Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的可視化監(jiān)控冗余系統(tǒng)

　　1 引言

　　計(jì)算機(jī)數(shù)字通信技術(shù)及信息技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步，特別是近十年來(lái)興起的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)(Fieldbus)，它的發(fā)展促使了自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生重大變革?；?strong>現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)控制系統(tǒng)(Fieldbus Control System-FCS)的應(yīng)用越來(lái)越普遍，并朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化以及監(jiān)控管理一體化的方向發(fā)展。

　　計(jì)算機(jī)可視化監(jiān)控在20世紀(jì)80年代就已在國(guó)外出現(xiàn)。由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等方面原因，我國(guó)直到90年代中后期才得到應(yīng)用。功能由簡(jiǎn)單到復(fù)雜;在監(jiān)控范圍方面，從最初的單機(jī)到生產(chǎn)線(xiàn)乃至整個(gè)產(chǎn)業(yè);從監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)看，由初期的一主一從發(fā)展到一主多從、多主多從;硬件由初期的封閉式的自行設(shè)計(jì)發(fā)展到采用開(kāi)放的、規(guī)范的系統(tǒng)集成方案或商業(yè)產(chǎn)品。

　　在應(yīng)用計(jì)算機(jī)可視化監(jiān)控技術(shù)之前，通常使用專(zhuān)用的人工操作臺(tái)和生產(chǎn)工藝控制模擬屏，上面布置許多主令電器、指示燈及顯示儀表等，在模擬屏口還有相應(yīng)的工藝流程，這種監(jiān)控方式實(shí)質(zhì)上是一種“硬件布線(xiàn)邏輯”，必將被新型監(jiān)控方式取而代之。

　　2 可視化監(jiān)控通信網(wǎng)絡(luò)方案

　　2.1 基于“簡(jiǎn)單協(xié)議”的可視化監(jiān)控通信網(wǎng)絡(luò)

　　這里所說(shuō)的通信協(xié)議的“簡(jiǎn)單”是相對(duì)OSI/RM模型而言，圖1中一臺(tái)IPC對(duì)一臺(tái)PLC[1]進(jìn)行監(jiān)控。在IPC一方，利用VB中的Mscomm控件完成對(duì)其串口的讀寫(xiě)，VB程序Mscomm.setting=”9600,N,8,1”.這種通信能適應(yīng)單主站——單從站的通信要求,能實(shí)現(xiàn)較為單一的功能,如果情況復(fù)雜則有較大局限性。例如當(dāng)在RS485上增加PLC，所有PLC都是通信從站，IPC是主站，IPC的硬、軟件出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)監(jiān)控就無(wú)法進(jìn)行。

　　2.2 基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的可視化監(jiān)控通信網(wǎng)絡(luò)

　　現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的通信協(xié)議是以O(shè)SI/RM模型為基礎(chǔ)，以開(kāi)放互聯(lián)為目的?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通過(guò)多層次的協(xié)議能改變諸如總線(xiàn)控制、沖突檢測(cè)、鏈路保護(hù)等問(wèn)題。通信中可無(wú)“主，從”之分或多個(gè)主站存在，這樣就為冗余設(shè)置提供了基礎(chǔ)。因此只能采用基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的可視化監(jiān)控通信網(wǎng)絡(luò)才能實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)置。

　　可視化監(jiān)控的冗余是建立在現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)Profibus基礎(chǔ)上，在總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議上PROFIBUS在數(shù)據(jù)全鏈路層采用了混合介質(zhì)存取方式，為保證可視化監(jiān)控系統(tǒng)可靠運(yùn)行，形成監(jiān)控冗余系統(tǒng)也應(yīng)采用混合方式。

　　3 可視化監(jiān)控冗余系統(tǒng)的構(gòu)成

　　筆者以我校承擔(dān)的湖南金健米業(yè)股份有限公司的480噸精米生產(chǎn)自控控制系統(tǒng)項(xiàng)目討論可視化監(jiān)控冗余系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

　　金健米業(yè)股分有限公司生產(chǎn)工藝流程圖如圖2所示。由圖2可知，除了初清、清理工段為公共工段外，主要生產(chǎn)工段由兩條生產(chǎn)線(xiàn)構(gòu)成，該系統(tǒng)I/O信號(hào)的特點(diǎn)是：點(diǎn)多(接近2000點(diǎn))，分布廣。該系統(tǒng)控制特點(diǎn)是：工藝流程長(zhǎng)、變化多、連鎖關(guān)系復(fù)雜多變、物流延時(shí)、批量與連續(xù)過(guò)程兼有等等。根據(jù)工藝控制任務(wù)和要求及控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)(FCS)如圖3所示。

