計(jì)算機(jī)分布式控制系統(tǒng)（DCS）在工業(yè)控制中的應(yīng)用

【摘 要】在Windows環(huán)境下運(yùn)行Woderware組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的監(jiān)控和動(dòng)態(tài)圖形顯示及數(shù)據(jù)管理，并通過控制網(wǎng)絡(luò)和遙控I/O及數(shù)字驅(qū)動(dòng)器組成DCS分布式控制系統(tǒng)，完成生產(chǎn)過程的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集和控制。

【關(guān)鍵詞】分布式控制；DCS；Automax；PLC；觸摸屛控制技術(shù)

一、系統(tǒng)概述

該控制系統(tǒng)主要用于通信電纜絕緣單線的生產(chǎn)，直徑2.6mm的圓銅線經(jīng)過拉絲和連續(xù)退火裝置變?yōu)橹睆?.4mm或0.5mm的軟銅線，然后進(jìn)入塑料擠出機(jī)進(jìn)行絕緣，絕緣層經(jīng)過水槽冷卻后通過牽引進(jìn)入收線裝置，均勻地卷繞在線盤上。從拉絲到收線的整個(gè)過程實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的連續(xù)生產(chǎn)，形成分布式控制。

系統(tǒng)以一臺(tái)奔騰工業(yè)級(jí)PC機(jī)作為上位機(jī)，在Windows環(huán)境下運(yùn)行Woderware組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的監(jiān)控和動(dòng)態(tài)圖形顯示及數(shù)據(jù)管理，并通過觸摸屏技術(shù)完成人機(jī)對(duì)話，使整條線的操作簡單生動(dòng)。下位機(jī)選用一臺(tái)Automax DCS過程控制器，并通過網(wǎng)絡(luò)和遙控I/O及數(shù)字驅(qū)動(dòng)器組成DCS分布式控制系統(tǒng)，完成生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集和控制。

二、硬件系統(tǒng)的組成

（1）上位機(jī)采用美國Eaton IDT公司的Factory Mate工業(yè)級(jí)PC，配以19寸觸摸屏作為人機(jī)界面，觸摸屏由COM2驅(qū)動(dòng)。COM1和直徑控制器相聯(lián)，用于絕緣外徑控制和電容監(jiān)測(cè)。選用Reliance公司的PC Link卡，通過同軸電纜和RENET網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)Wonderware和 Automax的數(shù)據(jù)交換。

（2）下位機(jī)選用美國Reliance公司的Automax DCS控制系統(tǒng)，主處理器模塊以Motorola 68020為CPU。主頻133MH，配以128K X 16的RAM模塊作為公共寄存器，用于存放系統(tǒng)的配置數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)通信模塊57C404完成和PC上位機(jī)的通信。另一塊ModBus模塊57C414用于和直流驅(qū)動(dòng)器的通信，控制牽引和擠出機(jī)的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

（3）兩個(gè)遙控I/O單元選用Reliance公司的SHARK XL PLC分別完成生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集和控制。共包括48路開關(guān)量輸入，64路開關(guān)量輸出，8路熱電偶輸入，16路模擬量輸入，8路模擬量輸出。熱電偶輸入模塊可直接通過補(bǔ)償導(dǎo)線和熱電偶相聯(lián)，并具有自動(dòng)補(bǔ)償和開路保護(hù)功能，不需要進(jìn)行任何外部的信號(hào)處理和轉(zhuǎn)換。并且模塊本身具有數(shù)字濾波功能，每次在將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值讀入PLC寄存器前均進(jìn)行平均值濾波處理，以消除干擾的影響。

模擬量輸入、輸出模塊選用12bit A/D或D/A轉(zhuǎn)換器。模擬量輸入模塊具有和熱電偶輸入模塊相同的自動(dòng)數(shù)字濾波功能。

（4）MAXPAKIII全數(shù)字式直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，直接通過ModBus總線經(jīng)RS232/RS485轉(zhuǎn)換器同AutoMax的ModBus模塊通信，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的全數(shù)字控制。其中10HP可逆系統(tǒng)用于驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)，40HP不可逆系統(tǒng)用于驅(qū)動(dòng)擠出機(jī)電機(jī)。該驅(qū)動(dòng)器采用速度、電流雙閉環(huán)控制，采用旋轉(zhuǎn)編碼器作為轉(zhuǎn)速反饋，控制精度高，反應(yīng)快速，并且具有調(diào)節(jié)參數(shù)的自校正功能，使調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)不同的控制對(duì)象進(jìn)行自動(dòng)校正，達(dá)到最優(yōu)化。

