可编程序调节器现在还流行吗？

发布时间：2010-04-01 作者：方原柏，昆明有色冶金设计研究院

　　在上世纪八十年代初到九十年代中期，可编程序调节器风靡一时，其输入输出点数多、程序可编、组态方便、控制运算能力强等特点得到用户的喜爱。近年来。受其他控制系统的冲击，可编程序调节器产品开发的热度似乎有所降低。我们不禁要问：可编程序调节器还流行吗？

　　历史回顾
　　可编程序调节器是一种内藏微处理器的智能仪表，它有多种类型信号的多个输入输出参数，并将回路控制、数学运算、逻辑运算及通讯等多种功能溶于一体。通过程序编制，它可按用户的意愿实现不同的功能，这是他与普通的回路调节器不一样的地方。

　　
　　图1  山武—霍尼韦尔公司KMM可编程序调节器

　　1980年，日本横河公司发布了YEWSERIES-80(其中包括SLPC可编程序调节器)的产品信息，这可以看作是单回路可编程序调节器问世的标志。1981年日本山武—霍尼韦尔公司发布了Digitronik line (其中包括KMM可编程序调节器，见图1)的产品信息，在此期间，全世界几乎同时有二十几家著名的仪表制造厂推出了类似的产品。在中国市场上，较为流行的产品除了SLPC、KMM外，还有日本富士公司FC系列PMK可编程序调节器、日本日立公司VI87MA可编程序调节器。
　　十年之后，大约在九十年代初期到中期，第二代可编程序调节器又陆续推出，如日本横河公司的YS170、日本山武—霍尼韦尔公司的SDC40B、美国福克斯波罗公司的MICRO761/762、美国霍尼韦尔公司的UDC6000/UDC6300、意大利阿思科公司的AC站、德国西门子公司DR系列可编程序调节器等等。
　　现在又过去十几年了，人们不禁要问：还有新一代可编程序调节器的产品推出吗？

　　还有市场吗？
　　从八十年代初期到九十年代中期，正值工业生产处在常规过程仪表（以单元组合仪表为代表，如日本横河I系列仪表、国产电III型仪表）向计算机控制系统（以DCS为代表，如美国霍尼韦尔公司的TDC-2000/3000）过渡的时代，可编程序调节器从性能、价格、应用范围等方面均处于常规过程仪表和计算机控制系统中间。在这样一个产品过渡的时代，人们很容易接受这样一个中间过渡的产品，特别是在原来应用常规过程仪表的场合，可编程序调节器得到广泛的推广应用。　　
　　由于DCS、PLC、FCS等控制系统的普及和价格的下降，上述控制系统不仅牢牢占据大中规模生产过程这一市场，而且还逐渐延伸到小规模生产过程中。从这个意义上看，可编程序调节器的市场份额可能减少了，但是有的小规模生产过程根本不需要DCS、PLC、FCS这类控制系统，再加上可编程序调节器自身的进步，它也在向稍大规模的控制要求发展，也强化了控制功能、联网通讯功能。因此我们可以这样说，可编程序调节器还有市场，而且这个市场还不小。
　　由Control Engineering 和Reed Research Group在2007年进行的单一回路控制器的调查显示：59%的受访者使用单一回路控制器；27%的受访者反映其工厂中的单一回路控制器使用量在20%和59%之间，12%的受访者反映其工厂中的单一回路控制器使用量在80%和100%之间。这里所说的单一回路控制器应该是包括可编程序调节器在内的有独立仪表外壳的仪表。
　　笔者今年遇到一位核电站的仪控专家，我向他询问了核电站的仪控系统现状。他向我介绍说，目前核电站的仪控系统可以分为三种类型：第一种是以模拟量单元组合仪表为主的控制系统，如正在运行的秦山一期核电站主控制系统所使用的FOXBORO公司的SPEC200组装仪表（相当于国产电III型仪表）、大亚湾2×980 MW核电站主控制系统采用的Bailey 9020系统。其模拟量仪表采用小规模集成电路和运算放大器（即前面所说的常规过程仪表），逻辑量仪表则采用常规继电器等硬逻辑电路来控制；第二种是是以模拟量和数字量混合运用的主控制系统，其中包括了可编程序调节器。我国近期建设的核电站，如广东岭澳核电站（2×980 MW）、秦山二期翻版核电站的仪表控制系统属这一类。上海自动化仪表股份有限公司、川仪总厂生产的KMM可编程序控制器就曾在国内核电站广泛应用；第三种就是在核电站里使用全数字化技术，它将应用成熟的常规电站DCS加以改进并移植过来，全面应用在常规岛、BOP、核岛等部分，构成核电站全新数字化仪表控制系统。现阶段应用比较典型的全数字化仪控系统有日本日立等公司开发的NUCAMM－90系统、法国法马通公司N4控制系统、ABB公司的NUPLEX80+系统、美国西屋公司的Eagle21+WDPFⅡ系统以及我国在建的田湾核电站所采用的德国西门子公司的TELEPERM XP+XS系统等。
　　这位核电站的仪控专家最后告诉我：从应用的成熟度、减少投资等方面考虑，国内核电站及中国援建出口的核电站中的一部分仍然采用了第二种类型的仪控系统，这当中包括选用可编程序调节器。　　
　　进入二十一世之后，可编程序调节器已经问世二十多年了，但仍然有不少厂家还在研制新一代可编程序调节器产品。我们现在已经看到，2003年11月日本富士公司推出新一代的PDA可编程序调节器，2005年12月美国霍尼韦尔公司推出新一代的UDC3500可编程序调节器2007年2月，横河公司推出新一代的YS1700可编程序调节器，国内浙江中控自动化仪表公司也在2005年推出新一代的MultiF  C3000过程控制器。

