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0．引言
1969年美国数字设备公司根据美国通用汽车公司的要求，研制出世界上台可编程序控制器。初只能用于逻辑运算，故称为可编程逻辑控制器，简称为PLC（ProgrammableLogicController），随着计算机技术和电子技术的飞速发展，其功能远远超出顺序控制和逻辑控制的范畴，不仅实现了数据运算和处理能力，而且体积小，功能强，可靠性高，编程直观，适应性好，接口方便，。
近年来，随着现代化生产技术的提高，以及计算机技术、信息技术和通讯技术的相互渗透，纱线的不匀直接导致布面的不平整，这就说明在纱线生产环节极为重要。纱线不匀是影响其品质的重要指标之一。传统的纱线检测方式都是在实验室离线进行的，通过对纱线的抽样，要求一定的温湿度前提下，相对于纱线的在线检测反映出离线检测的滞后性和随机性。RS-232C串行通讯实现比较容易，常被用于自动控制、数据采集、智能仪表等上位机与外部设备的数据通讯。本文设计了VB与欧姆龙PLC-CJ1M（CPU21）之间的数据通信，在线获得纱线的检测数据，如CV值、纱线瞬时直径、平均直径、粗节大值、细节小值等等，及时反映纱线的不匀，使操作人员及时做出相应调整。
1.上位机与PLC之间通讯实现
欧姆龙PLC—CJ1M（CPU21）有两个串行通讯口，一是通过欧姆龙专用串口通讯线CS1W-CN226，其网络类型设置为Toolbus，同时将DIP4串行通讯设状态置为ON;一是通过欧姆龙九针串口通讯线XM2Z-200S-CV，其网络类型设置为SYSMACWAY，其它为默认设置，包括端口为COM1，波特率为9600。图1所示为上位机通过RS-232C端口连接到PLC的示意图，也可以称作1:1连接。
图1RS-232C端口的1:1连接
图2所示为上位机与PLC之间通讯实现过程。
图2上位机与PLC之间通讯实现过程
2.VB与PLC之间通讯协议和程序实现
2.1链接系统的通讯协议
在纱线数据通讯中，只需要在上位机系统中编写上位机通讯程序，无需在PLC中编写任何程序，PLCCPU会根据上位机发来的命令帧自动生成响应帧返回给上位机。命令帧和响应帧之间包含需要通讯的数据，只有保证正确实现命令帧和响应帧之间的应答，才能实现准确的数据交换。命令和应答有两种方式，一种是从上位机发命令到PLC，另一种方式允许PLC发命令给上位机，我们采用浅一种方式。
从上位机发送命令时的命令帧和响应帧如图3。
图3命令帧和响应帧格式
命令帧中：
@——命令开始标志，所有命令都以“@”开始;
节点号——与上位机连接的PLC，在1:1连接中默认值为00;
标题码——设置两字节的命令代码，如RD代表读PLC的DM区数据;
正文——设置命令参数
FCS——设置两字符的帧检查顺序码，用于校验，是用两位ASCII码表示的8位数据，是从“@”开始到正文结束的所有字符的ASCII码按位异或运算的结果;
结束符——表示命令的结束，用“＊”和回车符“CHR$（13）”标明。
应答帧中：
@、节点号、标题码、FCS和结束符同命令帧中的含义。
异常号——返回命令的执行状态，，是否有错误发生。
2.2通讯端口初始化
在上位机与PLC实现通讯之前，必须先在上位机VB中设置通讯控件MSComm1的相应属性，通讯口初始化程序一般放在窗体加载程序中。
PrivateSubbbbb_Load（）
MSComm1.CommPort=1‘设置Com1通讯口
MSComm1.Settings=“9600,e,7,2”‘波特率9600，e偶校验，7位数据位，2位停止位
MSComm1.PortOpen=True‘打开通讯端口
MSComm1.InBufferCoun t=0‘清空接收缓冲区
EndSub
其它设置均取通讯控件MSComm1的默认值。
2.3帧格式代码
采用基于bbbbbbs操作系统功能强大的面向对象的程序设计语言——VisualBasic，编写了上位机程序，建立了上位机与PLC之间良好的通讯协议。以读内存DM区为例：
