《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線的集散控制系統(tǒng)
黃盧記 王杰
摘要: 本文以實(shí)例說明了作為工業(yè)自動(dòng)化現(xiàn)代化水平標(biāo)志的基于以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線的集散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和特點(diǎn),并特別對(duì)數(shù)據(jù)通信部分進(jìn)行了闡述。
Abstract:
Key words :

0 引言

進(jìn)入新世紀(jì)以來,伴隨著市場(chǎng)的進(jìn)一步開放,企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)不斷加強(qiáng),各企業(yè)紛紛投入資金加緊
進(jìn)行新一輪的技術(shù)改造,希望能以高新技術(shù)為核心,以綜合自動(dòng)化為手段,不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量,確立和加強(qiáng)企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的地位。隨著計(jì)算機(jī)、控制器、網(wǎng)絡(luò)、總線技術(shù)的發(fā)展,自動(dòng)化領(lǐng)域正在迅速的覆蓋從車間的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到控制、管理的各個(gè)層次。分散檢測(cè)控制、集中監(jiān)控管理的集散控制方式為實(shí)現(xiàn)大系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化創(chuàng)造了條件。

1 概述
計(jì)算機(jī)具有強(qiáng)大的運(yùn)算、存儲(chǔ)、邏輯判斷等信息加工能力,從它誕生開始就被應(yīng)用到控制系統(tǒng)中,
特別是微處理器的出現(xiàn),進(jìn)一步擴(kuò)大了計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍。在計(jì)算機(jī)上配以自動(dòng)化組態(tài)軟件可以更直觀、更方便地對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)視和控制,充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的復(fù)雜數(shù)據(jù)運(yùn)算處理、報(bào)表統(tǒng)計(jì)和圖形顯示能力。

可編程控制器(PLC)具有抗干擾能力強(qiáng),可靠性高,便于擴(kuò)展,使用方便等優(yōu)點(diǎn),正在越來越廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程中。隨著生產(chǎn)水平不斷提高,人們更愿意使用多臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化中小型PLC 而不是用一臺(tái)或數(shù)臺(tái)超大型PLC 來包攬全局。適當(dāng)分散的中小PLC 所控制的范圍不大,不僅降低了風(fēng)險(xiǎn),往往還可以簡(jiǎn)化許多熱備冗余的配置,降低設(shè)備成本。

當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是以太網(wǎng)技術(shù),符合公共標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP 協(xié)議的以太網(wǎng)使得上層
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過以太網(wǎng)訪問車間級(jí)數(shù)據(jù),為全廠范圍控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯集和監(jiān)視創(chuàng)造條件。它的開放性協(xié)議使得各種計(jì)算機(jī)和不同廠商的PLC 可以互連,在必要時(shí)也可以進(jìn)行一些控制和協(xié)調(diào)。而且人們對(duì)以太網(wǎng)技術(shù)很熟悉,可以降低系統(tǒng)的開發(fā)、培訓(xùn)和維護(hù)的費(fèi)用。
現(xiàn)場(chǎng)總線是一種互聯(lián)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備及其控制系統(tǒng)的雙向數(shù)字通信協(xié)議,現(xiàn)場(chǎng)總線使控制功能適當(dāng)
分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,系統(tǒng)的自立能力增強(qiáng),節(jié)約機(jī)柜空間,使現(xiàn)場(chǎng)的電纜連線大量減少?,F(xiàn)場(chǎng)總線具備可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、通訊速率快、系統(tǒng)安全符合環(huán)境保護(hù)要求的優(yōu)勢(shì)。

總之企業(yè)的系統(tǒng)生產(chǎn)過程是很復(fù)雜的,設(shè)備分布廣,各工序各設(shè)備并行地進(jìn)行工作,因此用數(shù)臺(tái)PLC
對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,用一臺(tái)或數(shù)臺(tái)微型機(jī)作為監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī),上位機(jī)通過以太網(wǎng)與PLC 相連,實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)巡回采集、集中處理,在實(shí)際應(yīng)用中還可以利用上位機(jī)對(duì)PLC 進(jìn)行遠(yuǎn)程編程或?qū)Τ绦蛑械膮?shù)進(jìn)行設(shè)置或修改。以太網(wǎng)可以達(dá)到很高的通信速率,利用以太網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn),結(jié)合PLC 控制器及現(xiàn)場(chǎng)總線,就可以構(gòu)成全分散、全開放的集散控制系統(tǒng)。下面以某廠打葉復(fù)烤線控制系統(tǒng)為例對(duì)集散控制系統(tǒng)進(jìn)行說明。

2 系統(tǒng)組成
依據(jù)分散檢測(cè)控制、集中監(jiān)控管理的原則,系統(tǒng)由集中監(jiān)控層、設(shè)備控制層兩部分組成。圖1 為該
打葉復(fù)烤線集散控制系統(tǒng)示意圖。

