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1、集散控制系统的发展与应用摘要：在现代工厂企业、办公大楼、商厦、酒店等环境中，中央空调系统是不可缺少的，它虽然能给人们提供一个舒适的环境，但是耗电量也相当大。因此，对中央空调系统进行节能改造，可以大幅度地节约用电，带来可观的经济效益。 空调主机、冷冻泵、冷却泵是大厦中央空调的主要组成部分，国内对空调水泵的设计选配，大多以能耗为代价采用节流调节流量，水泵的调节方法还处于比较落后的状况，造成电能找浪费。从管理角度看，目前大楼中央空调大都采用分散管理就地控制，整个系统不能统一协调，不能很好发挥整个系统协同工作的效果。本文介绍采用变频调速技术与PLC自动控制技术为核心、基于“分散控制、集中管理”思想的中
2、央空调集散控制系统。关键词：集散控制 节能 PLC 一、集散控制系统的体系结构 集散控制系统的“集”是对信息管理而言，“散”是对控制功能而言，DCS系统（Distributed Control System-DCS）既可实现分散控制，又可实现集中管理，目前层次化己成为DCS系统的特点，使之体现集中操作管理、分散控制的思想。DCS系统的层次可分成四级。 1.直接控制级(过程控制级)。在这一级上，过程控制级计算机直接与现场各类装置相连(如检测仪表、执行机构等)，对控制对象实施监测、连续控制和批量控制。同时它向上与第二层的计算机相连、接收上层的控制和管理信息，并向上传递控制装置的特性信息和采集到的实
3、时数据。过程控制级是DCS系统的基础，其主要功能包括:过程数据采集、直接数字的过程控制、设备监测与系统的测试诊断和实施安全性的措施。 2.过程管理级。此级过程管理计算机能实现综合监视生产过程主要信息、模拟化集中显示、控制回路组态和参数修改、生产过程优化处理、运行报告、趋势图显示等。还能实现单元内的整体优化，并对下层产生命令，在这一层主要的功能有优化过程控制、自适应回路控制、实时数据进行模拟画面集中监视。 3.生产管理级。此级管理计算机根据产品各部件的特点、协调各单元级的参数设定，是产品的总体的协调员。 4.经营管理级。经营管理级居于工厂自动化系统的最高一层，它管理的范围很广。把这些功能集成到软
4、件系统中，通过综合的产品计划，在各种变化条件下，综合多种多样的材料和能量调配，以达到最优解决这些问题。 二、集散控制系统的必要性 集散型计算机控制系统，实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新的控制技术，是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通讯技术和人机接口技术相互渗透、相互发展而产生的，既不同于分散的仪表控制系统，也不同于集中式计算机控制系统，它是吸收了两者的优点，并在其基础上发展起来的一门新的系统工程技术。目前，集散型计算机控制系统已在工业各领域得到成功运用。 目前，大楼中央空调大都采用分散管理就地控制，整个系统不能统一协调，不能很好发挥整个系统协同
5、工作的效果。如果采用集中控制，由于被控设备分散在大厦各个地方，中央主机到被控设备的连线较长，信号容易受到干扰产生故障，同时由于中央主机集中处理信号，如果中央主机产生故障则整个系统停止工作，可靠性较差。随着计算机技术的高速发展，采用集散型控制系统成为趋势。计算机集散控制系统就是中央主机主要进行报表处理，集中管理，被控对象由带计算机处理功能的现场控制器（主要是直接数字控制器，简称DDC）根据有关参数进行控制。各DDC和中央主机以及各DDC之间实现点对点通讯，传输数据和控制信号。集散控制系统可靠性高，当中央主机发生故障，把控制功能分散在DDC上而数据资料由中央主机集中管理的方法，加强了子系统的独立性