上位机命令帧：
"@"+"00"+"FA"+"1"+"00000000"+"0101"+"82"+开始地址+读取个数+FCS+结束符
PLC应答帧：
"@"+"00"+"FA"+"1"+"00000000"+"0101"+"82"+"0000"+读取数据+FCS+结束符
其中：
FA——表示FINS命令
0101——表示连续读内存区
82——表示读内存DM区
2.4校验算法实现
为了保证通讯数据准确无误的传输，欧姆龙PLC对通讯数据以按位异或算法进行校验。代码如下，仅供参考。
OptionExplicit
FunctionFCS（ByValtemp1Asbbbbbb）Asbbbbbb
Dimslen1,i,xorresult1AsInteger‘定义变量
Dimtempfcs1Asbbbbbb
xorresult1=0
slen1=Len（temp1）‘求输入字符串的长度
Fori=1Toslen1
xorresult1=xorresult1XorAsc（Mid（temp1,i,1））‘从首字符到尾字符获取ASCII码，按位异或
Nexti
Tempfcs1=Hex$（xorresult1）‘转换为16进制
IfLen（tempfcs1）=1Then
FCS="0"&tempfcs1
Else
FCS=tempfcs1
EndIf
EndFunction
3.结束语
本文作者创新点主要通过RS-232C串口通讯，采用面向对象的可视化编程工具——VisualBasic建立上位机与欧姆龙PLC-CJ1M（CPU21）之间的数据通讯，获取纱线在线检测数据，现场实测表明能够快速准确在线测量纱线的CV值、瞬时直径、平均直径、粗节大值、细节小值等等，实时反映纱线的不匀率，对提高棉纺企业纱线质量具有重要的意义。
随着国民经济建设的快速发展，各级政府对环境保护更加关注，各地陆续新建了一大批污水处理厂。这些新建的污水处理厂根据自身特点，对控制系统的性能和价格提出了新的要求。
重庆市奉节污水处理厂采用CASS工艺对生活污水进行处理，日处理量为3万吨。其DCS系统以高性价比的PLC为控制单元，采用商用计算机为监控站。整个系统在实现生产自动化的情况下，有效降低了系统成本，从2004年投产至今运行情况良好。
1 生产工艺简介
污水处理是一种连续的生化反应过程，有氧化沟工艺、AO、SBR、CASS等众多不同的处理工艺。奉节污水处理厂所采用的污水处理工艺为新型改良CASS（Cyclic Activated Sludge System，循环式活性污泥法）工艺，属于改进型SBR工艺的一种，由格栅井、CASS池、鼓风机房、加药间、储泥池、脱水机房、接触消毒池组成。该工艺具有以下特点：
（1）可升降的滗水器大限度降低了排水水流对底部沉淀污泥扰动。
（2）抗冲击力强，对难降解有机物的去除效率高，同时具有脱氮除磷功能。
（3）工艺流程短，占地面积小，建设费用低，运转费用省。
（4）管理简单，运行可靠，出水水质好，无异味。
（5）污泥产量低，污泥性质稳定，不发生污泥膨胀。
2 DCS控制系统选型及硬件配置
2．1 DCS系统的选型
重庆市奉节口前污水处理厂为三峡库区国债项目建设的批污水处理厂，根据实际的工艺要求及建设特点，该项目对控制系统提出了如下要求：
（1）受控设备控制点数在800点内。控制工艺较为复杂，但是我们所需要的算法并不复杂，基本以时间控制和位式控制为主。
（2）控制系统须成熟可靠，便于调试和维护。
（3）考虑到会有第三方产品，网络通讯及其协议须具备开放性和标准性。
（4）测量设备和受控设备均为传统设备，基本不带现场总线通讯能力，所以输入、输出控制还是以传统的I／O点为基础。
（5）作为国债投资项目，尽可能在满足要求的前提下降低造价。
经过比较，该厂的自动化控制系统采用以PLC为基础的DCS控制系统，该系统在满足生产要求的基础上其性能和价格上取得了很好的平衡。
2．2 基于PLC的DCS系统
