6ES7368-3BC51-0AA0技术参数

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 我国DCS发展较晚，大约在20世纪80年代末才开始逐步普及，近几年，DCS技术已逐渐成熟。在中国的DCS市场，随着本土厂商的崛起，产品研发投入不断提高，加上日益成熟的市场，促使本土厂商进入高端系统的竞争领域。伴随中国国力的提高，国家政府也更加重视，在国产重大装备上实现本土化。

    DCS和传统自动化产品不同，主要业务就是“卖服务”。项目服务和售后或运营服务占总营业额的一半以上。2010年项目服务保持持续平稳上行的趋势，尤其是在发电、上游油气、水处理、生物加工及可再生能源等领域。DCS生命周期服务的概念也逐步被广大用户所接受，在新建项目市场缩水的，服务市场的拓展变得尤为重要。

    2010年，DCS市场的整体表现优于离散自动化，但在复苏速度上滞后于离散自动化。虽然市场并没有呈现出更为强劲的增长，但有逐步转好的迹象。在过程自动化领域，大部分公司相当接近或小幅超过2009年的业绩。目前，DCS市场现状是，已装机业务比项目型业务能带来更稳健回报；在新项目被延迟或取消的同时，供应商已经消化了大量的项目存单。2011年上半年，DCS增长有望加速，但难以接近衰退前同等的水平。

图: 2008-2012年DCS市场增长

    受金融危机，落后产能等诸多因素影响，DCS的主要应用领域（如石化、化工、电力、冶金等行业）都受到了不同的影响，未来发展趋势将会逐步向全工业范围（如市政、食品、建材、环保、交通等）扩展。在“十二五”规划中，新能源、节能环保都被提及到，国家也在制定相应的行业规划，纵观整个行业市场，后危机时代DCS未来走向，在以下几个行业将会有很大发展机遇。

    核电作为清洁能源发电，倍受政府关注。根据正在制定中的中国核电发展民用工业规划，到2020年中国电力总装机容量预计为9亿千瓦时，核电的比重将占电力总容量的4%，即是中国核电在2020年时将为3600-4000万千瓦。也就是说，到2020年中国将建成40座相当于大亚湾那样的百万千瓦级的核电站。在这一轮的核电建设大潮中，国家明确表示，鼓励核电站设备的国产化，作为核电厂“神经系统”的DCS控制技术，在未来将有大展拳脚的机会了。这对本土DCS厂商将是一个绝好发展机遇。

    节能减排是“十二五”规划的重点，电力企业响应国家节能减排号召，通过深入开展节能评价，实施供热改造、通流改造、凝汽器改造、小油枪改造和疏水回收等节能项目。积极落实各项环保措施，加强环保技术监督和设备管理维护，安装烟气排放连续监测系统进行跟踪，有效控制了污染物排放指标。加快对火电机组“上大压小”、集中供热改造，对小火电机组关停。因此未来将会有大量的国内企业要采用先进的DCS来改造传统产业，这将是国内DCS厂商抓住机遇向上发展的一个便捷途径。

    市政方面，从2002年开始，国家政府开始鼓励民间资本进入市政领域。由于市政公用事业投资收益稳定，因此污水处理、垃圾处理、城市供水、供气、市政园林绿化等领域受到了民间资本的青睐。目前在内需缩水、出口不利的大环境下，投资在市政行业是一个不错的选择。和发达国家相比，中国的市政配套设施的建设远还不够完善。因此民间资本投入也在一定程度上缓解了国家的压力。同时也改善了人民生活水平。各地政府积极支持这种类型的投资。

    在上述行业里，这些机遇对于DCS企业来讲是机遇也是挑战。这些市场在DCS企业眼中，早已不陌生，但这些市场的空间毕竟有限。未来DCS企业将会面临很大的压力和挑战。

    经过接近10年的高速发展期，国产DCS的市场占有率进一步提高，DCS供应商之间竞争加剧。国内DCS厂家的经营规模进一步扩大，实力进一步增强。与国外DCS巨头相比，国内厂家的经营规模还有待提高，系统的功能性还需要进一步提升，特别是成套系统供货能力、整体解决方案（Total Solution）提供能力、高可靠性、高安全性控制系统的设计制造能力和新产品、新技术的创新能力等方面，还需要大幅度的提高。

