基于現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的冷站CIMS系統設計與集成

　　1 引言

　　cims系統是一個(gè)以企業(yè)網(wǎng)絡(luò )為基礎把企業(yè)經(jīng)營(yíng)決策、管理、計劃、調度、過(guò)程優(yōu)化、故障診斷、現場(chǎng)控制等信息統一進(jìn)行優(yōu)化處理的系統[1]。文章以某卷煙廠(chǎng)動(dòng)力車(chē)間冷站cims系統改造設計為例，就該冷站cims系統實(shí)現的相關(guān)技術(shù)作了比較深入的討論。

　　2 cims系統集成的實(shí)現技術(shù)

　　在構建cims系統時(shí)，控制與信息網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)具有重要意義[2][3]，在該冷站cims系統設計中以支持opc技術(shù)的組態(tài)軟件為紐帶，實(shí)現控制與信息網(wǎng)的集成。

　　2.1 opc技術(shù)

　　opc是實(shí)現控制系統現場(chǎng)設備級與過(guò)程監控級間信息互聯(lián)的關(guān)鍵技術(shù)[4][5]。它以微軟的(分布式)組件對象模型為基礎，采用客戶(hù)/服務(wù)器模式，按照面向對象的原則，將一個(gè)應用程序(opc服務(wù)器)作為一個(gè)對象封裝起來(lái)，只將接口方法暴露在外面，客戶(hù)以統一的方式去調用，使用戶(hù)從低層的開(kāi)發(fā)中脫離出來(lái)。opc可實(shí)現遠程調用，使應用程序的分布與系統硬件的分布無(wú)關(guān)，便于系統硬件配置，從而使系統的應用范圍更廣。實(shí)際上，opc是提供了一種機制，使系統能夠以標準的方式從數據源獲取數據并將其傳遞給任何客戶(hù)程序。

　　opc服務(wù)器是數據的供應方，負責為 opc客戶(hù)端提供所需的數據;opc客戶(hù)端是數據的使用方，opc服務(wù)器作為現場(chǎng)總線(xiàn)體系結構的中間層，將現場(chǎng)信號按照統一的標準與 scada、hmi等軟件無(wú)縫連接起來(lái)，把硬件和應用軟件有效地分開(kāi). opc服務(wù)器對下層設備提供接口，使現場(chǎng)的各種過(guò)程信息能夠進(jìn)入opc服務(wù)器，從而實(shí)現向下互聯(lián);opc服務(wù)器還對上層設備提供標準的接口，使上層信息網(wǎng)絡(luò )(intranet)設備能夠取得 opc服務(wù)器中的數據，從而實(shí)現向上互聯(lián)，這兩種互聯(lián)都是雙向的。通過(guò)opc接口就能訪(fǎng)問(wèn)所有提供了opc服務(wù)器的現場(chǎng)設備,實(shí)現與現場(chǎng)設備的通信。

　　圖1 opc在控制系統中所處位置

　　2.2 監控組態(tài)軟件

　　為設備配套方便，系統使用rsview32組態(tài)軟件。該組態(tài)軟件通過(guò)其繪圖工具可生成各種圖形對象或文本，提供了大量的工業(yè)設備圖形、儀表符號，還提供趨勢圖、歷史曲線(xiàn)、組數據分析圖等圖形庫，可以直接使用其它繪圖軟件包如autocad、 coreldraw等生成的對象。它提供的圖形化用戶(hù)界面gui友好，包括一整套windows風(fēng)格的窗口、彈出菜單、按鈕、消息區、工具欄、滾動(dòng)條和監控畫(huà)面等，其動(dòng)畫(huà)控制功能畫(huà)面豐富多彩，可以激活圖形對象以使它反映出過(guò)程變化，為設備的正常運行、操作人員的集中監控提供了極大的方便。此外，其重要的特點(diǎn)是具有強大的通信功能、良好的開(kāi)放性以及數據庫資源共享[6]。