　　显示面板
　　不同时代产品的显示面板常常是不一样的，例如第一代产品（SLPC、KMM、PMK、VI87MA）大都采用老式模拟仪表的动圈式显示仪，面板上有固定刻度板和显示指针（见图1），VI87MA甚至还有设定值拨盘和自动/手动切换开关，显然在很多方面没有摆脱模拟仪表的影响。
　　

　　图2 福克斯波罗公司MICRO762的前面板

　　第二代产品有的以LED发光二极管或真空荧光管光柱显示加数字字母显示作面板有的则采用LCD单色显示器。美国福克斯波罗公司的MICRO761/762（见图2）和美国霍尼韦尔公司的UDC6000/UDC6300是以真空荧光管光柱显示加数字字母显示作面板的代表。这类显示面板要么只有单一的调节回路显示面板（即同时显示测量值、设定值、操作输出值），要么只有数量很少的显示画面可以选择（如MICRO762可有3变量显示仪、自动/手动操作器显示画面）。而日本横河公司的值得注意的是，以LCD单色显示器作面板的均具有趋势显示画面，也就是说，可编程序调节器同时具有记录仪的功能。 
　　第三代产品多数以彩色LCD显示器为显示面板，如富士公司PDA可编程序调节器、横河公司YS1700可编程序调节器、浙江中控公司MultiF C3000过程控制器。
　　富士公司PDA显示面板的内容有回路显示画面、调整画面、趋势显示画面、报警和报警历史显示画面、功能模块连接画面、参数设定画面等等（见图3）可见画面显示内容是非常丰富的。
　　

图3   富士公司PDA系列画面示意图

　　输入输出
　　可编程序调节器的特点之一是输入输出点数多、类别多。早期的第一代产品以SLPC为例，模拟输入为5点1~5VDC，模拟输出为1点4~20mA、2点1~5VDC，开关量输入为3点，开关量输出为4点。第二代产品以YS170为例，变化主要有3点：模拟输入5点中有1点可更改为小信号输入，即热电偶、热电阻、滑线电阻和脉冲等类型信号输入；模拟输出改为2点4~20mA、1点1~5VDC；开关量输入输出点数不再分别计算，而是可以在程序编制时选定是输入点还是输出点。