传统DCS是针对流程工业的仪表控制系统发展起来的，主要功能是实现连续物理量的监视与调节。PLC是针对传统的继电器控制系统而发展起来的，主要功能是实现开关量的逻辑控制。
一般来说，PLC是一种局部的控制器，但随着应用规模的扩大以及工业以太网的出现，多台PLC能够互连起来而形成的较大控制系统。与单个的PLC相比有几点重大的改变：
（1）在网络上挂接了在线的通用计算机，其作用一是实现系统组态、编程和下装，二是在线监视被控过程的状态。这样，一个具有现场控制层和协调控制层的DCS雏形就出现了。
（2）在PLC中增加了模拟量I／O接口和数值计算功能，这样，PLC就不仅可以完成逻辑控制，也可以完成模拟量监测及控制和混合控制的功能。
（3）越来越多的PLC厂家把专用的网络改成为通用的网络，这样就使PLC有条件和其它各种计算机系统和设备实现集成，以组成大型的控制系统。
上述几点改变使得PLC组成的系统具备了DCS的形态。由于PLC产品已经进入市场多年，其I／O接口、编程方法、网络通信都趋于标准化和适应开放系统的要求，同时通过扩展能够增加现场总线通讯功能。加上PLC在价格上的优势，使得PLC在分布式控制系统领域有着很重要的地位，在很多应用领域具有相当大的竞争优势。
2．3 奉节污水处理厂DCS系统配置及构成
DCS控制系统以工业以太网这种开放式的网络结构为基础，由三个下位控制站PLC0、PLC1、PLC2站，1个上位工程师站、1个上位操作员站组成。其拓扑结构如图1所示。
PLC0控制站安装在中央管理中心的大屏幕马塞克模拟显示屏内，通过以太网采集各设备的状态信号并用RS232的通讯方式与马赛克屏通讯，将生产的整个流程以及设备状态显示出来。
PLC1安装在变配电所，负责控制格栅井、污水提升泵、沉砂池、1号CASS池、2号CASS池、3号CASS池、鼓风机房、储泥池及流量井流量检测、接触消毒池的部分检测控制、配电室的部分电力参数监测。
PLC2安装于加药间。用于控制加药间的电磁阀、搅拌器、隔膜泵在内的全套加药设备。
中央管理中心的两台监控计算机采用DELL公司的OptiPlex系列台式机。OptiPlex系列台式机定位于初级服务器应用，在高性能的前提下其专门设计的钢丝屏蔽层结构以及散热系统保证了系统的高可靠性和稳定性。所采用的监控软件是基于微软的bbbbbbs 2000平台的，商用机对操作系统的兼容性比工控机略好。
该厂整个控制的系统信息交换层和控制层两层合一。采用先进的工业以太网，具有高速可靠的特点。工业以太网是以传统以太网为基础，针对工业控制的要求，改良后的一种信息及控制网，具有一网到底和降低网络造价的特点。
3 自控系统功能
3．1 监控软件
监控软件采用开物2000软件，开物2000为北京华富慧通开发的一款通用监控软件，该软件对OPC通讯方式支持较好。OPC（OLE for ProcessContro1）是基于COM（Component bbbbbb Mode1）和DCOM（Distributed Component bbbbbb Mode1）技术的面向对象软件协议。OPC为现场设备、自动控制应用软件和企业管理应用软件之间提供了开放、一致的接口规范，为来自不同供应商的软、硬件提供“即插即用”的连接。
本系统的监控软件和DCS硬件之间的通讯协议采用OPC方式，ROCKWELL的RSLINX软件为OPC SEVER端而监控软件作为OPC CLIENT读取数据，采用该方式通讯避免了监控软件对DCS系统驱动程序支持不完善的情况发生。
3．2 控制方式X
为便于操作调试和事故的紧急处理，系统控制方式分为三种：
（1）就地手动方式。即通过就地控制箱或MCC上的按扭、开关操纵设备。
（2）遥控方式。通过中央管理中心的两台计算机在手动模式下控制设备。
（3）自动方式。系统根据工况自动完成设备的启停、调节控制。
遥控和就地控制方式的切换由MCC柜或就地控制箱完成；自动方式和遥控方式的切换由两台监控计算机完成。
3．3 监控功能
两台计算机分别作为操作站和工程师站相互备用，设置于中央管理中心，对全厂工艺设备运行状况、运行参数进行集中监控，遥控现场设备。监控计算机通过集成的1000M网卡与PLC系统经工业以太网进行数据交换。