　　(1) 數據庫資源共享

　　開(kāi)放式設計可以很容易地與 microsoft產(chǎn)品共享信息，其實(shí)時(shí)標簽數據庫是odbc[7]兼容數據庫，可以利用其它數據庫工具如:microsoft access、sybase、sql server等瀏覽并管理標簽，實(shí)現本地控制單元與上位機之間數據和信息共享，為用戶(hù)提供更為集中的數據操作環(huán)境，實(shí)現信息集中管理。

　　(2) 強大的通信功能

　　該組態(tài)軟件能與多種通信協(xié)議互聯(lián)，支持多種硬件設備，如allen-bradley、modicon、siemens、omron等公司的各種型號 plc，適應各類(lèi)測控硬件設備，可以滿(mǎn)足不同測點(diǎn)的要求。向下可以通過(guò)rslinx、opc等與數據采集硬件通信;向上可以通過(guò) tcp/ip，ethernet與高層管理網(wǎng)互聯(lián)。opc使rsview32可以作為一個(gè)客戶(hù)端或服務(wù)器，允許在不同的rsview32站以及其它opc 服務(wù)器之間進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通訊。

　　(3) 組態(tài)軟件在監控系統中的地位

　　在監控系統中，投入運行的監控組態(tài)軟件是系統的數據采集處理中心、遠程監視中心和數據轉發(fā)中心[8]。如圖2所示，它處于運行狀態(tài)的監控組態(tài)軟件與各種控制、檢測設備(如掛接在現場(chǎng)總線(xiàn)上的工控計算機、plc)等共同構成快速響應/控制中心。監控組態(tài)軟件投入運行后，操作人員可以在其支持下完成以下各項任務(wù):

　　圖2 組態(tài)軟件在scada系統中的地位

　　查看生產(chǎn)現場(chǎng)的實(shí)時(shí)數據及流程畫(huà)面，瀏覽各實(shí)時(shí)/歷史趨勢畫(huà)面;

　　自動(dòng)打印各種實(shí)時(shí)/歷史生產(chǎn)報表;

　　及時(shí)得到各種過(guò)程報警和系統報警;

　　在需要時(shí)，可人為干預生產(chǎn)過(guò)程，修改生產(chǎn)過(guò)程參數和狀態(tài);

　　與管理部門(mén)的計算機聯(lián)網(wǎng)，為管理部門(mén)提供生產(chǎn)實(shí)時(shí)數據。

　　rsview32支持opc技術(shù)，是連接控制網(wǎng)絡(luò )與信息網(wǎng)絡(luò )的橋梁。通過(guò)opc接口，它不僅能連接從現場(chǎng)設備傳送來(lái)的信息，而且可以與其它應用軟件交換數據;通過(guò)opc接口，可以實(shí)現信息網(wǎng)絡(luò )與控制網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)數據庫的互聯(lián)，即實(shí)現控制網(wǎng)絡(luò )與信息網(wǎng)絡(luò )的集成。

　　3 基于controlnet的冷站cims系統

　　3.1 冷站cims體系構建

　　為了實(shí)現底層控制網(wǎng)絡(luò )與工廠(chǎng)信息網(wǎng)絡(luò )的連接，將車(chē)間層的現場(chǎng)設備信息及生產(chǎn)過(guò)程數據實(shí)時(shí)傳輸到工廠(chǎng)管理層，實(shí)現控制網(wǎng)絡(luò )與信息網(wǎng)絡(luò )的集成，構建了基于controlnet現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的cims 系統:設計中采用了車(chē)間過(guò)程監控級、工廠(chǎng)管理級二層網(wǎng)絡(luò )結構,結構圖如圖3所示。