    近年来，国外品牌厂商海外进口卡件价格控制严格造成的成本压力，DCS项目利润水平逐年降低，厂商在中国本土的业务部门的利润获取的压力也越来越大，但是从目前的中国市场来看，DCS卡件的本土化生产程度远远低于PLC，国外厂商将卡件的利润紧紧握在手里，这也成为目前中国的业务部门面临的为头疼的问题：一方面要在国内运营、养人头；另一方面还要维持业绩增长和利润水平，这已经成为国外厂商在国内发展一个大的瓶颈。

    随着国内环保经济的发展，低碳已经成为“十二五规划”中的主题。根据“十二五规划”，我国将大力扶持和发展七大战略性行业（新能源、节能环保、新能源汽车、新材料、生物、高端装备制造、新一代信息技术），各行业的规划也呼之欲出，DCS技术面临转折关头，国内DSC企业必须考虑业务模块、未来发展重心等战略问题，产业升级已经迫在眉睫。2011年，将是国内DCS企业机遇与挑战并存的一年！

引言

    硫化是轮胎生产中的一道关键工序，其生产设备硫化机的控制对提高轮胎的硫化质量，保证设备的连续运转，提高生产效率具有极其重要的意义。同时硫化工序的软件系统负责将MES 设定的工艺条件和生产指令下达，将生产反馈信息上传。

    在轮胎企业，早期硫化罐的控制方式主要是手动操作，操作人员主要靠经验进行生产，对硫化罐内、外腔的蒸汽压力和温度缺乏定量控制，对液压站、蒸汽管路的压力、温度缺乏甚至没有相应的监控管理。一些硫化机采用三菱或者欧姆龙的PLC进行过程控制，没有配备上位机系统，设备在更换轮胎规格时修改PLC 中的工艺参数比较麻烦，需要在现场用编程器直接对下位机程序中的数据区进行更改，可操作性差。近几年生产的硫化机大都配备上位机软件进行生产管理，但由于缺乏网络化，形成了一个个自动化孤岛，管理人员在查询生产信息时需要到现场进行数据拷贝，而且不能对设备进行远程监控，无法将采集到的数据及时上传给ERP 管理层。

    因此，在轮胎硫化工序的生产管理迫切需要一种全新的系统来填补空白。本文提出的硫化工序软件系统模型实现后能够实时的将设备信息、生产信息通过车间以太网传输到管理者的PC 中，为PKS（过程知识系统）、MES（制造执行系统）和企业ERP 的建立和实施提供手数据支持。

1 硫化工序软件系统模型的形式和特点

    在轮胎生产中，MES 系统需要对硫化设备状况和生产情况进行监控，而硫化机则需要从MES层获取生产计划和生产工艺，这样出现了信息的互换和关联。硫化工序软件系统位于MES 层和PCS层之间，实现了硫化上位系统和MES 之间信息的相互关联和交互，消除了两者之间存在的信息脱节情况。图1 描述了硫化软件系统（**系统）和MES、硫化机上位系统之间的关联关系。

图1 硫化软件系统和MES、硫化机之间的信息交互

    硫化工序软件系统主要有如下特点：

    a.实时对蒸汽管路的压力、温度，硫化设备的各个关键作用部位的蒸汽压力、温度进行监控和记录，并将生产过程数据与生产批次进行自动绑定，以便后期查询和质量追溯。

    b.实时对硫化设备的运转情况进行监控，并同时对单个或多个硫化设备进行现场控制和I/O 信号监测。

    c.实现生产计划和工艺配方的嵌入式管理，规范生产过程，确保工艺条件的正确执行。

    d.提供生产过程数据的查询、统计、分析，提供报表打印等功能，实现自动控制和生产管理一体化，并为MES 提供接口，实现轮胎生命周期管理。

    e.根据等效硫化理论和模糊控制理论，动态调整硫化过程，以达到提高硫化质量的目的。

    图2 列出了硫化工序软件系统的功能模型。

图2 硫化工序软件系统功能模型

    根据现场生产条件的不同，轮胎硫化工序软件系统在具体实施时有以下几种形式：

1.1 硫化罐集**制

    对硫化罐的简易操作系统进行改造，在蒸汽主管路和硫化罐的内、外腔增设压力、温度数字传感器，数台硫化罐为一组将现场信息接入PLC 输入模块中。以一台工控机为核心，上位机通过串行通信将工艺配方等控制信息写入PLC中，同时从PLC中读取现场信息，通过车间以太网对外发布，完成对现场生产的实时监控。上位机可以读取的数据进行处理后，按照生产批次或其他规则进行存储，形成各种报表。

