基于IPC的SNAP I/O分布式控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
| 1．引言 SNAP I/O控制系統(tǒng)是一個基于工控機(jī)(IPC)控制的現(xiàn)場分布式I/O控制系統(tǒng)，主要應(yīng)用于工業(yè)自動化控制領(lǐng)域。在它所提供的軟硬件開發(fā)平臺上，用戶可根據(jù)現(xiàn)場需要構(gòu)成一個從幾點(diǎn)到上萬點(diǎn)的可靈活配置的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以工控機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，在開發(fā)、設(shè)計(jì)、調(diào)試、維護(hù)等方面較容易，尤其在模擬量的處理、浮點(diǎn)運(yùn)算、PID調(diào)節(jié)、通訊、多媒體、人機(jī)界面等方面有較強(qiáng)功能。該系統(tǒng)既可采用上下位機(jī)方式，又可在現(xiàn)場采用多級CPU控制處理構(gòu)成一個分布式I/O系統(tǒng)，所以系統(tǒng)的實(shí)時性、可靠性、靈活性較強(qiáng)。SNAP I/O系統(tǒng)以其方便的開發(fā)手段、卓越的產(chǎn)品性能、無與倫比的可靠性正被越來越多的工程技術(shù)人員運(yùn)用于冶金、建材、石化、水處理，樓宇自動化，城市自動化等各行各業(yè)。本文結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用主要介紹SNAP I/O控制系統(tǒng)的構(gòu)成及配置 2． 系統(tǒng)構(gòu)成 SNAP I/O系統(tǒng)主要由工控機(jī)、控制器、智能處理器、I/O模塊組成，控制器之間及智能處理器之間可采用串行、并行或以太網(wǎng)通訊方式，通訊采用OptomuxTM、PamuxTM、MisticTM通訊協(xié)議。圖1為該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。  圖1. SNAP I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 1通道 至多255個 2通道 至多64個 3通道 至多16個 1)主控制器 SNAP I/O控制系統(tǒng)的主控制器成本低，性能高，體積小，可結(jié)合SNAP I/O單元處理器、Mistic遠(yuǎn)程I/O單元處理器和Optomux單元處理器一起應(yīng)用。主控制器的作用是運(yùn)行整個被組態(tài)好的控制算法和協(xié)調(diào)整個控制系統(tǒng)的通訊，包括各個單元處理器之間的通訊。SNAP I/O控制系統(tǒng)的工作方式如下：從上位機(jī)將控制算法下裝到主控制器中，然后控制器將回路控制、邏輯功能及I/O智能化功能分配給相關(guān)的單元處理器，由單元處理器的CPU來完成，控制算法的主體在主控制器中由Flash ROM中的內(nèi)核對其進(jìn)行解釋執(zhí)行，當(dāng)控制策略需要現(xiàn)場實(shí)時數(shù)據(jù)時，主控制器以通訊的方式向單元處理器獲取數(shù)據(jù)。 2)單元處理器 單元處理器是整個SNAP I/O中最重要的部分，它既可以和主控制器結(jié)合組成完整的控制系統(tǒng)，也可以直接和上位機(jī)結(jié)合起來當(dāng)作遠(yuǎn)程I/O單元來應(yīng)用。其作用是：完成和主控制器之間的多種通訊方式，并對主控制器的要求作出快速響應(yīng)；實(shí)現(xiàn)I/O的智能化，處理簡單邏輯功能，如事件響應(yīng)、PID回路控制、高速計(jì)數(shù)及工程單位轉(zhuǎn)換等；對本單元的I/O點(diǎn)進(jìn)行定期掃描。其專用開發(fā)工具可以讓計(jì)算機(jī)直接與單元處理器通訊，它包括最新的32位Windows驅(qū)動程序，16位Windows驅(qū)動程序和DOS的驅(qū)動程序，用戶可以用高級語言如：Visual C++或Visual Basic直接對I/O進(jìn)行采集、運(yùn)算和控制。 