　　3.2 系統軟件架構

　　為實(shí)現控制網(wǎng)絡(luò )與信息網(wǎng)絡(luò )數據的鏈接、交換與融合，構建了如圖4所示的軟件架構。在監控層，rsview32利用實(shí)時(shí)數據庫對現場(chǎng)實(shí)時(shí)數據進(jìn)行存儲;在管理層，rsview32可實(shí)現與監控層數據的鏈接與交換。實(shí)現控制網(wǎng)絡(luò )與信息網(wǎng)絡(luò )集成，要解決的核心問(wèn)題有:

　　圖3 冷站cims結構示意圖

　　圖4 系統軟件架構示意圖

　　(1) 如何實(shí)現實(shí)時(shí)數據的采集，將其寫(xiě)入組態(tài)軟件實(shí)時(shí)數據庫;

　　(2) 如何實(shí)現管理監控機與中間監控上位機間組態(tài)軟件內部實(shí)時(shí)數據信息的交換，并實(shí)現遠程監控。

　　在冷站控制系統中，監控層組態(tài)軟件既是opc客戶(hù)端，又作為opc服務(wù)器端。在實(shí)現現場(chǎng)設備實(shí)時(shí)數據的采集時(shí)，組態(tài)軟件作為opc客戶(hù)端，制冷機可編程控制器plc作為opc服務(wù)器。每個(gè)opc服務(wù)器都被作為一個(gè)外部設備，可以進(jìn)行定義、增加或刪除。在系統運行中，opc服務(wù)器對下層設備提供接口，使得現場(chǎng)控制層的各種過(guò)程信息能夠進(jìn)入opc服務(wù)器; rsview32和每個(gè)opc服務(wù)器建立連接，自動(dòng)完成和opc服務(wù)器之間的數據交換，把各子系統的數據采集到組態(tài)軟件的實(shí)時(shí)數據庫中。同時(shí)，監控層上位機組態(tài)軟件rsview32又作為opc服務(wù)器端，管理層監控軟件rsview32作為其opc客戶(hù)端，通過(guò)對客戶(hù)端與服務(wù)器端的通訊配置，實(shí)現控制網(wǎng)絡(luò )與信息網(wǎng)絡(luò )的數據交換與集成。

　　4 冷站控制網(wǎng)絡(luò )監控操作平臺的組態(tài)設計

　　4.1 實(shí)現冷站系統的控制功能軟件組態(tài)設計的主要內容

　　(1) 人機界面。在人機界面上顯示冷站工藝流程圖，也即模擬顯示現場(chǎng)系統及其環(huán)境;顯示現場(chǎng)設備操作方式、控制開(kāi)關(guān)及運行狀態(tài)等;顯示系統運行環(huán)境和工作的說(shuō)明信息;顯示類(lèi)似于其它windows應用軟件界面彈出式菜單，以便供操作人員調用非主界面信息，如各種現場(chǎng)設備的歷史運行曲線(xiàn)圖、生產(chǎn)報表、二級顯示監控界面和報警記錄等。

　　(2) 實(shí)時(shí)和歷史數據的管理。包括對各種實(shí)時(shí)數據的響應和處理方式的設計，對歷史數據的篩選和存儲管理的設計，實(shí)時(shí)和歷史數據的顯示設計(如采用動(dòng)態(tài)顯示曲線(xiàn)圖、歷史趨勢圖、報表等)，實(shí)時(shí)和歷史數據的輸出設計(如打印方式、與其它應用軟件程序的數據交換協(xié)議以及網(wǎng)絡(luò )發(fā)布方式等等)。

　　(3) 報警和事件管理。對現場(chǎng)事故和故障信息予以記錄，使相應的報警信息顯示到監控界面或傳送給其它聲、光報警裝置，同時(shí)也將報警信息傳送給相應的控制處理單元;對現場(chǎng)生產(chǎn)事件和操作信息進(jìn)行記錄，以圖表形式提供查詢(xún)系統的運行操作情況。

