和利時MACS集散控制系統及其應用

摘 要：MACS系統是和利時公司集多年的開發、工程經驗而設計的大型綜合控制系統。該系統采用了目前世界上先進的現場總線技術（ProfiBus-DP總線），介紹了和利時公司MACS系統的構成、網絡結構、硬件及軟件構成、系統功能以及其實際應用效果。

關鍵詞：控制系統；網絡架構； 硬件； 可靠性

中國分類號：TP29 文獻標識碼：A

1 概述

MACS系統是和利時公司集多年的開發、工程經驗而設計的大型綜合控制系統。該系統采用了目前世界上先進的現場總線技術（ProfiBus-DP總線），采用成熟的先進控制算法，對控制系統實現計算機監控，并且集成了AMS系統 、RealMIS系統、 ERP系統、SCM和 CRM系統等，可在智能現場儀表設備、控制系統、企業資源管理系統之間進行無縫信息流傳送，輕易實現工廠智能化、管控一體化，為工廠自動控制和企業管理提供全面的解決方案。

MACS系統是一個完善、經濟、可靠的控制系統。基于Profibus 現場總線技術設計，支持 FF、DEVICENET、CANBUS 等主流總線，屬于點對點的體系結構。集成的OPC技術，支持超過100家眾多的廠家的典型優秀的應用。

2 系統構成

MACS系統是由若干不同類型的節點組成，我們把這些節點按照其作用的不同劃分為不同類型的“站”。不同的站之間是通過計算機網絡進行通訊的。

MACS系統中的“站”是系統結構中的一個組成環節或者是物理上的一套獨立設備以及網絡中的一個通信節點它們可以在系統功能中完成某一類特定的處理任務。

3 網絡結構

MACS系統由上下兩個網絡層次組成：監控網絡（SNET）和控制網絡（CNET）。上層監控網絡主要用于工程師站、操作員站和現場控制站的通訊連接；下層控制網絡存在于各個現場控制站內部，主要用于主控單元和I/O模塊的通訊連接。下面兩個圖分別是MACS系統FM系列和SM系列的網絡結構

3.1監控網絡

上層監控網絡為冗余高速以太網鏈路，使用五類屏蔽雙絞線及光纖將各個通訊節點連接到中心交換機上。該網絡中主要的通訊節點有工程師站、操作員站、現場控制站，采用TCP/IP通訊協議，不僅可以提供100MB/bps的數據連接，還可以連接到Intranet、Internet，進行數據共享。

監控網絡實現了工程師站、操作員站、現場控制站之間的數據通訊。通過監控網絡，工程師站可以把控制算法程序下裝到現場控制站主控單元上，同時工程師站和操作員站也可以從主控單元上采集實時數據，用于人機界面上數據的顯示。

各個節點用固定分配的IP地址進行標識。為實現監控網絡的冗余，網中每個節點的主機都配有兩塊以太網卡，分別連接到128網段和129網段的交換機上。監控網絡的前兩位IP地址已作了規定，分別為128.0和129.0，現場控制站主控單元IP地址的后兩位已經由程序自動分配好，工程師站、操作員站IP地址的后兩位則可以自行定義。

一般我們將一個現場控制站里相互冗余的兩個主控單元分別成為A機、B機。它們的IP地址設置是通過一個撥碼開關來實現的

3.2控制網絡

控制網絡位于現場控制站內部，主控單元和I/O模塊都連接在Profibus-DP現場總線上，采用帶屏蔽的雙絞銅線（串行總線）進行連接，具有很強的抗干擾能力。該網絡中的通訊節點主要有DP主站（集成在主控單元內）和DP從站（I/O模塊――FM和SM系列的I/O模塊）。利用總線技術實現主控單元和I/O模塊間的通訊，以完成實時輸入/輸出數據和從站設備診斷信息的傳送。

4 硬件組成及軟件組態

MACS系統硬件主要包括和利時公司自行研制、開發的FM系列和SM系統主控單元和I/O模塊。

MACS系統軟件是和利時公司開發的組態軟件，由離線組態軟件“工程管理器”和在線監控軟件“操作員在線”組成。

用戶在工程管理器界面上完成對所有離線功能的組態，包括控制站組態、操作員站組態、圖形組態（工藝流程圖、總貌圖、參數匯總圖、控制畫面、趨勢等）、系統組態（系統設置、用戶組態、鍵盤定義、事件組態、高級報警、磁盤變量、配方管理、通訊向導、報警設置、語言設置等）及報表編輯等。

