM1-KM14为控制分支配电回路接通的三相接触器，型号为LC1-40A 220VAC。
远程终端单元(RTU)的选型及电路原理图设计：
可编程序控制器(Programmable Logic Controller, PLC)技术经过几十年的发展,技术相当成熟，已被广泛应用于工业控制的各个领域。用PLC来实现中照明配电自动化的RTU功能，能够很好地满足RTU的特有的要求，使用PLC的离散输入点来实现遥信、用PLC的离散输出点来实现遥控、用PLC的模拟采样输入来实现遥测、用PLC的通信功能来实现和主机的通信[3]。完成这些功能，都无需额外的硬件，只需根据开关量的实际情况，对PLC进行简单编程即可。这种基于PLC的中照明配电自动化的RTU实现方案具有以下特点：硬件结构简单，完全免维护；规模可大可小；只需将PLC的扩展模块连接在一起，就可以实现遥控点、遥信点、遥测点的增加；抗恶劣环境；高可靠性；编程实现各种功能，免硬件调试；费用低廉。PLC方案在具体设计时，包括以下几个步骤:
①获取操作点数。了解配电网的基本情况及自动化的具体要求，确定系统需要进行遥控、遥信、遥测、甚至遥调的设备，统计各处配电室需要这4种信号的具体点数。
②确定通信方案。根据配电网的规模及分布情况，确定总体设计方案，主要是通信方案的设计和选择。
③PLC选型。根据各处各种操作的点数以及所确定的通信方案，选择恰当型号的PLC来实现RTU功能。
本工程选择美国GE公司的Versa Max PLC，此款PLC是GE Fanuc Automation推出的新一代控制系统，其设计新颖，通用性强，结构紧凑，模块化设计，支持热插拔、配置灵活，经济实用，为自动化系统提供功能强大的系列产品。每个控制站内选择1台Versa Max PLC的CPU模块，2台32路I/O模块（用于32路配电回路的接触器控制与吸合状态检测），32台EDA9033检测每个配电回路的电参量，EDA9033和PLC通过RS485总线进行通讯。PLC的接线原理框图（如图5）所示，控制回路原理图（如图6）所示。
图5： PLC的接线原理框图
图6： 控制回路原理图
4.2.3 中央控制室工业PC机及监控软件的设计：
根据江滩二期照明控制系统的监控对象，考虑到一期、三期的预留，在中央控制室设计两台工业级PC机分别作为数据库服务器和操作监控服务器，并选用GE公司的iFix Plus Unlimited Ver3.0版本作为监控软件。iFix工控组态软件是一套实现现场数据采集、过程可视化及监控功能的高性能的自动化软件，它在世界范围内已广泛用于生产制造、包装、食品和饮料、石油及天然气生产等众多工业领域[4]。iFix组态软件的优越性能为实现江滩公园的照明集散控制系统提供了可能。iFix 是一套提供现场数据采集，过程可视化及过程监控功能的工业自动化软件解决方案。GE公司是全球最大的工控软件公司之一，提供全面的工业企业解决方案，iFix是GE工业自动化软件解决方案家族中的HMI/SCADA软件组件，实现过程监控，并在整个企业网络中传递信息，基于组件技术的Intellution Dynamics还包括了高性能的批次控制组件、软逻辑控制组件、以及基于Internet功能组件，所有组件能无缝的集成于一体，实时综合地反映复杂的动态生产过程。iFix软件不仅包含大量图形工具，使用户能够快速简单地开发系统，而且iFix软件提供了工业界最为强大的功能，包括实时过程的监视和监督控制，报警和报警管理，历史趋势，统计过程控制，基于用户的安全系统，方便的系统扩展，网络等，用户可以在企业的所有层次位置上都很方便地获得实时过程信息，无论是在控制室还是在会议室，都可以进行交互操作，并很快地做出有效的决策。
4.2.4 中央控制室的功能
中央控制室采用以上设计方案后，把整个江滩园区照明控制系统的日常操作、管理及维护的主要工作集中在控制中心站。调度系统部分的各种画面及功能模块按照显示和使用的处所驻留在本地的计算机上，在网络上流动的主要是实时生产数据和各种报警和消息。整个系统在TCP/IP协议下交换数据。2台计算机和组成在逻辑意义上独立的一个功能子网，其实现的功能如下：
● 可自动接受各个控制子站所采集各照明配电回路的电流、电压、回路状态等数据；
● 对各个控制子站进行控制模式和方案设置、遥控命令的下发等；
● 支持网络连接，可以把数据通过网络送到服务器SQL数据库；
● 数据显示，模拟图形显示，趋势显示，动态模拟图、趋势图形显示、叠加实时数据；报警产生、报警纪录、报警确认、报警查询。报警内容包括：照明回路的白天亮灯、晚上熄灯、电压过压、电流过载、供电线路停电、门开报警等故障；（分别如图7、8、9所示）
● 按照全园区的平面图，指示每个园区的用电设备的情况，直观明了（如图10所示）；
● 数据存贮，历史数据查询，运行记录浏览；
● 运行报表、统计分析图形打印、历史资料打印；
● 操作员权限管理，口令设置，操作档案记录；
● 报警信息可通过GSM短信信息方式，发送到相关的手机上；
● 报警值的设定：设置电流、电压等报警项的上限和下限值；
● 可以按照时间设计成不同的开启模式，实现自动开启/关闭的功能，以适应用户需要，可以采用平时照明、节假日照明和重大节假日照明模式进行设置；
● 巡测周期：设置巡测间的时间间隔；
● 系统的维护功能；
● 系统校时。
图7 电压电流指示
图8 历史数据查询
图9 回路状态显示
图10 分区电子地图指示
4.2.5 各控制子站的功能
采用这种方案，形成分布式控制子站，这些位于控制子站一般位于控制现场，江滩的照明控制系统的控制子站位于各个低压配电室内，其功能如下：
● 对现场的参数和回路状态进行数据采集和处理，如开关状态、电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数及回路的开关状态。
● 按照预定的方案进行控制，在特定时间段内对各个回路的灯进行程控，对照明灯具进行时间控制和光控。
● 接受控制中心站的指令，进行指定或全系统回路的开关控制。
● 能根据电压、电流、有功功率和功率因数的变化自动进行照明回路亮灯率估算。
5．结束语
用PC+PLC实现的DCS在江滩照明控制系统中投入使用近2年来，性能稳定，运行可靠，操作简单，维护工作量很小，受到了操作和维护人员的欢迎。根据江滩园区管理工作需要，在投用一年后，把江滩一期的照明控制也纳入该系统，成功的实现了扩展，待江滩三期建成后，该控制系统将监控与管理长达7公里的全园区照明控制设备运行与维护的任务，控制子站近20个，将成为一个典型的中大型的照明控制网络。实践证明，用PC+PLC实现的DCS配置灵活、技术先进、性能可靠、系统安全、开放性好、易于扩展、软件组态简单、便于自行设计和调试、性能价格比优越，系统扩展容易且维护工作量小，是企业进行技术改造和中小型生产过程首选的自控系统。
参考文献：
[1] 王常力 罗安 《分布式控制系统（DCS）设计与应用实例》电子工业出版社 2004.8 P19-P23
[2] 李敏 EDA9033三相工频交流电参数数据采集模块 《国外电子元器件》2003年第3期P31-P33
[3] 邱野 中低压配电网自动化的必要性及其PLC实现方案 《广东电力》2003年10月Vol116 No15
[4] 倪旻 工业控制组态软件的产品对比及发展趋势 《测控技术》2000年 第19期 P38-P40