　　4.2 創(chuàng )建項目

　　rsview32組態(tài)軟件主要包括系統、圖形顯示、警報、數據記錄設置、邏輯和控制等組件，運用這些基本組件可方便地開(kāi)發(fā)出監控系統的上述功能。首先在 rsview32中創(chuàng )建這個(gè)項目:某卷煙廠(chǎng)冷站控制系統。先打開(kāi)rsview32，單擊工具欄“文件”菜單里的“新建”按鈕，在“創(chuàng )建項目”對話(huà)框的“項目名”里填寫(xiě)本項目名稱(chēng)，圖5所示，然后單擊“打開(kāi)”，就完成了項目的創(chuàng )建。一旦創(chuàng )建了項目，即可看到項目管理器(project manager),就可以在系統通訊配置后進(jìn)行圖形、報警或趨勢等的畫(huà)面組態(tài)。

　　4.3 通道節點(diǎn)組態(tài)

　　rsview32通過(guò)附帶的 rslinx與掛接在controlnet上的可編程控制進(jìn)行通訊，所以在啟動(dòng)rsview32之前要先打開(kāi)rslinx。啟動(dòng)rsview32后，雙擊項目編輯器里的“系統”組件，出現通道和節點(diǎn)等編輯器。在通道編輯器里選擇節點(diǎn)所連接的網(wǎng)絡(luò )controlnet。由于本系統采用的可編程控制器是 omronplc、control logix5555，在節點(diǎn)編輯器中:數據源選擇“opc服務(wù)器”，rsview32通過(guò)rslinx與omronplc、 controllogix5555進(jìn)行通信，各制冷機節點(diǎn)為opc服務(wù)器，組態(tài)軟件則為opc客戶(hù)端。在節點(diǎn)名中輸入自定義的可編程控制器的節點(diǎn)名，冷卻塔的節點(diǎn)名為opcnode_cooltower。選中“啟用”，單擊“接受”保存節點(diǎn)定義，單擊“下一個(gè)”，然后定義另一個(gè)節點(diǎn)，或選擇“關(guān)閉”命令，退出節點(diǎn)編輯。

　　4.4 標記數據庫組態(tài)

　　標記數據庫是由稱(chēng)為標記的記錄組成。系統內各部分都可以使用標記值。圖形顯示使用標記值來(lái)控制動(dòng)畫(huà)對象或更新趨勢圖形;警報系統監視標記值并把它們與“可接受”范圍進(jìn)行比較;“數據記錄”則存儲標記值并創(chuàng )建歷史記錄。但標記值存儲在數值表格里，而不是在數據庫里?？赏ㄟ^(guò)把標記的數值記錄到數據文件里，使標記值永久地記錄在磁盤(pán)里。要創(chuàng )建一個(gè)標記，需要指定它的名字、鍵入它的數據、以及它的數據源。在標記數據庫編輯器里設置單個(gè)標記的警報，可以在添加標記時(shí)設置，或以后編輯標記時(shí)添加這個(gè)信息。

　　在創(chuàng )建本項目時(shí)，rsview32將創(chuàng )建系統標記。若標記數據庫需監視標記參數值的變化過(guò)程以產(chǎn)生報警信息時(shí)，就必須進(jìn)行報警信息組態(tài)，指定哪些標記需要監視報警信息。在標記數據庫編輯器里選擇一個(gè)標記，然后選擇“alarm”警報框啟動(dòng)警報編輯器。本程序帶報警的標記都為開(kāi)關(guān)量標記，即如果該標記的值為1則觸發(fā)報警。

　　標記數據庫創(chuàng )建好之后，就可將標記參數與趨勢或歷史報表建立聯(lián)系，使系統可以以曲線(xiàn)或表格的形式向用戶(hù)顯示實(shí)時(shí)數據的變化過(guò)程。rsview32的趨勢、歷史報表都是以標準圖形的形式給出的，開(kāi)發(fā)者需要對相應的參數進(jìn)行設置。趨勢中的參數包括時(shí)間范圍、掃描周期、數值范圍、數據源等，歷史報表中的參數則包括報表的起始時(shí)刻、時(shí)間范圍、時(shí)間間隔、數據源、變量等。