在操作員在線界面中，用戶可以監視現場工藝流程的工作情況，查看實時數據的變化、工藝報警和系統報警，還可以對智能儀表等進行調試和控制。

5 系統功能

MACS系統是用以完成大中型分布式控制DCS、大型數據采集監控SCADA的計算機系統。該系統提供了完善、強大的組態、調試和監控功能，包括數據采集、開環控制、閉環控制、設備狀態監視、報警服務、實時數據處理和顯示、趨勢服務、操作日志記錄、事故追憶、圖形顯示、報表服務等功能。下面詳細介紹某些功能。

5.1控制調節

可進入各種回路調節窗口，修改設定值、切換控制方式和整定回路參數等。

設備狀態監視

系統自動的、不間斷的、動態的輪詢外圍設備的工作狀態，包括現場控制站中的主控單元、智能I/O模件的運行狀態，以及與工程師站、操作員站之間的網絡連接狀態，并將所有出現的故障自動報告給操作員站，記入報警表和日志。

5.2報警服務

通過創建報警服務，對模擬量、開關量、硬件設備和系統運行狀態進行報警監視，提供報警發生時間、報警點、報警說明等報警信息的列表顯示，以及報警摘要信息。報警可以按4種狀態顯示，以不同的顏色進行區分。對帶時標的報警可以精確到毫秒，對模擬量報警可以提供高限、高高限、低限、低低限、偏差、速率等報警。

5.3實時數據處理和顯示

通過創建系統的I/O服務，完成對現場控制點的數據采集，并記錄到實時數據庫中作進一步的處理。可用于流程圖上的數據顯示，趨勢的跟蹤記錄，報警的判斷等。

5.4趨勢服務

通過創建趨勢服務，對模擬量點和開關量點進行趨勢采樣記錄。系統提供實時趨勢和歷史趨勢兩種，并且可以多組趨勢窗口顯示，趨勢曲線可以任意放大、平移，同時可以顯示曲線上每一采樣時刻的具體值。系統利用磁盤文件方式來存儲歷史數據，支持多種方式（包括文本方式）的可視數據存儲，便于用戶的二次開發使用；歷史數據采用固定存儲算法，可以支持無限大的歷史數據存儲，存儲容量僅受限于硬盤容量的大小。

5.5操作日志記錄

通過創建日志記錄設備，可以按時間順序跟蹤記錄系統上所有操作發生的具體時間、操作內容、操作人員等信息，并以列表的形式顯示出來。

5.6事故追憶

添加SOE模塊（一種智能I/O模塊）后，可對現場某些重要的設備進行事故追憶跟蹤，系統詳細記錄了設備工作狀態發生改變的時間以及狀態改變的內容。

5.7圖形顯示

可通過多種途徑切換到各個圖形畫面，在畫面上可以顯示各種各樣的平面、立體圖形，以及具有交互特性的各種動態對象，實現會話操作，同時也可以賦予他們相應的動態特性（變色、縮放、移動、旋轉等），完成對現場設備的監控。

5.8報表服務

在MACS系統中報表編輯工具共同為用戶提供了強大的報表功能，支持Excel格式（Open Office或者MS Office）、RTF（豐富文本格式）、TXT（普通ASCII文本）、DBF（數據庫文件）等多種形式的報表。組態過程采用“所見即為所得”的方式。用戶在報表生成系統中，可利用EXCEL提供的各種強大功能，在既定的單元格中錄入說明性文字、定義需打印的動態數據點，修改報表格式，即可完成報表的編輯。

5.9自動生成CAD接線圖

根據組態的機柜布置圖和模塊位置，系統可以自動生成.dxf格式的CAD接線圖，同時可以對生成的CAD接線圖進行修改。

5.10仿真控制器

在計算機上仿真控制器程序，使離線組態能夠對控制器進行下裝、修改和調試等操作。還可以仿真操作員在線。

5.11 HART管理器

用于現場智能儀表和控制室設備之間的通信，實現HART協議智能儀表的自動校準、檢驗及數據管理。

6 系統特點

實時性： 控制器CPU采用Pentium級芯片，保證控制精確、實時、高效。

可靠性： 采用多種冗余結構（網絡、控制器、電源模塊、I/O模塊），系統安全穩定可靠。

先進性：適合于大規模系統的I/O、 Alarms、Reports、Trends、Time服務器可分布式設置；既保證數據的一致性，又可負荷均擔；功能豐富的HMI人機界面，靈活強勁的控制軟件，支持離線仿真。

經濟性：現場總線的系統設計，有效節約整體項目投資，降低運行維護成本。

易用性：智能設備管理（故障診斷、精度校正、帶電插拔），維護簡單方便。

延續性：操作站采用通用系統平臺，可跟隨計算機水平不斷提高而同步升級。

結語

中國石油呼和浩特石化公司目前500萬噸/年煉油擴能改造工程整體采用和利時MACS集散控制系統DCS，自動化水平很高，應用也很成熟，工藝過程控制選用DCS對整個公用工程裝置進行控制、監視，實現操作自動化。

參考文獻

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