3)I/O模塊 SNAP I/O控制系統(tǒng)有數(shù)字量和模擬量模塊。I/O模塊都是高集成度的模塊，數(shù)字量集成了4個通道，模擬量集成了1或2個通道。每個模塊只要簡單的插拔就可在SNAP的底板上安裝，模塊項(xiàng)端還有可插拔的現(xiàn)場接線端子，這樣在不改變現(xiàn)場接線的情況下就能方便地更換模塊。 數(shù)字量輸入、輸出模塊 SNAP I/O系統(tǒng)的數(shù)字量輸入、輸出模塊非常豐富。其中每個輸入模塊提供4通道的輸入信號，可以接受的電平信號包括5VDC、12VDC、24VDC、48VDC/AC、110VDC/AC、220VAC。每個輸出模塊提供4通道的輸出信號，可以接交流、直流負(fù)載，也提供繼電器輸出模塊，一般每個模塊的負(fù)載能力是3A。為了方便調(diào)試，每個模塊的通道都有LED指示，有的模塊還帶手動/自動開關(guān)。Opto 22 提供的高速計(jì)數(shù)模塊，計(jì)數(shù)頻率最高達(dá)20KHz。所有模塊都提供內(nèi)部邏輯端和外部現(xiàn)場端的4000VDC光電隔離。所有模塊都提供對應(yīng)的通過FM認(rèn)證的模塊型號。 模擬量輸入、輸出模塊 模擬量輸入、輸出模塊與SNAP I/O控制系統(tǒng)的智能處理器配套使用，安裝在SNAP-B系列的底板上。其中模擬量輸入模塊種類繁多，可滿足工業(yè)現(xiàn)場的各種信號需要，如標(biāo)準(zhǔn)的電流、電壓、熱電偶、熱電阻信號，還有非標(biāo)準(zhǔn)的0-10A/AC/DC電流，0-250V/AC/DC電壓、0-25KHz的頻率、-150mV---+150mV 電壓、ICTD溫度信號都可以直接與模擬量輸入模塊相接，無需變送器轉(zhuǎn)換。每個模塊可提供1-2通道，每個通道提供15位A/D轉(zhuǎn)換，使得測量精度高達(dá)0.004%。 模擬量輸出模塊插在SNAP-B系列的底板上，每個模塊有1-2個通道， 12位D/A分辨率。 每個模塊本身具有微處理器，具有在板智能功能，是OEM客戶的理想選擇。SNAP I/O系統(tǒng)的模擬量輸出模塊除提供標(biāo)準(zhǔn)的電流、電壓輸出外，還提供時間比例輸出模塊。 所有輸入、輸出模塊均提供邏輯端到現(xiàn)場端間的4000VDC光電隔離和變送隔離，消除地回路及信號間干擾；模塊之間以及模塊與單元處理器間均是相互隔離的。有些模塊不僅通道間隔離，還帶配電功能。 3.系統(tǒng)特點(diǎn) 1).可靠性高 SNAP I/O系統(tǒng)符合美國Class 1，Divsion 2，Group A.B.C.D 的FM認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。能達(dá)到危險(xiǎn)領(lǐng)域的控制要求。Opto 22生產(chǎn)的所有產(chǎn)品都提供4000V光電隔離。 2).可擴(kuò)展性好 SNAP I/O系統(tǒng)主控制器通過RS485或ARCNET網(wǎng)的通訊方式，可以和多達(dá)64個的智能處理器通訊，一般系統(tǒng)是很難用完的，以后擴(kuò)展，只需增加智能處理器部分，非常容易。 3).I/O點(diǎn)的智能化 對于SNAP I/O系統(tǒng)，它的每個I/O點(diǎn)都可以完成智能化的功能，這是它與PLC和DCS的主要區(qū)別。這些功能都是在智能處理器中完成的，無須控制器干預(yù)。其中數(shù)字I/O點(diǎn)具有：輸入鎖定；脈寬檢測（0.1ms）；計(jì)數(shù)（20KHz）；ON/OFF狀態(tài)時間求和；脈沖輸出；時間比例輸出；看門狗；設(shè)置故障時的安全值。模擬量I/O具有：PID運(yùn)算；高低限監(jiān)測；熱電偶線性化；數(shù)字濾波；斜坡/波形產(chǎn)生；可調(diào)偏差/增益；工程單位轉(zhuǎn)換；平方根處理；求和值、******值、最小值和平均值；看門狗；設(shè)置故障時的安全值。大大提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。 4).