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1引言
DCS分散控制系统(又称集散控制、分布式控制系统)，是在单回路微机控制系统基础上发展起来的，其综合了计算机技术、通讯技术、CRT显示技术和过程控制技术，采用分层分级的结构形式和分散控制、集中操作、分级管理、分而自治的设计原则，解决了过去计算机控制危险集中、常规模拟仪表功能单一、过于分散和人机联系不方便的缺点。DCS的安全可靠性、通用灵活性、优良的控制和综合管理能力，使其在工业控制领域中得以广泛应用。
瓦楞纸板作为目前使用普遍的包装材料，广泛用于电器产品、日常用品等包装。在现代大规模工业自动化水平相对落后和工业、经济建设高速发展的我国，横切机和堆叠机等机组组成连续生产工艺过程。目前国内瓦楞纸板生产化处于相对落后状态。
本监控系统采用以可编程控制器PLC为基础的集散控制系统，将PLC作为现场采集控制站，利用Ethernet和Profitbus进行数据通信，完成了对广东肇庆嘉隆瓦楞纸板生产线的工况显示、生产操作、订单管理和出货管理，终实现了企业管理—控制一体化。
2 系统总体结构及通信网络
2.1 系统总体结构
图1 系统总体结构图
嘉隆瓦楞纸板生产线监控系统采用如图1所示的分布式计算机监控系统。它分为3级结构：现场级、控制级和管理级。
级为现场级。由安装在现场的3个PLC子站辅与其它测量控制设备(如编码器、红外测量仪、变频器等)进行各种数据采集、生产线的现场控制。为现场采集控制器完成现场信号的输入输出，根据给定的工作程序进行数据处理、控制输出，并且将处理结果送操作站。PLC站采用德国VIPA公司的产品，包括一个CPU站和两个I/0站，其配备如下:
V200CPU站：主要包括CPU288L、FM250、SM221和SM222等模块。主要用于粘合机和横切机各种状态信号的采集和控制信号的输出。
V200站1：主要包括SM221、SM222、SM232和FM250等模块;主要用于过胶机和1号瓦楞机状态信号的采集和控制信号的输出。
V200站2：主要包括SM222、SM232和FM250等模块;主要用于2、3号瓦楞机状态信号的采集和控制信号的输出。
第二级为控制级，配备5台工业PC机。其中包括1台主操作站，1台过胶机操作站和3台瓦楞机操作站。主操作站设置在车间控制室内，其它各操作站设置在生产线的相应部分，完成现场级检测、控制、保护功能的管理。由一台HUB将各操作站组成局域网。各操作站功能独立，又能互为备用。它对级现场采集的所有数据进行处理、分析、存储，完成所有控制指令的收集和发布，以各种方式(如流程图、趋势图等)表达整个生产线的运行状态。对系统功能的组态、流程图的制作、保护值整定、控制模型修改等工作也是在这一级的操作站上完成的。
第三级为管理级，配备了多台普通PC机、打印机，以及一台数据库服务器。其中PC机作为管理终端设置在相应的管理部门，打印机负责定期打印生产情况报表备档，数据库服务器负责接收、存储从监督控制级送来的各种实时数据、历史数据。各部门的管理人员可以随时通过管理终端机观察生产线的运行状态和定单执行等情况。管理级可接受管理部门管理数据的输入，完成订单管理，出货管理等功能。
2.2 通信网络
由于在分散控制系统中广泛采用了多处理机的结构，处理机之间的数据通信变得极其重要。
现场总线技术作为自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化的发展方向。Profitbus是唯一的全集成H1(过程)和H2(工厂自动化)现场总线解决方案，是一种不依赖于厂家的开发式现场总线标准，它可广泛应用于制造加工、过程和建筑自动化领域。在该监控系统中，现场级3个PLC站之间利用Profitbus进行数据通信，实现了纸板生产线状态数据的采集和控制信号的传递。