    硫化罐集**制的特点是：系统自动化程度显著提高，对生产过程可以全面的监控，提高了生产效率，节约了能源。

1.2 早期硫化机集**制

    早期硫化机在进行集**制时，比较关键的是对圆盘记录仪等模拟量采集部件的改造。在实施集**制时，需要选取适当型号的数字仪表以实现模拟信号转换到数字信号，然后输入到PLC 中。但在实际操作中，可能存在系统PLC 型号陈旧，数字信息号无法顺利接入的情况。需要选取支持标准通讯协议的仪表（如modbus 协议），以便组成现场总线网络，通过多串口卡直接与PC 进行通讯。

    早期硫化机集**制的特点是：通过实施现场上位系统，加强了生产工艺和计划的控制，解决了传统硫化生产中纸质数据无法长期、方便保存的问题，实现了方便、灵活的查询和统计。

    图3 给出了硫化工序软件系统的硬件结构模型。

图3 硫化软件系统的硬件拓扑图

1.3 目前硫化机集**制

    目前硫化机集**制的一个突出问题是对现场安装的工控机如何处理，基于工控机的控制软件和上位软件是随设备一起安装的，已初步实现了简单的过程控制。集**制的硬件信号可以直接从PLC 中提取，不需要进行额外的改造。一种方案是绕开随机装备的软硬件环境，采用早期硫化机的集**制方案，这样可以保证现场生产的持续、稳定进行，而且也达到了自动化孤岛联网的目的，但是需要进行PLC 组网的硬件布线和软件开发工作；另一种方案对随机的控制系统和上位机进行解读，在不影响设备运行的前提下，重新开发一套上位机来实现联网的功能，这需要进行车间以太网的布线工作。两种方案各有优缺点，需根据实际情况加以选择。

    在这个阶段的硫化机集**制应该加强软件功能，除了必需的实时监控，计划管理，工艺配方管理，报表处理功能外，应着重实现远程实时监控，等效硫化控制和历史数据库的线性压缩功能。现场上位机系统应提供OPC Server 的功能，以便提供与MES 或者第三方软件工具的标准接口，减少二次开发的工作量。

2 硫化工序软件系统模型的关键技术

2.1 PLC 组网通信技术

    硫化机的控制系统属于小型控制系统，I/O 点不是很多，故设备生产厂家大都选择三菱或者欧姆龙小型PLC，这两种PLC 的上位机读取方式都比较简单。开发人员只需按照手册上提供的上位机连接指令，通过API 函数将组合好的指令串发送到与硬件连接的端口，然后读取缓冲区中的数据就完成了一次读写。三菱和欧姆龙PLC 都支持485 总线组网技术，有相应的参数可以设置总线地址，上位机可以利用该参数对数个PLC 进行互斥读写操作。

    图4 以三菱Q 系列PLC 为例，给出了其站号设置。

图4 三菱Q 系列PLC 站号设置

2.2 OPC 技术

    OPC 规范是由OPC 基金会制定的一个工业通信标准，它规范了自动化软件与工业现场设备之间的数据接口。

    在硫化软件系统中集成OPC Server 可以方便的进行远程控制，无需为网络数据传送开发相应的程序，在客户端只需按照OPC 协议读取需要的信息即可。实现OPC Server 可以通过以下方式：

    a.利用一些软件厂商提供的OPC 开发工具包，可以方便的实现服务端的建立和客户端的连接。

    b. 利用一些自动化厂商开发的独立OPC Server，可与多种硬件设备进行通讯，只需稍作配置就可以独立运行了， 如ROCKWELL 的Kepserver 等。

2.3 数据压缩技术

    轮胎硫化时，蒸汽压力、温度，硫化模具内外的压力、温度需要进行实时监控，这些数据都是需要保存的，为以后的质量追溯提供依据。随着生产进行，需要存储的数据量将是海量的，这就需要进行数据压缩。实际在轮胎硫化的中间阶段，如果蒸汽管路没有异常情况出现，模具内的压力、温度是稳定在一定水平上的，为了数据压缩提供了有利条件。

    一些自动化厂商推出的面向生产过程的软件包大都提供了历史数据库的功能，内部已经嵌入了线性数据压缩的功能。GE，Siemens，ROCKWELL等在其MES 解决方案中都有提到过提供历史数据库的压缩功能。

3 软件系统模型应用情况

    轮胎制造企业实施轮胎硫化软件系统后，可实现对硫化机台的远程实时监控和生产计划与工艺的远程下达，并且可以通过系统的综合查询功能查询历史记录中的生产信息。图5 该系统运行时的监控页面，用户可以通过对应的人机界面监视设备当前状态信息、工艺参数的变化趋势以及实时报警信息等。

