SCADA 在遠程集中監控系統的研發與應用

曹子昆

（中核建中核燃料元件有限公司，四川宜賓 644000）

0 引言

燃料組件零部件熱處理是核燃料元件生產的重要工序，用于改善零部件力學性能和加工性能[1]。釬焊在燃料組件中用于有關結構件的焊接，也是核燃料組件制造中不可或缺的重要工藝。因此，真空熱處理爐和釬焊爐是核燃料元件生產關鍵設備之一，承擔多種關鍵零部件的生產任務。目前，在零部件車間不同廠房共分布有多臺不同型號的熱處理和釬焊爐，每臺爐子根據產品熱處理工藝的不同，工作時間6～24 h、溫度360～1040 ℃。在整個生產過程中，操作人員需要在現場時刻監視設備的運行狀況，確保設備安全、穩定運行。由于現場溫度較高，操作人員無法長時間進行現場監視，加上多臺爐子分布在不同的廠房，因此需要大量的操作人員現場值守。并且整個生產流程過程重復、操作效率低、缺乏信息化管理和數據無保留，因此需要提升設備運行管理水平。

通過對設備情況的分析，決定研發一套遠程集中監控系統，對分散在不同廠房操作間內的多臺熱處理爐進行集中監控，實現設備的集中化、信息化管理和遠程操作，為熱處理爐提供實時的數據監控服務，保證熱處理爐安全、穩定運行，從而確保產品質量穩定和質量安全。同時，集中監控系統有利于提高操作效率，節省人力成本，降低勞動強度。

遠程集中監控系統是基于和利時SCADA 系統（Supervisory Control and Data Acquisition，數據采集與監控系統）進行研發的。它是以計算機技術為基礎的生產過程控制與調度自動化系統，可以對現場的運行設備進行監視和控制，以實現數據采集、設備控制、測量、參數調節以及各類信號報警等各項功能。作為國產系統，目前廣泛應用于國內各個工業領域。

1 真空熱處理爐組成分析

熱處理崗位共有多臺不同型號的熱處理爐，爐子的主要組成部分相同，每臺爐子的差異主要來自于本體結構和控制系統的不同，因此操作方式也各有差異。每臺爐子根據控制功能，進行不同工藝的產品生產。具體結構如圖1 所示。

圖1 真空熱處理爐

真空熱處理爐分為如下部分：

（1）爐體加熱室：產品熱處理的工作區域。

（2）真空系統：用于對爐體內部進行抽真空，以防止金屬在熱處理過程中發生氧化。

（3）電氣控制系統：用于熱處理設備的運行控制、數據監控等。

（4）水冷系統：用于保護爐體本體，將加熱區域與外界隔離。

（5）快冷系統：用于熱處理工序中的冷卻環節。

（6）加熱系統：提供加熱電流，給加熱室升溫。

2 設計思路

2.1 主要研究對象

電氣控制系統是整個設備的核心部分，包括整個設備的邏輯控制、信號采集與顯示。因此，遠程集中監控系統的數據采集主要源于對電氣控制系統的分析，通過電氣系統與上位機進行通信連接，實現數據交換，再由SCADA 系統進行組態。

2.2 電氣控制系統分析

熱處理爐設備的電氣控制系統主要由PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）、HMI（Human Machine Interface，人機界面）、溫控儀、真空計、電流電壓表、執行器件、各類信號采集傳感器組成，其中有3 臺爐子未使用HMI。電氣控制系統各部件功能如表1 所示。