Ethernet以太网初是由Xeroex在20世纪70年代开发的—种连网传输方法，后来由Xeroex、数字设备公司(DEC)和Inbbb改进。这种灵活的技术可以运行在各种网络介质上，并在合理的开销下提供很好的容量。到目前为止，以太网是用于局域网的流行的逻辑拓扑结构。在该监控系统中，控制级操作站之间和管理级终端机之间采用Ethernet进行数据通信。实现了各操作站间的相互冗余备用以及管理数据的存取。
DCS各级之间的通信一直以来是工程技术人员关注的技术热点之一。该系统采用VIPA公司PC-CPU288L自带的Ethernet端口很好的解决了现场级到控制级之间的通信问题。实现了现场实时数据向上输送和控制级信号的向下传递。由于控制级和管理级采用Ethernet，它们之间直接用集线器(HUB)相连，进行相互通信。
该监控系统中，将以太网(Ethernet)与现场总线相结合实现了PLC站之间、操作站之间、管理终端之间以及现场级、控制级、管理级之间的数据通信。
3 软件设计
系统软件采用CONTROL LAB软件包，其层次结构如图2。
图2 监控程序结构图
现场级V200CPU站采用了快速可预测实时内核，其周期性工作的时间稳定性(Jitter-Time)可达2微秒(300MHZ CPU)。PLC和硬件模块及现场总线的数据交换均在实时任务中进行，保证了这类数据交换在操作系统中的延时不超过几个微秒。控制任务作为实时任务执行，其短工期可达0.01毫秒。
3 设计方案
PLC监控系统在微网能量管理系统中起到了至关重要的作用，其主要用于各种底层电表、逆变器、断路器、接触器等设备的分散数据采集，所有电量参数的数据整合，以及向上位监控电脑上传数据以供操作员监视和分析。在向上传递数据的PLC还逐级接收来自上级的参数设置数据和控制指令，实现远程设置和操控。PLC还负责直接处理一些紧急任务，如故障急停等。
远程分散监控——LM系列PLC
若干个LM系列PLC系统根据控制领域的划分分别放置在每个控制领域中，紧邻该控制领域的智能电表、逆变器、断路器、接触器等数据采集设备并与之通过串口通讯线、信号电缆和控制电缆等连接在一起。在微网系统中，这些控制区域主要包括智能电能表、光伏发电及逆变器系统、储能及逆变器系统、三联供系统、地源热泵系统等。LMPLC通过专用的以太网扩展模块与LK PLC进行连接。
图4-1 LM连接图
在每个控制区域中，LM系列PLC系统的职责主要分为两大部分：LM负责通过RS-485串口通讯的方式，将现场智能电表和其它数据采集设备的信息读取到PLC中进行保存和处理后，再上传至LKPLC现场集中监控系统。在这个过程中，和利时LMPLC保证了数据读取的实时性和准确性，其读取所有设备数据一个周期的时间不超过2秒。
LMPLC在智能电表和其它数据采集设备的数据收集上，通过编程实现了十分复杂的微网电量采集要求。总体来说，该PLC监控系统中每个PLC可支持连接若干类串口通讯采集设备，每类设备也可以有多个，设备总数不能超过MODBUS协议的上限。对于每类表来说，又将需要采集的多个参数分成若干优先级，根据优先级不同决定PLC采集该参数的频率。整体结构图如图4-2所示。
LMPLC还负责对现场的继电器、接触器等电气控制设备进行运行状态、故障等情况的信号输入判断以及对其进行的闭合/断开控制等。PLC通过物理输入点DI检测到各设备的工作情况后，将这些工作状态数据进行上传和本地处理；另一方面，PLC也根据上级LKPLC发送过来的控制指令对各执行机构进行控制，或根据输入信号的处理结果在本地对执行机构进行一些必要的紧急处理，避免通讯延时造成的损失和危害。