　　3.1 硬件方面

　　圖3中PLC1主要控制公共的初清、清理工段;PLC2、PLC3分別控制一、二線(xiàn)生產(chǎn)(分別有礱谷、碾米及整理包裝工段)。每個(gè)PLC又帶有若干個(gè)I/O遠(yuǎn)程控制站。IPC1 為操作員站，主要負(fù)責(zé)監(jiān)控;IPC2為工程師站，除了PLC編程、網(wǎng)絡(luò)配置、監(jiān)控組態(tài)之外，也作為IPC1監(jiān)控的備用。PLC采用德國(guó)西門(mén)子公司的S7-200型(CPU315-2DP);IPC采用臺(tái)灣研華公司的工控機(jī)(P2型)，配備19″顯示器和UPS、打印機(jī)等。

　　3.2 通信網(wǎng)絡(luò)及接口

　　通信網(wǎng)絡(luò)采用PROFUBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，它是由SIEMENS公司等13家企業(yè)和5家科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合提出，目前已提到了廣泛應(yīng)用。各PLC均通過(guò)西門(mén)子CP341[2]通信模塊與PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總路線(xiàn)相連。IPC則通過(guò)西門(mén)子CP5412A通信適配卡相連。如圖4、5所示。

　　3.3 軟件

　　軟件采用西門(mén)子Wincc[3]可視化監(jiān)控組態(tài)軟件。它基于32位Windows95/98/2000標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)。它具有圖形設(shè)計(jì)器、報(bào)警處理器、報(bào)表編輯器、變量管理器等。

　　通過(guò)Wincc軟件,使精米生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)可視化監(jiān)控具有較強(qiáng)的功能。按照生產(chǎn)工藝分成10幅監(jiān)控主畫(huà)面和若干生產(chǎn)數(shù)據(jù)報(bào)表畫(huà)面，各畫(huà)面可隨時(shí)可任意切換。操作者可在監(jiān)控站上對(duì)工段選擇運(yùn)行方式,當(dāng)處于自動(dòng)控制方式時(shí)，各工段自動(dòng)啟停;處于手動(dòng)方式時(shí)，可在監(jiān)控站上對(duì)各設(shè)備直接進(jìn)行人工操作。故障報(bào)警方面，在系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)故障處理的同時(shí)，除了系統(tǒng)聲光報(bào)警、相應(yīng)畫(huà)面相應(yīng)圖案變色或閃爍外，還立即生成各成信息表。

　　可視化監(jiān)控軟件冗余體現(xiàn)在可視化監(jiān)控組態(tài)軟件Wincc的“冗余度“功能。這種功能使兩個(gè)并行的Wincc監(jiān)控站同時(shí)運(yùn)行，以保證監(jiān)控的連續(xù)性。圖3中，如果IPC1發(fā)生故障，IPC2即可接替監(jiān)控。當(dāng)IPC1恢復(fù)運(yùn)行時(shí)，在IPC1停止運(yùn)行期間IPC2秘采集的全部數(shù)據(jù)都會(huì)自動(dòng)自制到IPC1，從而再一次同時(shí)運(yùn)行兩個(gè)Wincc監(jiān)控站。

　　4 可視化監(jiān)控冗余系統(tǒng)的特點(diǎn)

　　與傳統(tǒng)的控制方式相比，筆者認(rèn)為至少有以下三方面的特點(diǎn)。

　　1)使生產(chǎn)的控制與管理過(guò)程可視化、科學(xué)化。計(jì)算機(jī)顯示屏上的圖形、圖象以及鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等都是人機(jī)信息交互的手段。

　　2)工能齊全。目全計(jì)算機(jī)可視化監(jiān)控技術(shù)的最大特點(diǎn)是實(shí)時(shí)多任務(wù)，即：數(shù)據(jù)的采集與輸出、數(shù)據(jù)處理與算法實(shí)現(xiàn)、圖形顯示及人機(jī)對(duì)話(huà)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與檢索、實(shí)時(shí)通信等多個(gè)任務(wù)在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上同時(shí)進(jìn)行。

　　3)運(yùn)行可靠。大量開(kāi)關(guān)、指示燈、儀表的操作臺(tái)和模擬屏被取代后，硬件及接線(xiàn)大大減少，顯著地降低了硬件故障引起監(jiān)控異常的概率;此外若采用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)環(huán)境就允許設(shè)置多個(gè)監(jiān)控主站，可形成冗余監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控主站之間可互為備用，這樣就有效地提高了運(yùn)行的可靠性。