（5）為了避免干擾，電源有用隔離變壓器和電網(wǎng)隔離，并且數(shù)字部分和模擬部分使用獨(dú)立的電源供電，并采取良好的屏蔽措施。和生產(chǎn)設(shè)備聯(lián)接的模擬量信號(hào)都采用了光電隔離，以保證整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力和運(yùn)行的可靠性。

在系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)上除了信號(hào)的隔離和轉(zhuǎn)換外，不采用任何硬件信號(hào)處理單元，所有的運(yùn)算、調(diào)節(jié)功能都由軟件來完成，包括溫度和速度的PID調(diào)節(jié)，信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換等均由軟件實(shí)現(xiàn)，這樣即降低了成本，又減小了故障率，使系統(tǒng)具有很高的性能價(jià)格比。

三、網(wǎng)絡(luò)通信

1.RENET

上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信通過RENET（Reliance Communication Network）網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)由上位機(jī)的PCLink卡和Automax的Network Communication Module通訊模塊通過GR-59同軸電纜連接。通過軟件定義PCLink卡在網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)號(hào)和初始地址，及內(nèi)部寄存器的分配，使PC機(jī)映射成Automax的一組寄存器單元，也即是使PCLink卡和Automax通訊模塊的寄存器相互對(duì)應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。利用SDLC通信協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，采用Manchester雙向編碼，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的最大通信時(shí)間是2.99ms。

2.Modbus

AutoMax和 Maxpak DC驅(qū)動(dòng)器之間的數(shù)據(jù)交換通過ModBus通訊模塊連接，采用ModBus通信協(xié)議由RS232接口實(shí)現(xiàn)。ModBus接口模塊包括一個(gè)4MHZ的Z80A處理器，Z80A連接到模塊中雙工寄存器的一端，另一端和AutoMax的底板相連。該接口模塊使AutoMax映射成和Modicon 584相對(duì)應(yīng)的寄存器。

3.RS323接口

直徑和電容測(cè)量的實(shí)際值及經(jīng)BB-1000轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生的偏差信號(hào)經(jīng)RS232接口和PC機(jī)的COM1連接，和Wonderware進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

四、軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)DCS系統(tǒng)應(yīng)用軟件安裝在主計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）和AutoMAX（下位機(jī)）內(nèi)，通過觸模屏顯示的模擬生產(chǎn)線圖形，對(duì)所控生產(chǎn)線實(shí)施多重監(jiān)控，現(xiàn)場(chǎng)采集處理數(shù)據(jù)及時(shí)可靠，提高了系統(tǒng)資源利用率和系統(tǒng)的處理能力。本系統(tǒng)主要監(jiān)控串列線中擠塑機(jī)各加熱區(qū)的溫度及擠塑機(jī)、牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)行狀況，拉絲和退火裝置和故障，上、下位機(jī)間通過網(wǎng)絡(luò)通訊模塊來實(shí)現(xiàn)通訊連接。操作人員只需用手輕觸顯示屏上的設(shè)備模擬圖形，便可隨時(shí)監(jiān)測(cè)到各設(shè)備的運(yùn)行情況。并可將操作命令及各種參數(shù)設(shè)置傳送給各控制單元，確保整個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)的平衡運(yùn)行。本DCS系統(tǒng)程序可合并成二大部分，即上位機(jī)監(jiān)視管理控制程序和下位機(jī)的采集處理控制程序。

1.上位機(jī)監(jiān)視管理控制程序

上位機(jī)的主要應(yīng)用軟件為：

Windows NT for workgroup（工作平臺(tái)）。

Wonderware INTouch軟件包（MMI組態(tài)軟件）。

Pclink（系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)鏈接軟件）。

DDE（動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換）。

Touch Screen（觸摸屏驅(qū)動(dòng)軟件）。

生產(chǎn)線應(yīng)用控制軟件

在Windwos環(huán)境下運(yùn)行的INTouch軟件包創(chuàng)建了良好的人機(jī)界面，包括Windows maker和Windows Viewer.Windows maker用作應(yīng)用軟件的開發(fā)，創(chuàng)建、激活模擬生產(chǎn)線設(shè)備圖形，與工業(yè)I/O系統(tǒng)建立聯(lián)系等。Windows Viewer提供在Windows maker下創(chuàng)建的圖形的運(yùn)行環(huán)境。

