| ACN-801DCS用于流量恒定控制 |
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| 2000-12-20 |
0 引言
ACN-801系统是深圳市建恒工业自控系统有限公司为包钢稀土高科股份有限公司单一稀土分离线工程开发的1套DCS。该系统是以多个微处理器（SIEMENS S7-200 PLC CPU214&CPU216）及数据通信技术(RS485串行通信)为硬件平台的集散控制系统。它综合了数据采集、实时控制、通信和计算机技术，构成横向分散、纵向分层的体系结构，实现了信息监视和管理集中化而控制分散化的目的。特别是数据通信网络技术的应用，将各个分散的装置有机地、有规则地连在一起，使整个系统的信息沟通起来，构成一个信息可以通畅交流的局域网络LAN。
1 系统组成
ACN-801系统组成见图1。
图1 ACN-801系统组成框图
ACN-801系统主要用于恒流控制，即保证各个管线中介质的流量稳定在设定值。根据工艺要求，该系统共有80个“流量数据采样/控制点”（即FAC）。在每一个FAC点上都有一个控制单元，它由下列4部分组成：（1）流量计（美国SEAMETRIC公司转子流量计）；（2）执行机构（日本IWAKI磁力离心泵或德国ALLDOS计量泵）；（3）恒流控制单元（德国SIEMENS S7-200 CPU214 PLC）；（4）二次显示表（SPD644）。
从工艺上考虑，相关的每8个FAC点控制部分组成一个一级网络；每个一级网络都有1台中间数据站（SIEMENS S7-200 CPU216 PLC）作为此级网络服务器，负责该网络内的数据管理和组织。每个一级网络的拓扑结构是星形。共有10个由中间数据站构成的一级网络。
为了保证各个中间数据站在网络中“地位”平等并且能够与上位PC机进行稳定的数据通信，在中间数据站与PC机之间增设1台上级数据站（SIEMENS S7-200 CPU216 PLC），构成PC机与10个中间数据站通信的桥梁，这10个中间数据站、一个上级数据站与一台PC机又组成一个二级网络。二级网络的拓扑结构是工作站之间通过RS485串行连接。
一级网络和二级网络都是由标准的RS485串行通信组成的。
2 系统功能
ACN-801系统采用横向分散、纵向分层的体系结构。从纵向的物理构成上划分，该系统可分为4层，见图1。
2.1 计算机和上级数据站层
通过RS485/RS232通信，保持与各中间数据站的数据交换；集中监视各个FAC的各个数据及状态；数据的显示既有文本方式也有图形曲线方式；可以设置和修改各个控制单元的工作数据，控制各个控制单元的工作；查询历史数据；用户可以自己设定打印数据的方式（定时自动打印或手动打印），打印内容也可以由用户自行选择。
2.2 中间数据站层
以循环变量查询方式访问与其相联网的各个恒流控制单元中的状态和数据；以循环上报方式向上级数据站发送数据，使上级数据站中的数据始终保持最近值，以备PC机读写。
2.3 恒流控制单元层（含二次显示表SPD644）
每个恒流控制单元实时采集用于在线测量管线内介质流量的流量传感器的脉冲信号，进行瞬时/累积流量和PID控制算法的计算（根据管线内介质流量设定值进行离散信号比例积分控制），输出标准的0-10V模拟量或开关量信号，通过变频调速器（SIEMENS MASTER系列）控制执行机构（磁力驱动离心泵或计量泵）或直接用开关量信号控制执行机构（计量泵）。这样通过闭环反馈回路达到管线中介质流量恒定的控制要求。
恒流控制单元与二次显示表SPD644通过I2C串行通信保持联系，用户可以在SPD644的面板上根据流量测量的工艺要求设置相关参数，如流量设定值、K系数、P参数、I参数、流量上限报警（Hi）、流量下限报警（Lo）和手动/自动控制方式；在SPD644的面板上显示累积流量T、瞬时流量R的数值，比例度以及其它可修改的参数。
恒流控制单元通过RS485串行通信网络将各个数值输送到上位机（即中间数据站）。