6、、可靠性，并减少了中央主机的工作量，整个系统的性能得到了提高。 三、集散控制系统的可行性分析 由于电力电子技术、微电子技术和控制技术的发展，20世纪90年代变频器技术有了飞跃进步。在我国市场占有量较多的富士通、西门子、三菱、ABB等公司生产的高性能变频器大多有微机接口卡选件，可以用它将微机与变频器连接在一起，通过计算机通讯，实现上位微机程序自动驱动变频器，监视其运行状态和设定/复位其功能参数。这样就可以方便的实现计算机对多台变频器集中控制，使其按照预先的工作流程，准确有序的工作。 可编程控制器（PLC）是以微处理器技术为基础，综合计算机技术和自动控制技术发展起来的一种新型工业控制器，广泛应用于
7、工业各个领域。由于采用PLC的控制系统的设备具有可靠性高，控制易于实现，系统设计灵活多样（修改方便），能在实验室内进行现场模拟调试，编程简单，易于安装，性能价格比高，有良好的抗干扰能力等特点，受到用户的欢迎。但是，PLC又无法单独构成完整的控制/管理系统，无法进行复杂的运算，无法显示各种实时图表/曲线（趋势线）和汉字，无良好的用户界面，不便于监控等缺陷，需用上位机或个人计算机（PC），分布式/分级型控制系统或PLC网络中的PC、工控机、工作站执行相应的软件来弥补。随着PLC的通信技术的发展，各PLC制造厂家纷纷开发了适合本公司的各种型号PLC与PC机通信的接口模块，PLC与PC机之间实现通信，
8、就弥补了二者功能上的不足，从而增强了控制系统的功能。 变频器和可编程控制器PLC通信功能的增强，使得中央空调变频调速的集散控制的实现成为可能。实践证明，在中央空调系统中应用变频调速技术和计算机集散控制技术，可以大幅度节约电能和提高系统的自动化程度，并使系统具有运行可靠、结构简化、维护维修方便等特点。 可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC或PC）是专为在工业环境下应用而设计的一种数字运算操作电子系统。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字量、模拟量的输入和输出，控制各种类型
9、的机械或生产过程。四、集散控制系统与PLC控制系统 PLC是微机技术与传统的继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点。 1，PLC的主要特点如下： A.用内部已定义的各种辅助继电器代替机械触点继电器，通过软件编程方式用内部逻辑关系代替实际的硬件连接导线，这些内部继电器的节点变位时间可理想化地认为等于零，因此只需考虑它的0-1状态而无需考虑传统继电器所固有的返回系数。 B.可靠性高，抗干扰能力强，适用于复杂的工业环境。 C.配套齐全，功能完善，适用性强，易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充
10、其功能。 D.易学易用，照顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制采用简单指令形式，使用户程序编制形象、直观、方便易学。 经过30多年的发展，PLC已十分成熟与完善，尤其在顺序控制、开关量逻辑运算和处理这两方面具有显著优势，而模拟量闭环控制也已非常成熟。 PLC技术自从引入我国的电力行业后就得到了广泛应用，并发展壮大。 2，PLC控制系统的设计 PLC控制系统设计包括硬件设计和软件设计。 2.1 PLC控制系统的硬件设计 硬件设计是PLC控制系统的至关重要的一个环节，这关系着PLC控制系统运行的可靠性、安全性、稳定性。主要包括输入和输出电路两部分。 PLC控制系统的输入电路
11、设计。PLC供电电源一般为AC85-240V，适应电源范围较宽，但为了抗干扰，应加装电源净化元件（如电源滤波器、1:1隔离变压器等）;隔离变压器也可以采用双隔离技术，即变压器的初、次级线圈屏蔽层与初级电气中性点接大地，次级线圈屏蔽层接PLC 输入电路的地，以减小高低频脉冲干扰。 PLC输入电路电源一般应采用DC 24V, 同时其带负载时要注意容量，并作好防短路措施，这对系统供电安全和PLC安全至关重要，因为该电源的过载或短路都将影响PLC的运行，一般选用电源的容量为输入电路功率的两倍，PLC输入电路电源支路加装适宜的熔丝，防止短路。 PLC控制系统的输出电路设计。依据生产工艺要求，各种指示灯、