2.1 集中監(jiān)控層(上位機(jī))
由三臺(tái)計(jì)算機(jī)和打印機(jī)構(gòu)成。一臺(tái)對(duì)煙葉預(yù)處理、葉梗分離、風(fēng)送除塵三條線進(jìn)行集中監(jiān)控,另一臺(tái)
對(duì)煙片復(fù)烤、煙梗復(fù)烤、預(yù)壓打包三條線進(jìn)行集中監(jiān)控。一臺(tái)用作編程工作站。
2.1.1 集中監(jiān)控層軟硬件配置
監(jiān)控計(jì)算機(jī)選用配置為PⅢ1GHZ 以上主頻,128M 內(nèi)存,40G 硬盤的IBM 商用電腦,PHILIPS 21 寸顯示器;打印機(jī)選用HP LJ5000 激光打印機(jī);配置不間斷電源(UPS),型號(hào)選用APC 產(chǎn)品,容量為2KVA。監(jiān)控計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)配置安全性可靠性高的Windows 2000 中文版;監(jiān)控組態(tài)軟件選用Intellution 的FIX。
2.1.2 監(jiān)控管理層的主要功能
a. 向下通過以太網(wǎng)與控制執(zhí)行層進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊,通過簡(jiǎn)潔、直觀的現(xiàn)場(chǎng)模擬圖反映主要單機(jī)設(shè)備電
機(jī)狀態(tài),各檢測(cè)元件狀態(tài),各執(zhí)行器件狀態(tài),主要設(shè)備參數(shù)和工藝參數(shù)等;
b. 顯示主要工藝參數(shù)的變化趨勢(shì),如水分、流量、溫度等,有助于工藝人員及時(shí)掌握工藝參數(shù)變化
情況,穩(wěn)定工藝,提高產(chǎn)品質(zhì)量;
c. 以彈出窗口和表格形式顯示故障信息,包括故障發(fā)生時(shí)間、發(fā)生位置、故障內(nèi)容等;
d. 工程師站實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)PLC 編程、PLC 運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)及程序修改等;
e. 向上通過以太網(wǎng)與企業(yè)管理層進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊,向廠領(lǐng)導(dǎo)和各職能部門發(fā)布生產(chǎn)和工藝數(shù)據(jù),為廠
里的決策提供依據(jù),接受廠里的指令并打印各種報(bào)表等。
2.2 設(shè)備控制層
劃分為煙葉預(yù)處理、葉梗分離、煙片復(fù)烤、煙梗復(fù)烤、預(yù)壓打包、風(fēng)送除塵六條生產(chǎn)分線, 設(shè)置六
組對(duì)應(yīng)的PLC 控制電控柜及相應(yīng)器件,對(duì)六條生產(chǎn)分線分別執(zhí)行控制。

2.1 集中監(jiān)控層(上位機(jī))
由三臺(tái)計(jì)算機(jī)和打印機(jī)構(gòu)成。一臺(tái)對(duì)煙葉預(yù)處理、葉梗分離、風(fēng)送除塵三條線進(jìn)行集中監(jiān)控,另一臺(tái)
對(duì)煙片復(fù)烤、煙梗復(fù)烤、預(yù)壓打包三條線進(jìn)行集中監(jiān)控。一臺(tái)用作編程工作站。
2.1.1 集中監(jiān)控層軟硬件配置
監(jiān)控計(jì)算機(jī)選用配置為PⅢ1GHZ 以上主頻,128M 內(nèi)存,40G 硬盤的IBM 商用電腦,PHILIPS 21 寸顯示器;打印機(jī)選用HP LJ5000 激光打印機(jī);配置不間斷電源(UPS),型號(hào)選用APC 產(chǎn)品,容量為2KVA。監(jiān)控計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)配置安全性可靠性高的Windows 2000 中文版;監(jiān)控組態(tài)軟件選用Intellution 的FIX。
2.1.2 監(jiān)控管理層的主要功能
a. 向下通過以太網(wǎng)與控制執(zhí)行層進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊,通過簡(jiǎn)潔、直觀的現(xiàn)場(chǎng)模擬圖反映主要單機(jī)設(shè)備電
機(jī)狀態(tài),各檢測(cè)元件狀態(tài),各執(zhí)行器件狀態(tài),主要設(shè)備參數(shù)和工藝參數(shù)等;
b. 顯示主要工藝參數(shù)的變化趨勢(shì),如水分、流量、溫度等,有助于工藝人員及時(shí)掌握工藝參數(shù)變化
情況,穩(wěn)定工藝,提高產(chǎn)品質(zhì)量;
c. 以彈出窗口和表格形式顯示故障信息,包括故障發(fā)生時(shí)間、發(fā)生位置、故障內(nèi)容等;
d. 工程師站實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)PLC 編程、PLC 運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)及程序修改等;
e. 向上通過以太網(wǎng)與企業(yè)管理層進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊,向廠領(lǐng)導(dǎo)和各職能部門發(fā)布生產(chǎn)和工藝數(shù)據(jù),為廠
里的決策提供依據(jù),接受廠里的指令并打印各種報(bào)表等。
2.2 設(shè)備控制層
劃分為煙葉預(yù)處理、葉梗分離、煙片復(fù)烤、煙梗復(fù)烤、預(yù)壓打包、風(fēng)送除塵六條生產(chǎn)分線, 設(shè)置六
組對(duì)應(yīng)的PLC 控制電控柜及相應(yīng)器件,對(duì)六條生產(chǎn)分線分別執(zhí)行控制。