主要功能：
（1）工艺流程监控功能。系统能按工艺要求对污水处理的各环节参数及设备状态进行监视，同时根据工艺要求选择自动、顺序、定时等控制方式。
（2）报警及报警记录功能。当设备发生事故时，系统将在计算机、马赛克大屏幕、就地控制箱上进行报警指示。同时计算机将对所发生的报警内容、时间及确认时间进行记录。在计算机上还可进行语音报警。
（3）联锁保护功能。当系统检测到局部故障后启动相应的联锁保护程序。
（4）参数设定功能。可在中央管理中心的任何一台监控计算机或现场控制站的人机界面上进行报警上下限、调节参数、运行时间等参数的设定。
（5）数据记录存储功能。系统可对重要数据如工艺参数、工况、设备运行时间等进行记录储存，以备调用。
（6）操作记录功能。系统自动保存重要操作记录，如改动参数，操作设备的操作员代号、时间、内容等。
（7）实时数据曲线和历史数据曲线。对重要工艺参数可以进行实时曲线显示，并记录历史数据曲线。
（8）多级口令保护功能。在中央管理中心的任何一台监控计算机上可设定不同操作权限，只有相应操作权限的操作员，在输入正确的口令后才可访问该级画面。
（9）打印功能。可进行报表打印、曲线打印、图形打印。
4 工程效果
该工程于2003年5月份开始实施，2004年4月份设备移交厂方运行，其DCS系统运行稳定可靠无损坏情况。系统投入使用后，操作人员在中央管理中心就能够全面了解整个工厂的运行情，DCS系统对泵及滗水器等主要设备能够根据预先设定好的参数进行自动控制。整个系统只需中央管理中心操作人员就能够保证系统的正常运行，大大降低了值班员的劳动强度。该系统的投运解决了以往污水处理厂自动化程度低，所有设备均需手动操作，值班人员劳动强度大、操作易出错，出水水质不稳定、生产过程无法集中监控的问题。该厂作为三峡库区批兴建的污水处理厂，对三峡库区水质的保护起到了积极的作用。各级政府领导多次对该厂进行视察和工作指导，对该厂的生产以及工艺水平给予了良好的评价，取得了很好的社会效益和经济效益。
5 结语
PLC作为成熟的控制器其编程语言及系统结构具有统一性，便于控制系统的调试及维护。虽然PLC控制算法相对单一，但是却很好的满足了污水生产工艺的要求，在避免功能浪费的同时降低了系统造价。采用工业以太网技术，保证了通讯网络良好的兼容性和稳定性，同时实现了通讯的高速化。以PLC为基础采用工业以太网搭建的DCS控制系统，在污水处理厂的自动化控制中具有成熟可靠，既满足生产工艺要求，同时也降低了工程造价，具有很好的应用前景。
PLC是现代工业的三大支柱之一，是可靠性高、应用非常广泛的工业控制产品。在中大型模块化的PLC产品中，CPU模块（中央处理器）是PLC的中心。一些重大的工业生产线往往要求连续运行不能停顿，而可靠性再高的PLC也不能保证故障为零，因此，双CPU的冗余控制是一种满足连续生产要求、提高系统可用性的有效手段。下面以熔盐炉自控系统为实例详述双CPU冗余控制的实现方法。
一、熔盐炉自动系统综述
熔盐炉自控系统是一水硬铝管道化溶出生产线上的重要环节，控制熔盐的加热和循环，用熔盐的热量去循环加热铝矿石浆。铝矿石浆的加热至关重要，影响终产品—氧化铝的质量和产量，因此，熔盐的温度控制和循环控制非常重要。
由于熔盐炉系统在管道化工程中的重要性，同时考虑到熔盐是一种活跃的化学品，在不同的温度下有不同的形态，低温下凝固，高温下不稳定会发生化学反应，从而腐蚀管壁甚至于爆炸，所以安全、可靠、操作简便和自动化管理是系统设计的关键，因此考虑用一套双CPU冗余的PLC、两套工控机、高质量的传感器、变送器和执行机构来控制两台1200万大卡的熔盐炉、一台盐泵、一组盐阀、一个熔盐槽和其他相关设备，实现熔盐的加热和循环过程自动化、计算机操作、监控和管理的自动化控制。该系统如图1所示。
控制器PLC、工控机(包括显示器)、通讯网络和电源及关键测试点等系统中的重要部件均采用冗余结构，两套工控机和大屏幕显示器组成的两套监控操作管理台并行运行；两条冗余的ControlNet高速通讯网络同时传送数据；两套直流电源同时向控制器PLC、变送器和开关量输入模块供电，关键测试点同时设置两个传感器测试数据。