图4-2 LM与仪表通讯模式树状图
现场集中监控——LK系列PLC
LK PLC在整个微网能量管理系统中处于LMPLC的上一层，主要负责将上位操作站的远程指令和参数设置传递给下级LM PLC，将LMPLC从底层设备接收的电量数据进行整理集中，以供上位操作站接收显示。可以说，LKPLC在整个系统中是连接上级和下级的枢纽，通过LK PLC将远程调度简捷化，并将现场数据规整化。
远程操作站监控
操作站通常设置在监控中心，主要由计算机、打印机、大屏幕及服务器等硬件设备组成，用于对现场设备的远程监控和整体调度。通过操作站的监控组态软件，工程师可以将底层通讯的基本初始参数，诸如仪表类型数量、每类仪表数量、各数据帧的格式及读取的数据地址等在电脑上设置完毕后，传递给LKPLC现场监控站，而后通过LK发布给所有的LM PLC进行参数初始化操作。
操作站也可以监控现场设备的运行情况和故障信息，显示现场仪表的实时电量参数值，使得工程师或操作员可以在监控中心了解现场的基本情况，从而作出一些必要的远程手动控制或及时联系现场工作人员进行检修等。
4 结论
该套自动化集中监控系统具有以下优点：①先进的全开放、分布式结构；②扩展灵活；③中文操作界面友好，操作人员容易掌握。
PLC控制系统作控制站、优的工控组态软件及工控机作操作站，实现了对微网能量管理系统的集中监控；实现了良好的人机对话，方便操作人员在控制室里了解现场智能电表、逆变器、光伏、储能和三联供等设备的运行状况，并可通过操作站实现对现场设备的远程操作，通过PLC控制系统实现联锁控制保护现场设备；维护人员可以直接从操作站上灵活组态和方便查找现场设备故障原因，达到了既显示直观又节省费用的目的。本设计经北京和利时自动化驱动技术有限公司具体实施实现，已得到了非常好的实际应用效果。
1 引言
随着国家智能电网相关政策的试行，可再生能源的开发利用及分布式供电已渐渐成为燎原之势，即将进入快速发展阶段。为保障分布式发电这一新的发电方式可靠运行、高效利用、优化配置，对微网系统的深入研究至关重要。微网是指由分布式电源、储能装置、能量变换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统。既可以与配电网并网运行，也可以与配电网断开孤立运行。
图1-1 系统示意图
本文阐述的微网能量管理系统的研究工作目标是通过开展微网能量管理系统及其应用方案的研究，摸索微网各种分布式发电的特性，寻找优化微网能量分布策略，为智能电网建设计划提供有力的技术支持。本文的研究内容主要包括微网能量管理系统的组成、微网能量优化控制策略等。
2 系统构架
微网是中国发展可再生能源的有效形式。一方面，充分利用可再生能源发电对于中国调整能源结构、保护环境、开发西部、解决农村用电及边远地区用电、进行生态建设等具有十分重要的意义。另一方面，中国的可再生能源的发展潜力巨大。
微网在提高中国电网供电可靠性、改善电能质量方面具有重要作用。在大电网的脆弱性日益凸显的情况下，将地理位置接近的重要负荷组成微电网，设计合适的电路结构和控制，为这些负荷提供优质、可靠的电力。
微网引入后，配电网的辐射状网架结构将改变，线路的潮流可以双向流通。微电源大部分是通过逆变器接入的，大量的电力电子设备的引入，将使短路电流受到限制，通常不超过额定电流的2倍。微网可以在和配电网并网运行也可以孤网运行，如何在两种工况下都能对微网内部故障做出响应以及在并网的情况下快速感知大电网故障，保证保护的选择性、快速性、灵敏性和可靠性，是微网保护的关键和难点。
微网灵活的运行方式和高质量的供电服务需要有完善与稳定的控制系统。微网的控制应该基于本地的信息对电网中的事件做出自主反应，例如，对于电压跌落、故障、停电等，发电机应当利用本地信息自动跳转到独立运行方式，而不是像传统方式中有电网调度统一协调。