3 系統(tǒng)以太網(wǎng)通信的實(shí)現(xiàn)
3.1 監(jiān)控計(jì)算機(jī)和PLC 的配置
監(jiān)控計(jì)算機(jī)采用3COM 公司的EtherLink Ⅲ網(wǎng)卡,對(duì)該網(wǎng)卡,可用Windows 自帶的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行配置。在FIX 應(yīng)用程序的網(wǎng)絡(luò)配置中,有兩種協(xié)議:NetBOIS 和TCP/IP。選擇TCP/IP,則數(shù)據(jù)傳輸速度快,適用于較多站點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。在FIX Driver Configuration 中,輸入節(jié)點(diǎn)名、以太網(wǎng)址。并將節(jié)點(diǎn)名映射到單獨(dú)的IP 地址,TCP/IP 采用多種方式處理名稱辨識(shí),采用本地HOSTS 文件方式具有最高的可靠性。該文本文件存在各節(jié)點(diǎn)上。PLC 采用Schneider 公司的ETY110 網(wǎng)卡,必須對(duì)ETY110 正確配置節(jié)點(diǎn)名和以太網(wǎng)址,如果網(wǎng)上各PLC 及I/O Driver 都配置正確,則個(gè)設(shè)備之間可以建立通信。
3.2 FIX 組態(tài)軟件與PLC 的通信過程
PLC 中有一個(gè)專門用來存放數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊,組態(tài)軟件的I/O 驅(qū)動(dòng)程序從中讀取數(shù)據(jù),并將其傳入驅(qū)動(dòng)
程序映射表的地址中,對(duì)應(yīng)與點(diǎn)名。掃描、報(bào)警、控制程序訪問點(diǎn)名,則獲得數(shù)據(jù),并將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至過程數(shù)據(jù)庫。內(nèi)部數(shù)據(jù)庫訪問功能從本地或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù),并將這些數(shù)據(jù)傳輸至請(qǐng)求的應(yīng)用程序中去。

4 系統(tǒng)中各站點(diǎn)的尋址
集散控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)分散檢測(cè)控制、集中監(jiān)控的關(guān)鍵之一是各通信實(shí)體的正確尋址。本系統(tǒng)中目的
通信實(shí)體的一般格式為:網(wǎng)絡(luò)號(hào)、站號(hào)、設(shè)備物理地址,設(shè)備物理地址一般是它的通信模塊的地理位置,即其模塊號(hào)、通道號(hào)和通道中的通信實(shí)體。
4.1 站內(nèi)尋址
如打葉復(fù)烤線集散控制系統(tǒng)示意圖所示,如PLC1 對(duì)UNI-TELWAY 總線上第4 號(hào)變頻器尋址,其目標(biāo)
地址為

4.2 站間尋址
如打葉復(fù)烤線集散控制系統(tǒng)示意圖所示,如PLC2 對(duì)PLC1 的UNI-TELWAY 總線上第4 號(hào)變頻器尋址,其目標(biāo)地址為:

在Schneider Premium 系列PLC 上總線模塊和CPU 模塊集成在一起,始終處于機(jī)架上0 模塊位置,如選用TER 通信通道,通道地址為0,如選用PCMCIA 卡通信通道,通道地址為1。

5 結(jié)束語
正如上例打葉復(fù)烤線集散控制系統(tǒng)所描述的,集散型控制系統(tǒng)具有通用性強(qiáng)、系統(tǒng)組態(tài)靈活、控制功
能完善、數(shù)據(jù)處理方便。顯示操作集中、人機(jī)界面友好、安裝簡(jiǎn)單規(guī)范、調(diào)試方便、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。它能夠適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)過程的各種需要,提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平和管理水平,通高產(chǎn)品質(zhì)量,降低能源消耗和原材料消耗,提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,保證生產(chǎn)安全,可有力地促進(jìn)工業(yè)發(fā)展,創(chuàng)造出最佳經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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