表1 電氣控制系統部件功能

2.3 設計步驟

根據控制系統的組成，結合現有技術，設計步驟如下：

（1）集中監控區的建立。設計裝修一個遠程集中監控室，爐子的數據將集中采集并保存到監控室，作為整個遠程監控系統的數據采集、控制、指揮中心。

（2）通信連接。由上位機與現場各個電子設備（PLC、溫控儀、真空計、電流電壓表）建立通信連接，從而進行數據交換。

（3）開發遠程監控界面。通過軟件，對采集的數據進行編程組態，實現畫面顯示、遠程操作等功能。

3 方案實施

3.1 遠程集中監控室

集中監控室是進行數據采集、處理、遠程操作的控制中心，掌握各臺熱處理設備的數據，通過監控室統一監管、調度設備。

監控室配置有服務器、工程師站和操作員站（圖2）。服務器作為歷史數據庫后臺，用于讀取、保存歷史數據和操作界面的使用。工程師站作為整個控制系統的設計、調試以及操作界面。操作員站主要用于操作界面的。監控室配置了液晶顯示拼接屏，用于現場視頻監控，還配有打印機，可進行數據打印。

圖2 監控室

3.2 通信

3.2.1 通信協議

現場電子設備支持Modbus 串行通信協議。Modbus 通信協議是一種應用層報文傳輸協議，包括RTU、ASCII 和TCP，標準的Modbus 協議物理層接口包括RS232、RS485 和以太網[2]。上位機采用TCP 協議，因此上位機可以采用Modbus TCP 通信協議與現場電子設備建立連接。

3.2.2 傳輸方式

現場設備電子設備種類較多、接口復雜、電纜數量多。設備采用的信號傳輸方式包括RS232、RS485 和以太網。由于監控室與現場設備距離較遠，RS232 方式的最大傳輸距離只有15 m左右[2]，無法直接連接。RS485 方式的遠距離傳輸存在信號干擾問題。

以太網作為目前工業通信傳輸最為普遍的方式，其特點有防干擾、傳輸距離遠、傳輸速度快，僅需一根光纜就能傳輸。而采用RS232/RS485 方式傳輸的電子設備可以通過串口轉網線的方式將數據信號轉變為以太網傳輸，再通過交換機連接，由光纖收發器通過光纜將信號集中傳輸到遠程監控室，實現遠距離傳輸。

3.2.3 通信方式轉換

使用以太網傳輸需要進行傳輸轉換，由于電子設備種類多，接口復雜，因此采用專業轉換模塊進行轉換，將傳輸模式統一變為以太網傳輸模式（表2）。

表2 通信方式轉換

由于電流、電壓表由于沒有通信接口，因此，先通過電流、電壓變送器將電流電壓值轉換為標準4～20 mA 電流信號，再通過阿爾泰轉換模塊轉換實現以太網連接。

3.2.4 通信網絡拓撲

將傳輸模式變為以太網后，進行網絡架構設計。通過網絡地址就可以查找到對應的電子設備。通信網絡拓撲（局部）如圖3所示。

圖3 通信網絡拓撲（局部）

3.2.5 Modbus 地址查看與調用

上位機與電子設備通過Modbus TCP 通信，讀取Modbus 地址。不同的電子設備，內部寄存器地址與Modbus 地址存放位置不同，存放的數據類型也不同，需要查看對應的轉換模塊手冊進行對照。也可以通過ModScan32 軟件查看Modbus 地址，與現場電子設備的狀態顯示進行對照。地址調用可通過使用HiaPlantSCADA 組態軟件，調取相應的Modbus 地址值進行使用。

3.3 集中監控界面

集中監控界面作為整個監控系統的核心，所有的數據顯示以及操作功能都需要集中到界面上。通過使用HiaPlantSCADA 組態軟件，對監控界面進行開發。監控界面顯示了熱處理爐設備的生產工藝流程、狀態、參數，具備遠程控制功能（圖4）。熱處理爐的監控界面可以根據需要自由切換。

圖4 遠程操作界面

3.4 遠程監控界面

3.4.1 狀態顯示功能

操作界面能夠顯示數字量的開關信號狀態，通過組態軟件定義采集的Modbus 變量地址，將畫面中對應的符號賦予變量值，以顏色、閃爍等變化來顯示狀態值。

3.4.2 模擬量顯示功能

模擬量顯示包括設備溫度、真空度、電流、電壓。溫度信號和真空度信號是從溫控儀、真空計直接讀取的，只需要找到對應的Modbus 地址讀取具體數值，并進行單位換算，就可以顯示當前的實際值。