恒流控制单元按控制功能要求划分为3种工作方式：
第1种方式 控制IWAKI磁力驱动离心泵的恒流控制单元，控制方式采用对交流电机的变频调速，系统组成见图2。
图2 控制磁力泵的恒流控制单元工作原理图
恒流控制单元通过如下所述的闭环步骤实现控制过程。（1）恒流控制单元采集管线上流量计的信号；（2）根据流量设定值，进行PID计算；（3）将计算结果以频率形式输出，再经过F/V转换，以0-10V的模拟量信号输出给变频调速器；（4）变频调速器根据该模拟量信号来改变磁力泵电源的频率，使磁力泵电机转速改变；（5）通过管线上流量计反映出流量的变化。
第2种方式 控制较大流量的ALLDOS计量泵的恒量控制单元，采用对计量泵的电机变频调速的方法，其系统组成与图2类似（图略）。
闭环控制步骤如下：（1）恒流控制单元采集管线上流量计的信号；（2）根据流量设定值，进行PID计算；（3）将计算结果以频率形式输出，再经过F/V转换，以0-10V的模拟量信号输出给变频调速器；（4）变频调速器根据模拟量信号来改变计量泵电源的频率，进而改变计量泵电机转速，改变计量泵内旋进螺杆的往复运动的频率；（5）通过管线上流量计反映出流量的变化。
第3种方式 控制较小流量ALLDOS计量泵的恒流控制单元，其控制方式是PLC输出的开关量信号控制计量泵内螺杆的启/停，系统组成见图3。
图3 控制计量泵的恒流控制单元工作原理图
闭环控制步骤是：（1）恒流控制单元采集管线上流量计的信号；（2）根据流量设定值，进行PI计算；（3）输出控制计量泵启/停的频率信号；（4）控制较小流量计量泵的启/停；（5）通过管线上流量计反映出流量的变化。
2.4 控制执行机构（磁力驱动离心泵或计量泵）和在线流量计层
恒流控制单元向控制执行机构（磁力驱动离心泵或计量泵）输出变频电源或控制开关量信号，控制磁力离心泵电机的转速或计量泵进给螺杆的往复运动的频率，达到控制管线内介质流量的目的。
在线流量计用于在线地对管线内介质体积流量进行实时测量。流量计使用美国SEAMETRIC的SeaFlow产品。
由于在稀土处理工艺中，介质的酸碱腐蚀很严重，因此，凡是与介质接触的部件（如流量计、磁力驱动离心泵或计量泵）要求是PVC或PTFE材料。
3 系统网络的几点说明
本系统网络的硬件平台是以SIEMENS PLC CPU214&216和RS485/232为主。网络通信采用SIEMENS PLC的自由口通信方式，网络通信的软件协议由软件设计人员根据SIEMENS PLC通信要求来编写的。
在系统通信的2个网络中，中间数据站与其下面的各恒流控制单元是基于RS485以变量查询的“主-从”方式进行串行通信；上级数据站与各中间数据站是基于RS485以循环上报的“主-从”方式进行串行通信。系统使用“主-从”通信方式主要是受SIEMENS PLC的自由口通信的限制，但这一点丝毫不会降低系统的通信速度。
系统冗余的概念在以前的DCS倍受推崇，不过，在许多具体的实际应用中，过多的系统软硬件冗余处理不仅增加系统运行和数据传输的负担，而且提高系统成本。在ACN-801系统的硬件上没有过多地考虑冗余问题，主要原因是：1）各恒流控制单元是可以不受其它单元影响而独立工作的；2）由于系统中许多单元的功能及配置是完全一样的，因此，可通过准备少量控制器备件的方式来解决系统冗余问题，这样，既操作简便又降低成本。
4 结论
ACN-80 I系统已于1999年3月起在包头稀土高科公司3000t稀土分离线生产现场投入运行。经几个月的现场检验，整个系统运行稳定、安全、可靠；仪表参数的采集和显示的准确率达99.6%；PC机画面显示美观、全面；控制框图通俗易懂、系统流程图立体形象；功能完善、操作简便、易掌握，极大地减轻了检修、操作和维护的劳动强度，减少了误操作和人为事故。ACN-80 I系统的成功运行说明：国产DCS的性能价格比、备品备件及技术支持工作更加适合中国国情，容易为中国用户接受。 |
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