李 明

（重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 400052）

0 引言

進(jìn)入二十一世紀(jì)，伴隨經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛躍，制造業(yè)、工業(yè)遇到了新的機(jī)遇也面臨挑戰(zhàn)，需要研究新的制造技術(shù)、新型的制造模式等。計(jì)算機(jī)信息管理系統(tǒng)在制造業(yè)、金融業(yè)、商業(yè)等各種行業(yè)都有應(yīng)用，進(jìn)行管理和決策。制造業(yè)在這方面的應(yīng)用又區(qū)別于其他行業(yè)，它需要解決生產(chǎn)過程和控制方面的問題。DCS系統(tǒng)是制造業(yè)計(jì)算機(jī)信息管理的一個(gè)基本模式。DCS即集散控制系統(tǒng)，采用分散控制、集中操作的管理思想。DCS利用操作站管理、操作、監(jiān)視整個(gè)過程，用控制站分散控制各過程。提高工業(yè)、制造業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率。

1 DCS概述

集散控制系統(tǒng)主要對(duì)象是大型的工業(yè)、制造業(yè)生產(chǎn)等，從綜合自動(dòng)化方向考慮，研發(fā)原則為分解和協(xié)調(diào)，其核心是微處理器，并結(jié)合控制技術(shù)、通信和顯示技術(shù)的一種新型控制系統(tǒng)。一個(gè)典型的DCS結(jié)構(gòu)分為不同的四層：

現(xiàn)場(chǎng)級(jí)：主要設(shè)備是傳感器、執(zhí)行器、變送器等。位于被控生產(chǎn)的附近，將物理量轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。

控制級(jí)：分成數(shù)據(jù)采集站和過程控制站。負(fù)責(zé)接收現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備送來(lái)的信號(hào)，經(jīng)過計(jì)算和轉(zhuǎn)換后，發(fā)回現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行。兩者的區(qū)別是數(shù)據(jù)采集站無(wú)法直接實(shí)現(xiàn)控制功能。

監(jiān)控級(jí)：觀察生產(chǎn)過程的運(yùn)行，讀取數(shù)值、調(diào)整設(shè)定值、操作設(shè)備；歸類、整理、打印報(bào)表等；監(jiān)督控制生產(chǎn)過程。

管理級(jí)：監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀況，預(yù)測(cè)未知情況，輔助管理人員決策，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃目標(biāo)。

DCS具有許多優(yōu)良特性，連接方式靈活，內(nèi)容多樣，危險(xiǎn)和功能分散：

集中監(jiān)控：主要是監(jiān)視任務(wù)，并具備一定管理功能。配備齊全的設(shè)備，還有良好的用戶界面，能夠?qū)崿F(xiàn)高級(jí)控制、質(zhì)量評(píng)估。

分散控制：除了將控制分散，還包括人員、地區(qū)、設(shè)備、功能等分散，可以將危險(xiǎn)分散降低，提高設(shè)備的利用率。

系統(tǒng)開放性：包括可移植性、互操作性、適宜性、可用性。大大提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性和靈活性，使產(chǎn)品應(yīng)用、變換更方便。

2 DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，上位機(jī)采用SUPCON JX-300，主要組成包括工程師站、操作站、控制站和過程控制網(wǎng)絡(luò)等。其中通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一個(gè)三層網(wǎng)絡(luò)，上層為信息管理網(wǎng)，TCP/IP的以太網(wǎng)，連接至各部門，實(shí)現(xiàn)全部的管理通信。中間是過程控制層，稱作SCnet II。連接網(wǎng)絡(luò)其他部分，實(shí)現(xiàn)信息傳輸。底層是控制站內(nèi)部，指揮式令牌網(wǎng)，轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，是系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)。

2.1 通信網(wǎng)絡(luò)

圖1 DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

信息管理網(wǎng)利用MFS上安裝雙重網(wǎng)絡(luò)接口，將企業(yè)信息管理網(wǎng)和中間層Scnet II進(jìn)行橋接，獲取JX-300系統(tǒng)的運(yùn)行信息和過程參數(shù)，同時(shí)向下傳送上層管理的調(diào)度指令和相關(guān)的指導(dǎo)信息。采用大型數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)決策、統(tǒng)計(jì)、調(diào)度等。

2.1.1 Scnet II網(wǎng)

雙高速冗余以太網(wǎng)SCnet II。它直接連接系統(tǒng)的控制站、操作站、工程師站等，傳送過程利用它控制實(shí)時(shí)信息通道，自動(dòng)化、可靠性很高，SCnet II還能連接上層信息管理網(wǎng)或其他設(shè)備。

SCnet II網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是在10base Ethernet上開發(fā)的，都是采用以太網(wǎng)控制器做為各個(gè)節(jié)點(diǎn)的通訊接口，傳輸符合TCP/IP和UDP/IP協(xié)議。