冗余设计使系统关键部件的可靠性提高了一倍，而使系统的整体可靠性大大的提高。
二、双CPU的PLC控制器
PLC控制器是系统控制的中心，采集系统的全部工况信号，实时控制相关的设备动作；同时监视生产过程参数和设备运行状态，当危险工况出现时，及时发出声光报警，当极限工况出现时，联锁保护设备，保障生产过程安全。为此，我们选择了以产品可靠性高著称的罗克韦尔自动化公司的新一代控制平台：A-B ControlLogix系列，同时考虑采用双CPU模块冗余，进一步提高系统可靠性，避免因故障出现所引起的生产停顿或安全事故。
三、两种双CPU冗余方式的比较
ControlLogix提供有两种CPU冗余解决方法，一种为纯硬件冗余，另一种为软件冗余。
硬件冗余的方法，是将两个CPU模块插在不同的两个机架上，每个机架上除了CPU模块，还要有通讯模块CNBR、热备模块SRM和两个热备模块间的连接光缆，如图2所示。
软件冗余，是将两个CPU模块插在同一个框架上，利用背板通讯，进行冗余控制，如图3所示。
从以上可以看出，纯硬件冗余的方式硬件投入较多，成本开支较大大。而软件冗余，只需增加一块CPU模块，成本增加很少，因为一般像CPU这种PLC的心脏，厂家都会配有备件，用备件来实现冗余控制，既提高了系统的可靠性和可维护性（可做到在线维护，不影响生产线运行），又不会显著增加成本开支。
单纯从可靠性方面分析，纯硬件的冗余较之软件冗余并无优势。因为增加了较多的部件、模块，这些部件和模块的故障，也会影响系统的可靠性。例如，当两个热备模块之间的连接光缆出现故障，同样会使冗余控制失效。而软件冗余，只增加了一块CPU模块，而两个CPU模块的同时故障率几乎为零。
纯硬件冗余的优点之一，就是不需要软件进行专门的编程，CPU的状态监视和控制权的转移是由两个热备模块来完成的。而软件冗余中两个CPU模块的状态监视和控制权的转移是通过软件编程解决的。因此，软件冗余编程相对比较复杂，工作量较大。
综合考虑以上因素，本熔盐炉自动系统采用软件方式实现PLC的双CPU冗余控制。两块CPU模块同时在系统中运行，一块运行于主控模式，另一块运行于热备份模式。当其中任一块CPU发生故障时另一块CPU立即监视到并发出报警，自动将正常的CPU投入主控模式。CPU的无扰动切换，使系统一直受控，确保了安全，同时，使管道化生产线一直处于正常运行的良好工况中。
四、软件实现
CPU冗余控制的软件实现编程主要从下面两方面考虑：
1、控制权的裁决和转移
两块CPU同时在线运行，一块处于主控制模式，另一块处于热备模式。拥有主控制权的CPU具有输出控制权，而热备CPU同时采集数据和保持通讯连接，但输出被禁止。
两个CPU模块互相监视对方的运行状态和通讯情况，一旦发现对方故障，立即发出报警，通过ControlNet网，传送给上位工控机，在操作管理台上显示报警。如果是主控CPU模块故障，热备CPU模块自动获得主控制权。控制权的裁决和转移的软件框图如图4所示。
2、两块CPU模块的同步控制
由于热备CPU随时准备着，一旦主CPU故障，就立即获取主控制权而成为主控CPU，因此，主CPU必须将自己的信息随时传递给热备CPU，而热备CPU必须跟踪主CPU的变化，与主CPU保持同步，这样，在两块CPU模块进行控制权的转移时，实现无扰动切换。CPU模块的同步控制程序框图如图5所示。
五、结束语
用A-B ControlLogix双CPU的PLC控制器实现的熔盐炉自动系统，已于2001年底开始成功运行于中国铝业河南分公司，运行情况良好，满足了一水硬铝管道化溶出氧化铝生产线的工艺要求。
我们的体会是，ControlLogix双CPU冗余控制的软件方式实现是一种经济、有效的方法，它成本支出不大，却能使系统的可靠性大大提高。
另外，双CPU冗余控制时，如何利用Map命令，只将具有主控制权的CPU数据通过ControlNet网传送给其他控制设备，是值得进一步研究的。