通信、網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)、開放性好 SNAP I/O系統(tǒng)支持各種通訊方式，并且自己通訊協(xié)議完全公開，非常開放,包括串口、ARCNET、Ethernet，很容易與其他設(shè)備連網(wǎng)或通訊。 5).分布式、現(xiàn)場化 SNAP I/O系統(tǒng)是典型的分布式控制系統(tǒng)， 各智能處理單元可以放在現(xiàn)場，通過通訊方式與控制器通訊。 6).可維護(hù)性高 SNAP I/O系統(tǒng)硬件非?？煽浚琁/O模塊終生保用，軟件無硬件狗和軟件狗，即使系統(tǒng)崩潰，重新安裝系統(tǒng)軟件也非常方便。 4.系統(tǒng)配置及溫度控制 4．1 系統(tǒng)配置 某煤礦地面瓦斯電站控制系統(tǒng)有開關(guān)量輸入（DI）80點(diǎn)；開關(guān)量輸出（DO）44點(diǎn)；模擬量(4-20mA)輸入（AI）：28點(diǎn)；熱電阻PT100信號（RTD）：12點(diǎn)；熱電偶信號（TC）：8點(diǎn)；模擬量(4-20mA)輸出（AO）：16點(diǎn)，全系統(tǒng)共計(jì)192點(diǎn)。工控機(jī)與控制器系統(tǒng)通過以太網(wǎng)的方式通訊。信號全部集中在控制值班室。在進(jìn)行系統(tǒng)配置時，首先，根據(jù)各信號點(diǎn)數(shù)選擇對應(yīng)的I/O模塊，確定數(shù)量。其次，根據(jù)I/O模塊的數(shù)量，選擇智能處理器和底板。再者，根據(jù)系統(tǒng)的大小和通訊要求，選擇控制器。最后，根據(jù)以上所選來配套電源和軟件。圖2為系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)具體配置如下： 1）、選擇I/O模塊： DI： 80點(diǎn)，選擇4通道開關(guān)量輸入模塊SNAP-IDC5，數(shù)量20個 DO： 44點(diǎn)，選擇4通道開關(guān)量輸出模塊SNAP-ODC5-I，數(shù)量11個 AI： 28點(diǎn)，選擇2通道模擬量輸入模塊SNAP-AIMA，數(shù)量14個 RTD：12點(diǎn)，選擇2通道熱電阻輸入模塊SNAP-AIRTD，數(shù)量6個 TC： 8點(diǎn)，選擇2通道熱電偶輸入模塊SNAP-AITM，數(shù)量4個 AO： 16點(diǎn)，選擇2通道模擬量輸出模塊SNAP-AOA-23，數(shù)量8個 模塊數(shù)量：開關(guān)量：31個，模擬量：32個； 總計(jì)：63個 2）、選擇智能處理器和底板 在SNAP I/O系統(tǒng)中，有16槽底板SNAP-B16M。根據(jù)I/O模塊的數(shù)量，我們計(jì)算出底板的數(shù)量：63/16=4； 每一個底板上必須配套一個智能處理器。以16槽底板為例：SNAP-B3000可以處理8個開關(guān)量模塊或16個模擬量模塊；若同時處理，則可以配置8個開關(guān)量模塊+8個模擬量模塊。SNAP-BRS只能處理8個開關(guān)量模塊，配套SNAP-B8M底板。我們配置4個SNAP-B3000，就可以滿足要求。 3）、選擇控制器 本系統(tǒng)要求工控機(jī)與控制器系統(tǒng)通過以太網(wǎng)的方式通訊，所以我們必須選擇SNAP-LCM4控制器，另配工業(yè)以太網(wǎng)卡M4SENET100。但在一般情況下，若系統(tǒng)規(guī)模不大，模擬量較少，可以配置SNAP-LCSX-PLUS或SNAP-LCSX控制器，他們與工控機(jī)之間采用的是RS232/485通訊方式通訊，速度相應(yīng)要低一些，控制器的性能也要弱一些。但一般可以滿足大部分工業(yè)控制要求。 4）、配套電源及軟件 一般情況下，每個底板采取單獨(dú)供電方式，SNAP-LCM4也要求單獨(dú)供電。所以在本系統(tǒng)中，需要5個電源SNAP-PS5C10。在某些情況下，特別是信號全部集中在一起，系統(tǒng)的所有底板安裝在一個控制柜內(nèi)，處理開關(guān)量信號的底板又非常多，我們也可以2-3個底板共用一個電源，但必須保證電源的負(fù)載能力在允許的范圍內(nèi)。 