　　4.5 畫(huà)面組態(tài)

　　圖形編輯器中提供了大量的圖形對象，利用這些基本圖形對象以及插入外部位圖，可以組態(tài)設計出冷站控制系統流程圖畫(huà)面和各工況畫(huà)面，監控主畫(huà)面是缺省的主畫(huà)面，需要時(shí)可切換到各工況畫(huà)面。

　　冷站控制系統的監控主畫(huà)面由操作參數、工程參數、狀態(tài)顯示、歷史曲線(xiàn)、歷史報警、通訊測試、報表打印等組成。在主畫(huà)面中通過(guò)選擇各菜單項，可以執行窗口的切換。狀態(tài)顯示的是整個(gè)冷站監控系統的設備、管道、閥門(mén)的連接情況和運行原理，當系統沒(méi)有啟動(dòng)時(shí)，整個(gè)畫(huà)面是靜態(tài)的。一旦系統進(jìn)入運行，畫(huà)面將顯示當前的工況、相應設備和閥門(mén)開(kāi)啟，管道內的介質(zhì)不停地流動(dòng)，同時(shí)從現場(chǎng)檢測的溫度、壓力、流量顯示在對應位置。上述的動(dòng)畫(huà)是通過(guò)圖形編輯器中的動(dòng)畫(huà)連接功能實(shí)現的。冷站控制系統監控界面如圖5和圖6所示。

　　圖5 冷站運行概圖

　　圖6 制冷機組內部流程圖

　　rsview32還可以用報警圖形對象來(lái)組態(tài)設備或工藝參數的報警畫(huà)面，設備的故障報警由自身所帶的控制器判斷并執行相應保護動(dòng)作，但其報警信息可通過(guò)通信接口上傳，顯示在設備報警畫(huà)面上;工藝參數的報警根據數據庫組態(tài)時(shí)設定的報警參數，當有報警發(fā)生時(shí)，在報警畫(huà)面上顯示報警產(chǎn)生的時(shí)間、報警位號、報警類(lèi)別、報警當前值以及是否被確認等信息，同時(shí)發(fā)出聲音報警，關(guān)閉相關(guān)設備，用戶(hù)可以通過(guò)確認按鈕對當前報警進(jìn)行確認后，進(jìn)行故障的排除。

　　5 信息網(wǎng)絡(luò )的組態(tài)設計

　　5.1 opc遠程通訊設計

　　現場(chǎng)上位監控站采用opc與遠動(dòng)生產(chǎn)管理中心的監控站進(jìn)行通訊。opc 使rsview32可以作為一個(gè)客戶(hù)端或服務(wù)器，允許在不同的rsview32站以及其它opc服務(wù)器之間進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通訊。本系統以現場(chǎng)的 rsview32上位監控機作為服務(wù)器，遠動(dòng)管理中心的rsview32監控機作為客戶(hù)端，客戶(hù)端通過(guò)以太網(wǎng)用服務(wù)器的rsview32命令 rtdataserveron來(lái)讀取服務(wù)器的實(shí)時(shí)標記值，用命令rtdatawriteenable來(lái)寫(xiě)服務(wù)器的實(shí)時(shí)標記值。設置方案如下:對于服務(wù)器，選擇“啟動(dòng)”編輯器里“啟動(dòng)”頁(yè)上的“opc/dde server”復選框，發(fā)出rtdata serveron命令;對于客戶(hù)端，把服務(wù)器設置成一個(gè)opc節點(diǎn)，指定opc服務(wù)器名，在標記數據庫定義一個(gè)以設備為數據源的標記，并為該標記選擇 opc節點(diǎn)，指定opc條目提供標記數值。