生產(chǎn)線應(yīng)用控制軟件在INTouch環(huán)境下主要開發(fā)了如下功能模塊：

（1）人機(jī)對(duì)話模塊。為實(shí)現(xiàn)操作人員與系統(tǒng)的聯(lián)系，以便監(jiān)控整個(gè)生產(chǎn)線的運(yùn)行狀況，制作了整條串列線設(shè)備的動(dòng)態(tài)模擬圖形，觸模開關(guān)、按鈕、數(shù)據(jù)框等操作、顯示界面。通過觸模屏操作，去掉了原始的按鈕和儀表，具有良好的人機(jī)界面。

（2）生產(chǎn)線速度控制方面有如下功能模塊：聯(lián)動(dòng)、手動(dòng)操作模式選擇；電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)指示，自動(dòng)、手動(dòng)操作速度給定；螺桿電機(jī)速度微調(diào)，電機(jī)負(fù)荷、速度顯示。.

（3）顯示模塊：本系統(tǒng)具有豐富的顯示功能，可以任意顯示各組成設(shè)備當(dāng)前或以前任一時(shí)間的控制情況。通過DDE Server（動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換服務(wù)器），定時(shí)采集存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，顯示在曲線圖或條形圖上。以便工藝管理人員經(jīng)常查閱，改進(jìn)工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

（4）安全功能模塊：為保證整個(gè)生產(chǎn)線的安全運(yùn)行，在生產(chǎn)線中的關(guān)鍵部位均設(shè)置了報(bào)警，安全停車，同時(shí)在軟件方面采用了較為嚴(yán)格的保密措施，為操作工和技術(shù)人員建立了不同優(yōu)先級(jí)別的密碼，合法操作工只有靠密碼才能進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行操作（而非法的操作工只有望屏興嘆），但工人無權(quán)修改系統(tǒng)數(shù)據(jù)。只有技術(shù)人員憑自己更高級(jí)別的密碼，才可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)、完善等，從而保證了整個(gè)系統(tǒng)軟件的保密性和防止誤操作。

（5）打印模塊：用于打印當(dāng)日不同時(shí)間或前些時(shí)間各設(shè)備各模塊的運(yùn)行情況等。

2.AutoMAX采集處理控制程序

（1）主要編程語言：Enhanced Basic-用于數(shù)值操作，變量比較，控制算法，ASCII字符的輸出，通信系統(tǒng)的控制和系統(tǒng)配置。Control Block-控制功能塊，直接用于控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和運(yùn)算。Ladder-梯形圖，用于開關(guān)量控制。

（2）數(shù)據(jù)和變量類型。基本的單整型變量，雙整型變量，實(shí)型變量，開關(guān)量，字符串；Common Variable-公共變量，通用于多個(gè)任務(wù)中。Local Variable-局部變量，只用于單一任務(wù)中。Network Variable-網(wǎng)絡(luò)變量，用于通信網(wǎng)絡(luò)之中。RIO Variable-只用于遙控I/O單元中。

（3）主要程序塊：AutoMax采用多任務(wù)多語言操作，每一個(gè)任務(wù)使用相應(yīng)的語言編寫為一個(gè)程序模塊，并且可以單獨(dú)進(jìn)行編譯、調(diào)試，這樣給編程帶來了很大的方便。

主要程序如下：

SICOMPB.PC控制按鈕的通訊管理程序。

SICOMPEG.BAS寄存器的通訊管理程序。

SIDEGC.BAS溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序。

SILDR.PC溫度控制與調(diào)節(jié)的梯形圖。

SIMODB6.BASAutoMax與MAXPAK III驅(qū)動(dòng)器的通訊管理。

S2MSPD.BLK生產(chǎn)線速度調(diào)節(jié)模塊。

SITREG.BLK溫度控制的PID調(diào)節(jié)模塊。

S2MAIN.PC主控制系統(tǒng)梯形圖。

五、結(jié)束語

DCS計(jì)算機(jī)分布式控制系統(tǒng)用于絕緣單線生產(chǎn)線的控制和數(shù)據(jù)處在國內(nèi)線纜行業(yè)尚屬首例。該生產(chǎn)線經(jīng)過調(diào)試運(yùn)行以來，各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到原設(shè)計(jì)要求，最高生產(chǎn)速度2200mpm，線速度的穩(wěn)定性在千分之一，溫度控制系統(tǒng)誤差正負(fù)攝氏1度。在車間內(nèi)高溫度濕度的環(huán)境下仍能長期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，具有良好的適應(yīng)性和抗干擾能力。生產(chǎn)線的綜合性能指標(biāo)達(dá)到當(dāng)今國際先進(jìn)水平，處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。

作者簡介：

辛學(xué)峰，男，商丘工學(xué)院教師。