SCnet II網(wǎng)絡(luò)采用如圖2的雙重化冗余結(jié)構(gòu)，根據(jù)圖中所示，如果任何一條通訊線發(fā)生故障，并不影響網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸問題。

圖2 SCnet II網(wǎng)絡(luò)的雙重化冗余結(jié)構(gòu)

2.1.2 SBUS總線

主要負(fù)責(zé)主控制卡、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡和I/0卡的信息交換。

SBUS總線一共分成兩層：

第一層現(xiàn)場(chǎng)總線，物理上在控制站的I/O機(jī)籠間，主要負(fù)責(zé)信息交換，連接主控制卡和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡。

第二層SBUS-S1網(wǎng)絡(luò)。位于各I/0機(jī)籠內(nèi)，連接數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡和各塊I/O卡件的信息交換任務(wù)。

2.2 操作站

硬件包括顯示器、IPC、SCnet II網(wǎng)卡、專用鍵盤和打印機(jī)等。工程師站的硬件配置和操作站的大致相同，軟件配置上稍微有所區(qū)別，工程師站安裝了操作、監(jiān)視、系統(tǒng)組態(tài)、維護(hù)等軟件。

2.3 控制站

直接連接現(xiàn)場(chǎng)的I/O單元，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過硬件和軟件配置的不同構(gòu)成不同的結(jié)構(gòu)，包括邏輯控制站、數(shù)據(jù)采集站等?？刂普镜暮诵氖侵骺刂瓶?，通過高速網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信號(hào)I/O。同時(shí)完成數(shù)據(jù)采集、控制和各種算法。

3 系統(tǒng)組態(tài)

DCS系統(tǒng)具有復(fù)雜性和通用性，使得現(xiàn)場(chǎng)有許多功能和參數(shù)要由用戶設(shè)定。將用戶為系統(tǒng)設(shè)定各項(xiàng)參數(shù)的操作成為“系統(tǒng)組態(tài)”。本文選用的監(jiān)控軟件為SCKey組態(tài)軟件，界面友好、支持各種控制方案。圖3為組態(tài)設(shè)計(jì)流程圖：

圖3 組態(tài)設(shè)計(jì)流程圖

JX-300系統(tǒng)最多15個(gè)控制站，IP地址范圍2～31，控制站包括相互冗余的兩塊主控制卡，每一塊使用不同的網(wǎng)絡(luò)碼，IP不能重復(fù)。地址和主控卡硬件的跳線地址匹配。操作站（工程師站）最多能有32組，每個(gè)站有兩塊冗余的網(wǎng)卡，它們享用一個(gè)IP，但是網(wǎng)絡(luò)碼不同，IP也是統(tǒng)一編排，不能重復(fù)。控制站的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可擴(kuò)展，其總線結(jié)構(gòu)也能擴(kuò)展I/O卡件。I/O組態(tài)包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡、I/O卡件、信號(hào)點(diǎn)的設(shè)置。

4 DCS的系統(tǒng)監(jiān)控

系統(tǒng)I/O組態(tài)完成后，就要用控制方案來(lái)對(duì)實(shí)現(xiàn)信號(hào)和要求的控制?？刂平M態(tài)分為常規(guī)和自定義控制方案，本文選擇自定義控制方案中的圖形編程方式實(shí)現(xiàn)控制功能。工作原理是模擬量輸入信號(hào)的測(cè)量值進(jìn)入回路，根據(jù)質(zhì)量碼信息判斷是否有報(bào)警，再根據(jù)給定值切換開關(guān)狀態(tài)選擇同路的外給定或內(nèi)給定，外給定，則同路給定值ESV成員的值；內(nèi)給定，則取SV成員值或監(jiān)控畫面回路中SV值，同時(shí)得到偏差值SV—PV，若超出偏差報(bào)警限則報(bào)警。若需要輸入補(bǔ)償，則利用JA引腳實(shí)現(xiàn)，補(bǔ)償后信號(hào)將用PID參數(shù)調(diào)節(jié)；如果有輸出補(bǔ)償，通過輸出引腳完成。PID調(diào)節(jié)和補(bǔ)償在回路投自動(dòng)的情況下完成。即開關(guān)swAM調(diào)制ON,若跟蹤開關(guān)swTV為OFF，回路MV引腳MV引出。如果swAMOFF．即手動(dòng)控制時(shí)操作員可手動(dòng)調(diào)節(jié)MV。若swTV為ON，則MV直接輸出TV引腳的值。

5 結(jié)論

本文選用了SUPCON JX-300X的DCS系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)、制造業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的硬件和組態(tài)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)具有良好的自動(dòng)化程度、管理水平強(qiáng)、提高生產(chǎn)率，便于管理層監(jiān)督和控制生產(chǎn)過程。DCS技術(shù)在各類行業(yè)的自動(dòng)化控制中發(fā)揮了巨大作用，隨著對(duì)其研究的深入和技術(shù)的成熟，將不斷完善和廣泛應(yīng)用。

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