　　5.2 在主站的操作系統中配置dcom

　　由于opc是根據microsoft的ole/com和dcom技術(shù)要求功能制定的一個(gè)開(kāi)放和互用式的用戶(hù)界面標準，所以必須先在主站的操作系統中配置dcom(分布式com配置屬性)，步驟如下:

　　(1) 在windows2000操作界面上單擊“開(kāi)始”，選“運行”，鍵入dcomcnfg，然后單擊“確定”，進(jìn)入“分布式com配置屬性”，進(jìn)行“應用程序”的設置;

　　(2) 進(jìn)行“默認屬性”的設置;

　　(3) 進(jìn)行“默認安全機制”的設置。

　　5.3 服務(wù)器和客戶(hù)端的rsview32通訊設置

　　rsview32服務(wù)器的計算機名為coldstation，上位監控程序名為jyc，客戶(hù)端的計算機名為remote，上位監控程序名為rmjyc1。首先對服務(wù)器rsview32進(jìn)行通訊設置，再對客戶(hù)端的rsview32進(jìn)行通訊配置.

　　在程序rmjyc1運行后，rmjyc1的標記就可讀取jyc的標記值，實(shí)現遠程實(shí)時(shí)監控。

　　6 系統監控軟件的操作實(shí)現

　　6.1 現場(chǎng)上位監控程序的操作實(shí)現

　　冷站控制系統現場(chǎng)上位機進(jìn)入rsview32上位監控平臺，打開(kāi)名為“jyc”的上位監控程序，在項目管理器里，單擊選項卡“運行模式”，再單擊狀態(tài)欄“運行項目”，現場(chǎng)上位監控程序運行后，程序就按啟動(dòng)序列預先設置的運行步驟運行。程序運行后立即出現主監控界面，如圖7所示。主畫(huà)面除標題和日期時(shí)間外，主要包括9個(gè)按鈕圖標，它們分別代表9個(gè)主功能模塊，這些按鈕也稱(chēng)為系統的一級菜單，通過(guò)點(diǎn)擊相應按鈕即可進(jìn)入對應功能模塊。由于啟動(dòng)宏“st”里面設有命令“set autocontrol 0”，所以此時(shí)泵站處于人工控制狀態(tài)，值班人員可以在人工控制運行和自動(dòng)控制運行之間進(jìn)行切換。

　　6.2 遠程上位監控程序的操作實(shí)現

　　圖7 冷站監控主界面

　　遠程監控機進(jìn)入 rsview32上位監控平臺，打開(kāi)名為“rmjyc1”的上位監控程序，在項目管理器里，單擊選項卡“運行模式”，再單擊狀態(tài)欄“運行項目”，遠程監控程序運行后，就按照啟動(dòng)序列的設置，出現主監控界面。由于現場(chǎng)監控程序jyc在啟動(dòng)時(shí)就執行了命令rtdataserveron和 rtdatawriteenable，使遠程監控程序rmjyc1能實(shí)時(shí)讀取現場(chǎng)監控程序的標記值，并組態(tài)成與現場(chǎng)監控程序相同的各級監控界面。若需要進(jìn)行遠程管理，遠動(dòng)的值班人員和現場(chǎng)的值班人員一樣，可以通過(guò)人工控制冷站運行的相關(guān)操作，進(jìn)入有關(guān)操作界面，控制制冷機組的啟停，實(shí)現遠程管理。

　　7 結束語(yǔ)

　　文章基于controlnet總線(xiàn)技術(shù)的冷站系統集成設計，構建了冷站的cims系統。在對opc技術(shù)和組態(tài)軟件分析基礎上，構建了整個(gè)冷站控制系統集成的軟件架構，用rsview32組態(tài)軟件對冷站控制網(wǎng)絡(luò )和信息網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行了組態(tài)設計，實(shí)現了對控制網(wǎng)絡(luò )與信息網(wǎng)絡(luò )的集成。