電流、電壓表的信號需要經過計算才能作為顯示使用。電流、電壓信號經過變送器后變為標準4～20 mA 電流信號，經過阿爾泰轉換模塊讀取后，放入Modbus 地址中，地址中的讀取值為0～65 535，電流表的量程為0～1200 A，由此可以得出電流：

式中，I 為電流顯示值，單位為A，Mi為Modbus 測量值。

電壓表量程為0～60 V，得出電壓：

式中，U 為電壓顯示值，單位為V，Mu為Modbus 測量值。

計算處理后的值可以直接通過軟件組態編輯，作為操作界面顯示輸出使用。模擬量寫入界面如圖5 所示。

圖5 模擬量寫入

3.4.3 趨勢查看

通過軟件編程，對溫度、真空度、電流、電壓、水溫等模擬量新增加了一個趨勢查看功能，這些功能在原有的控制系統中是沒有的。趨勢查看是對整個數據趨勢最直觀展示，可以觀測到各類模擬量數據的走勢，并且能夠進行歷史查詢。對于生產數據的記錄，和故障維修診斷，趨勢查看效果十分明顯。

圖6 記錄的是一段升溫曲線，縱向是溫度坐標，橫向是時間坐標，坐標值可以設定大小范圍，可通過打印機打印。

圖6 溫度趨勢曲線

3.4.4 遠程控制

遠程控制是通過上位機遠程賦予現場電子設備信號、參數值，從而實現遠程控制、修改參數等功能。地址寫入主要是對PLC 和溫控儀，其他電子設備因功能不同無需寫入。地址寫入功能是通過Modbus TCP 協議改變Modbus 地址值。針對PLC 地址寫入，點擊每個操作按鈕，都會彈出相應的操作框。而溫控儀設置了統一的參數修改框。

3.4.5 操作記錄

在使用遠程集中監控系統進行遠程操作時，操作內容、時間、操作人會被記錄下來。

3.4.6 報警管理

原有獨立設備地控制系統只有少數報警功能，而遠程監控系統設置了更多的報警提示功能，增加了冷卻水溫異常報警、電流電壓過大報警、真空報警等，報警功能更全面。并且系統會記錄報警的時間、地點、報警內容，以便快速查找、診斷故障（圖7）。

圖7 報警管理

4 應用效果

（1）通過對現場設備的分析，成功完成對遠程監控系統的研發，將真空熱處理爐設備集中控制，實現遠程實時監控以及控制。并于2022 年6 月，成功運用到生產環節，已記錄的完整生產周期數據已達上百次。

（2）相較于原有的獨立式操作，操作員可以在更舒適的環境下通過遠程監控系統工作，一個操作員就可以完成對熱處理爐的實時監控。系統具有豐富詳細的報警提示功能，可以更好地提醒操作人員更有針對性的保障設備正常運行。

（3）遠程集中監控系統具有更多的數據監控功能，自動化程度大幅提高，能夠更加全面地監視設備的運行情況，進而保障產品質量。生產狀態數據能夠保存，高層管理人員可以隨時調取數據，從而展開更全面的工藝分析，也更方便設備調度，對生產效率以及產品質量的提高提供可靠的技術參考。

（4）遠程集中監控系統發生故障時，不會直接影響現場設備的運行。而在現場設備發生故障導致無法操作時，可以通過遠程集中監控系統遠程操作應急處理，做到雙重保險。

（5）系統可根據需求后續增加新的功能，為生產線集中監控改造提供了技術經驗。

5 結論

使用Modbus TCP 通信協議和以太網通信傳輸轉換，成功將現場多個電子設備的多種數據接口進行統一標準化，實現遠距離、防干擾傳輸，建立上位機與多個電子設備的通信連接，實現數據交換。利用和利時SCADA 系統成功開發遠程監控系統，將分散在不同廠房操作區間的熱處理爐進行集中管理，實現遠程數據監控、參數修改、趨勢查看、遠程控制、事件管理功能。遠程集中監控系統研發成功，并投入生產運行環節。