軟件采用配套的FactoryFloor，可以完成控制、人機(jī)界面、數(shù)據(jù)庫連接等許多功能。由于采用的是流程圖編程方式，控制程序簡單、易學(xué)、易懂、易修改、易維護(hù)。  圖2. 系統(tǒng)配置結(jié)構(gòu)圖 4．2 溫度控制 瓦斯電站燃?xì)鉁u輪機(jī)余熱鍋爐是一套冷水、熱水混合循環(huán)控制系統(tǒng)，控制對象包括熱交換器風(fēng)門、電動調(diào)節(jié)閥等多個對象。由SNAP I/O控制系統(tǒng)構(gòu)成的智能分布I/O控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)液位控制、溫度控制、壓力控制、比值控制等多種控制方案。其中溫度控制是較關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，是構(gòu)成其他控制系統(tǒng)的核心。根據(jù)現(xiàn)場要求，采用PID系統(tǒng)功能塊實(shí)現(xiàn)溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)的原理是采用熱電阻來采集鍋爐內(nèi)的溫度，與工藝設(shè)定的溫度曲線進(jìn)行比較，對誤差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)運(yùn)算，調(diào)整輸出信號，調(diào)節(jié)燃?xì)鉁u輪機(jī)與余熱鍋爐熱交換器的風(fēng)門開度，最終控制鍋爐的溫度。在PID調(diào)節(jié)過程中，控制程序開發(fā)人員可以獲取當(dāng)前的PID調(diào)節(jié)參數(shù)并可以直接把這些參數(shù)寫入配置器。該系統(tǒng)采用工控機(jī)、控制器、智能板三級CPU控制，PID運(yùn)算在最底端的智能板中處理，無須控制器參與即可完成，使系統(tǒng)具有較高的實(shí)時性；系統(tǒng)采用前端智能分布式I/O控制，系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)容量較大，擴(kuò)展方便，靈活；該系統(tǒng)的前端智能I/O模塊都具有4000V光電隔離，模擬量的通道間也提供隔離功能，具有相當(dāng)高的可靠性和較高的現(xiàn)場抗干擾能力。 該控制系統(tǒng)能夠在上位計(jì)算機(jī)上設(shè)定溫度工藝曲線，并按溫度測量值和設(shè)定值雙四位顯示；可實(shí)現(xiàn)控制的手動/自動切換和定時升溫功能；具有超溫保護(hù)及聲光報(bào)警功能；為了防止出現(xiàn)大的超調(diào)，對不同溫度給定值，取不同的積分保持上下限值，并可根據(jù)不同情況的出現(xiàn)適當(dāng)調(diào)節(jié)PID的參數(shù)；實(shí)時顯示、記錄每個檢測點(diǎn)的溫度值和壓力值，并且形成歷史數(shù)據(jù)庫文件，供今后查閱。系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，控制精度在3%以內(nèi)。 5．結(jié)束語 SNAP I/O控制系統(tǒng)在工業(yè)自動化硬件和軟件方面具有實(shí)用性以及創(chuàng)新性，它與Microsoft的操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序結(jié)合，為一體化控制提供了極為可靠的基礎(chǔ)。用戶既可以方便地進(jìn)行系統(tǒng)工程組態(tài)，可實(shí)現(xiàn)多種控制策略，易于操作，同時也易于實(shí)現(xiàn)與企業(yè)管理網(wǎng)的通訊及數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)管理監(jiān)控一體化。該系統(tǒng)在瓦斯電站應(yīng)用以來安裝調(diào)試簡便、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、人機(jī)界面友好，具有良好的應(yīng)用推廣意義。 |