　　扩展I/O
　　一台可编程序调节器的I/O点数较常规仪表多，但太多，就要增加成本。所以用户希望可编程序调节器提供扩展I/O的灵活性。扩展的办法有两种：一种是在主机本体上用增加插件板之类的方法扩展，如美国霍尼韦尔公司的UDC6300在选型时可增加第5路模拟输入（可组态为热电偶、热电阻、线性输入或脉冲输入）、专用的数字输入输出、第2路电流输出；另一种是额外增加I/O组件，如日本富士公司PDA可使用外接OPTO22接口，使模拟量输入/输出及开关量输入输出有较多的增加。横河公司YS1700可带1个扩展I/O，扩展I/O可接入3点1~5VDC模拟量输入信号，1点1~5VDC模拟量输出信号，4点开关量输入信号，4点开关量输出信号，使总的I/O点数达到26点。

　　控制回路数
　　早期的可编程序调节器的名称是单回路数字调节器，顾名思义，只能用于1个控制回路。第二代产品往往增加了第2点4~20mA模拟输出，因此，这类产品的控制回路数达到两个，如YS170、MICRO761/762、SDC40B、DR24（其中有的产品第2点4~20mA模拟输出需在订货时提出要求）。还有一些产品将4~20mA模拟输出点数增加到4个，如富士公司PDA可选用4回路控制，意大利阿思科公司的AC站可编程序调节器AC10/AC20/AC30都可完成4回路控制。

　　组态方式
　　早期的可编程序调节器采用专用编程器组态，如SLPC采用SPRG编程器、KMM采用KMK100程序装入器、大连仪表厂STB-1100可编程序调节器采用SFZ-1110编程器，在现场使用时这种方式很不方便。
　　稍后推出的美国福克斯波罗公司的MICRO761、德国西门子公司的DR22/24采用本机编程，即通过安装在调节器本体上的按键进行组态，它不但使用方便，还节省了用户投资。国产DTZB-2310A、CS910可编程序调节器也是较早采用本机编程的产品，只是DTZB-2310A是将编程键盘安装在侧面板上，用户使用时稍感不方便。其后推出的CS920、IDCB-5A、MICRO762、UDC6300也都采用本机编程。
　　第三种组态方式是PC机编程，即由生产厂家提供用户组态软件包，编程在个人计算机上进行。如横河公司的YS170/YS1700、富士公司的PNA3/PDA、意大利阿思科公司的AC站即采用这种方式。组态时可使用更直观的模块名称并增加注释，使编程错误减少、程序可读性增加。虽然个人计算机需由用户提供，但组态软件包的价格远低于编程器。
　　很多机型有本机编程和个人计算机编程两种方式，如霍尼韦尔公司的UDC6300、富士公司的PNA3/PDA，这样可以充分发挥两种编程方式的优点：当用户初次组态或完全重新组态时，通常采用个人计算机编程方式；当在现场调试需要修改程序时，通常采用本机编程方式。

　　组态方法
　　组态方法，可分为助记符法、表格法和菜单法。

　　助记符法
　　以方便易记的助记符代表操作指令和模块功能，程序直观易懂。以SLPC为例，每一段程序均由取数（LD）、控制或数学运算（如＋、－、×、÷、PID、开方等）、输出（ST）三个基本动作组成（见图4右）。

　　表格法
　　早期的KMM及SDC-40B、DTZB-2310A均采用这种方法，所有参数及功能模块均通过填写多张表格（如基本数据表、输入处理数据表、PID数据表、折线数据表、可变参数表、运算单元数据表、输出处理数据表）的方式编程。
　　表格法的缺点是程序的可读性较差，其优点是各功能模块的所有输入输出点的数据随时可调出来显示，在程序调试时可据此判断各功能模块的设计与运行结果是否相符。