微网能量管理系统主要是对微网系统内分布式电源、负荷、微网系统的执行元件、智能电表等设备的实时数据采集和控制，针对微网能量管理系统的组成、设备特性、通信方式等，可以根据不同构成形式灵活配置功能。本文基于现代先进的控制思想，采用以和利时PLC为主的集中与分散相结合的计算机控制系统，它集成了当代计算机技术、高性能控制器及智能化仪表的各自特点于一身，使其在微网系统的运行管理方面发挥了巨大的作用。
在本文所介绍的系统中，由可编程序控制器（PLC）、智能电表、微网系统的执行元件等组成检测控制系统——现场控制站，以控制分区为对象，具有独立的区域监控能力，能接受中央控制的调控，但不依赖中央控制的存在，对微网系统各部分进行分散控制；再由中央控制室，对整个系统实行集中管理。现场控制站根据微网系统所在构筑物的平面分布，设置在控制对象和信号源相对集中的区域。
监控系统网络采用客户/服务器模式，光纤网，客户/服务器(Client/Server)模式的分布式实时关系数据库，100Mbps传输速率，全双工通信，网络传输介质有光缆、通讯串口电缆，主网络系统布线、子网络系统布线统一考虑、综合利用，配置网络操作系统及相关应用软件。
图2-1 监控系统结构图
各现场控制站的现场集中监控部分——和利时LK系列PLC与中央控制室之间由工业以太网进行数据通信，通讯介质为光缆，通讯采用MODBUSTCP标准协议，其中LK系列PLC作从站，操作员站电脑作主站；现场控制站的集中监控部分与远程分散监控部分——和利时LM系列PLC之间也由工业以太网进行数据通信，通讯介质为双绞线或光缆（视距离远近而定），通讯也采用MODBUSTCP标准协议，其中LK系列PLC作主站，LM系列PLC作从站；现场控制站的远程分散监控部分与现场检测电表进行数据通讯，通讯介质为RS-485串口通讯线，通讯采用MODBUSRTU标准协议，其中LM系列PLC作主站，智能仪表作从站；PLC与微网系统的执行元件单元采用24VDC电压数字信号及标准4~20mA模拟信号通讯，通讯介质为控制电缆及信号电缆；中央控制室中的操作员站与电网管理中心再通过电力骨干网进行通讯，将现场采集到的数据信息存放到中央数据库中，以供备份和分析使用。测量仪表是具有微处理器的智能设备。
(1)控制原理
变频器VFD-1至变频器VFD-4FWD端到输入信号时，启动;失去信号时，停止;
变频器VFD-1X1端子统调升速和单调升速时到信号，X2端子统调降速和单调降速时到信号;
变频器VFD-2X1端子统调升速、2~4单元同步微调升速和单调升速时到信号，X2端子统调降速、2~4单元同步微调降速和单调降速时到信号;
变频器VFD-3X1端子统调升速、2~4单元同步微调升速、3~4单元同步微调降速和单调升速时到信号，X2端子统调降速、2~4单元同步微调降速、3~4单元同步微调降速和单调降速时到信号;
变频器VFD-4X1端子统调升速、2~4单元同步微调升速、3~4单元同步微调降速和单调升速时到信号，X2端子统调降速、2~4单元同步微调降速、3~4单元同步微调降速和单调降速时到信号。
(2) I/O分配
该型号PLC输入端I/O址为:00000-00915;输出端I/O址为:01000-01915。I/O分配表附表所示。
附表 I/O分配表
(3)梯形图控制程序
造纸机同步系统PLC控制梯形图如图5所示。
图5 造纸机同步系统PLC控制梯形图
3 结束语
以上设计，我们采用了欧姆龙公司可编程序控制器CPM1A-40CDR-D、台达VED-B变频器和SCD同步器进行了造纸机同步系统试验。运行中效果良好，充分显示出其功能较强、构造简单、便于维护和检修、可靠性高等待点，达到了预期目，具有广阔应用空间。