图5 硫化工序软件系统运行界面

    某大型轮胎厂的硫化工序应用了该软件系统模型后取得了以下效果：

    a.通过轮胎条码扫描验证，硫化工艺配方控制，设备报警等功能使轮胎合格率至少提高0.1%左右。

    b.硫化配方切换下达时间缩短10 分钟，设备故障维修等待缩短50%，提高了设备有效运转率，每锅轮胎装胎时间缩短约10 秒钟。

    c.现场生产管理的软件化，使得员工的绩效考核、设备管理、工艺管理、计划管理等准确可靠，节省了工作时间。

    这些效果的取得为企业带来了巨大的管理效益和经济效益，说明轮胎硫化工序软件系统模型具有一定的科学性和代表性，能够切实解决生产中存在的问题。

一般认为输入点数是按系统输入信号的数量来确定的。但在实际应用中，通过以下措施可达到节省PLC输入点数的目的，下面以FX1N系列PLC来介绍。

（1）分组输入  如图1所示，系统有“手动”和“自动”两种工作方式。用X000来识别使用“自动”还是“手动”操作信号，“手动”时的输入信号为SB0～SB3，“自动”时的输入信号为S0～S3，如果按正常的设计思路，那么需要X000～X007一共8个输入点，若按图1的方法来设计，则只需X001～X004一共4个输入点。图中的二极管用来切断寄生电路。如果图中没有二极管，系统处于自动状态，SB0、SB1、S0闭合S1断开，这时电流从COM端子流出，经SB0、SB1、S0形成寄生回路流入X000端子，使输入位X002错误地变为ON。各开关串联了二极管后，切断了寄生回路，避免了错误的产生。但使用该方法应考虑输入信号强弱。图1  分组输入
（2）矩阵输入  如图2所示为4×4矩阵输入电路，它使用PLC的四个输入点（X000～X003）和四个输出点（Y000～Y003）来实现16个输入点的功能，特别适合PLC输出点多而输入点不够的场合。当Y000导通时，X000～X003接受的是Q1～Q4送来的输入信号；当Y001导通时，X000～X003接受的是Q5～Q8送来的输入信号；当Y002导通时，X000～X003接受的是Q9～Q12送来的输入信号；当Y003 导通时，X000～X003接受的是Q13～Q16送来的输入信号。将Y000的常开点与X000～X003串联即为输入信号Q1～Q4；将Y1的常开点与X000～X003串联即为输入信号Q5～Q8；将Y002的常开点与X000～X003串联即为输入信号Q9～Q12；将Y003的常开点与X000～X003串联即为输入信号Q13～Q16。图2  矩阵输入
使用时应注意的是除按图2进行接线外，还必须有对应的软件来配合，以实现Y000～Y003轮流导通；同时还要保证输入信号的宽度应大于Y000～Y003轮流导通一遍的时间，否则可能丢失输入信号。该方法的缺点是使输入信号的采样频率降低为原来的三分之一，而且输出点Y000～Y003不能再使用。（3）组合输入  对于不会同时接通的输入信号，可采用组合编码的方式输入。如图3所示，三个输入信号SB0～SB2只占用两个输入点，M0～M2图3  组合输入
分别代表SB0～SB2。
（4）输入设备多功能化  在传统的继电控制系统中，一个主令（按钮、开关等）只产生一种功能的信号。在PLC控制系统中，一个输入设备在不同的条件下可产生不同的信号，如一个按钮既可用来产生启动信号，又可用来产生停止信号。如图4所示，只用一个按钮通过X000去控制Y000的“通”与“断”。即次接通X000时Y000“通”再次接通X000时Y000“断”。（5）输入触点的合并  将某些功能相同的开关量输入设备合并输入（常闭触点串联输入、常开触点并联输入）。一些保护电路和报警电路常常采用此法。
如果外部某些输入信号总是以某种“与或非”组合的整体形式出现在梯形图中，可以将它们对应的某些触点在可编程序控制器外部串并联后作为一个整体输入可编程序控制器，只占可编程序控制器的一个输入点。
例如某负载可在多处启动和停止，可以将多个启动信号并联，将多个停止信号串联，分别送给可编程序控制器的两个输入点，如图5所示。与每一个启动信号和停止信号占用一个输入点的方法相比，不仅节约了输入点，还简化了梯形图电路