　　菜单法
　　美国公司产品MICRO762、UDC6300是菜单法组态的代表，它利用前面板上有限的几个操作键完成本机编程。
　　以UDC6300为例，它将控制参数和控制模块按作用类型分成18个参数组，在每个参数组中又包含许多参数，对每个参数可设定数值大小或对所列选项进行选择，它代表了对某一参数赋值或选择了某一功能模块。这种组态方法直观、方便，可调用的功能模块多。

　　程序容量
　　程序容量通常以程序步数或功能模块数来表示，如程序步数VI87为96步，SLPC为99步，功能模块数KMM为30个，PMK/PNA3为24个；稍后的YS170程序步数为240/400步；第三代的YS1700程序步数为1000步，PDA的功能模块数为48×4（即每个回路48个功能模块，总数再乘以控制回路数）。

　　IEC61131-3编程软件
　　目前IEC-61131-3已经成为需要编程的控制系统通用编程软件的标准。可编程序调节器虽然只是一个很小的系统，但他也在逐步向这个标准靠拢，比如YS1700在采用PC机编程时，一方面保留了用原有的助记符法这样的文本方式编程外，还采用了基于GUI（图形用户界面）这样的模块编程方式，看起来与IEC-61131-3标准中的功能块图FBD非常相似（见图4左）。在PDA可编程序调节器中除了采用原有的功能模块法进行程序编制外，还采用了软逻辑组态，即采用符合IEC61131-3国际标准的一种编程语言IGaGRAF软件，用梯级图（LD）、顺序控制功能图（SFC）、功能块图（FBD）进行顺序操作、报警程序的编程（见图5）。　　

图4  组态方法
　　右：助记符法；左：模块法
　
　图5  富士公司PDA功能模块示意图
　　左：模块结构；右：一次PID比例运算功能模块

　　精确度
　　早期产品显示部分采用模拟式动圈显示仪，模拟输入的显示精确度只有1%，模拟输出还只能达到5%。改成数字显示后，普遍提高到0.1%， 如在现场进行精确校验可提高到0.05%。

　　通讯
　　UDC3500的通讯协议包括RS422/485Modbus RTU 、Ethernet 10 Base-T TCP/IP 通讯协议，有以太网通讯时，可组态支持最多2个E-mail并发往不同的地址，当选择的开关量从OFF转换成ON时，可发出E-mail，但不能接收E-mail。
　　YS1700可直接与本公司DCS系统CS 3000通讯，或通过SCIU通信接口单元与CS 1000/CS 3000通讯，可通过Modbus、PC-Link或 YS100连接到RS-485通讯口，还可通过Modbus/TCP与以太网相连。
　　通过RS-485（Modbus )，最多8台PDA可以同时实现在上位和计算机、PLC的连接，每台PDA可以在下位通过RS-485 ( OPTO22 interface)与扩展I/O单元( OPTO22 卡件)连接。

　　点对点通讯
　　点对点通讯是指多台可编程序调节器之间传送数据。以锅炉控制为例，由于各参数间相互关连，一个检测参数往往要送到几个回路调节器参与控制，也就是说通常要进行几次硬接线。如能实现点对点通讯，一方面简化了配线，另一方面也减少了I/O的占用。
　　欧陆公司PAC353可采用LIL局部仪表链路通信方式。LIL是一种高性能的本地仪表数字通信方式，它包含有控制命令和站间的数据交换，每个站通过唯一的连接地址加以识别，这个地址允许将控制命令和响应从一个站传送到另一个指定的站中。仍以锅炉控制为例，只要多台PAC353调节器连成LIL网络，一个检测参数只要送到一台调节器就可以了，其它调节器在组态时可通过LIL全局性数据I/O功能块调用这个参数。
　　最多32台YS1700可以通过RS-485互相连接，其中4台可以作为发送数据源，每台输出4点模拟量数据和16点状态数据，而所有32台均可以接收数据，从而实现点对点通讯，使数据交换和I/O共享成为可能（见图6）。
　

　　图6  横河公司YS1700点对点通讯示意图