12、变频器/数字直流调速器的启动停止应采用晶体管输出，它适应于高频动作，并且响应时间短;如果PLC系统输出频率为每分钟6 次以下，应首选继电器输出，采用这种方法，输出电路的设计简单，抗干扰和带负载能力强。 如果PLC输出带电磁线圈等感性负载，负载断电时会对PLC的输出造成浪涌电流的冲击，为此，对直流感性负载应在其旁边并接续流二极管，对交流感性负载应并接浪涌吸收电路，可有效保护PLC。 当PLC扫描频率为10次/min 以下时，既可以采用继电器输出方式，也可以采用PLC输出驱动中间继电器或者固态继电器（SSR），再驱动负载。 对于两个重要输出量，不仅在PLC内部互锁，建议在PLC外部也进行硬件上的互
13、锁，以加强PLC系统运行的安全性、可靠性。 对于常见的AC220V交流开关类负载，例如交流接触器、电磁阀等，应该通过DC24V微小型中间继电器驱动，避免PLC的DO接点直接驱动，尽管PLC手册标称具有AC220V交流开关类负载驱动能力。 PLC控制系统的抗干扰设计。随着工业自动化技术的日新月异的发展，晶闸管可控整流和变频调速装置使用日益广泛，这带来了交流电网的污染，也给控制系统带来了许多干扰问题，防干扰是PLC控制系统设计时必须考虑的问题。一般采用以下几种方式: 隔离：由于电网中的高频干扰主要是原副边绕组之间的分布电容耦合而成，所以建议采用1:1超隔离变压器，并将中性点经电容接地。 屏蔽：一般
14、采用金属外壳屏蔽，将PLC系统内置于金属柜之内。金属柜外壳可靠接地，能起到良好的静电、磁场屏蔽作用，防止空间辐射干扰。 布线：强电动力线路、弱电信号线分开走线，并且要有一定的间隔;模拟信号传输线采用双绞线屏蔽电缆。 2.2PLC控制系统的软件设计 在进行硬件设计的同时可以着手软件的设计工作。软件设计的主要任务是根据控制要求将工艺流程图转换为梯形图，这是PLC应用的最关键的问题，程序的编写是软件设计的具体表现。在控制工程的应用中，良好的软件设计思想是关键，优秀的软件设计便于工程技术人员理解掌握、调试系统与日常系统维护。 PLC控制系统的程序设计思想。由于生产过程控制要求的复杂程度不同，可将程序按
15、结构形式分为基本程序和模块化程序。 基本程序:既可以作为独立程序控制简单的生产工艺过程，也可以作为组合模块结构中的单元程序;依据计算机程序的设计思想，基本程序的结构方式只有三种:顺序结构、条件分支结构和循环结构。 模块化程序:把一个总的控制目标程序分成多个具有明确子任务的程序模块，分别编写和调试，最后组合成一个完成总任务的完整程序。这种方法叫做模块化程序设计。我们建议经常采用这种程序设计思想，因为各模块具有相对独立性，相互连接关系简单，程序易于调试修改。特别是用于复杂控制要求的生产过程。 PLC控制系统的程序设计要点。PLC控制系统I/O分配，依据生产流水线从前至后，I/O点数由小到大;尽可能
16、把一个系统、设备或部件的I/O信号集中编址，以利于维护。定时器、计数器要统一编号，不可重复使用同一编号，以确保PLC工作运行的可靠性。 程序中大量使用的内部继电器或者中间标志位（不是I/O位），也要统一编号，进行分配，在地址分配完成后，应列出I/O分配表和内部继电器或者中间标志位分配表，彼此有关的输出器件，如电机的正/反转等，其输出地址应连续安排，如Q2.0/Q2.1等。 五、采用集散控制的实现方法 在中央空调变频调速集散控制系统的总体框图（如图1）中，第一级为中央监控工作站(即PC机)，是集中监控、远程控制、数据处理和中央管理的中心;第二级为直接数字控制器(DDC)变频器和可编程控制器PLC，能独立完成对现场机电设备的数据采集和控制;第
