基于現(xiàn)場總線技術的冷站CIMS系統(tǒng)設計與集成

　　1 引言

　　cims系統(tǒng)是一個以企業(yè)網(wǎng)絡為基礎把企業(yè)經(jīng)營決策、管理、計劃、調(diào)度、過程優(yōu)化、故障診斷、現(xiàn)場控制等信息統(tǒng)一進行優(yōu)化處理的系統(tǒng)[1]。文章以某卷煙廠動力車間冷站cims系統(tǒng)改造設計為例，就該冷站cims系統(tǒng)實現(xiàn)的相關技術作了比較深入的討論。

　　2 cims系統(tǒng)集成的實現(xiàn)技術

　　在構建cims系統(tǒng)時，控制與信息網(wǎng)絡互聯(lián)具有重要意義[2][3]，在該冷站cims系統(tǒng)設計中以支持opc技術的組態(tài)軟件為紐帶，實現(xiàn)控制與信息網(wǎng)的集成。

　　2.1 opc技術

　　opc是實現(xiàn)控制系統(tǒng)現(xiàn)場設備級與過程監(jiān)控級間信息互聯(lián)的關鍵技術[4][5]。它以微軟的(分布式)組件對象模型為基礎，采用客戶/服務器模式，按照面向?qū)ο蟮脑瓌t，將一個應用程序(opc服務器)作為一個對象封裝起來，只將接口方法暴露在外面，客戶以統(tǒng)一的方式去調(diào)用，使用戶從低層的開發(fā)中脫離出來。opc可實現(xiàn)遠程調(diào)用，使應用程序的分布與系統(tǒng)硬件的分布無關，便于系統(tǒng)硬件配置，從而使系統(tǒng)的應用范圍更廣。實際上，opc是提供了一種機制，使系統(tǒng)能夠以標準的方式從數(shù)據(jù)源獲取數(shù)據(jù)并將其傳遞給任何客戶程序。

　　opc服務器是數(shù)據(jù)的供應方，負責為 opc客戶端提供所需的數(shù)據(jù);opc客戶端是數(shù)據(jù)的使用方，opc服務器作為現(xiàn)場總線體系結構的中間層，將現(xiàn)場信號按照統(tǒng)一的標準與 scada、hmi等軟件無縫連接起來，把硬件和應用軟件有效地分開. opc服務器對下層設備提供接口，使現(xiàn)場的各種過程信息能夠進入opc服務器，從而實現(xiàn)向下互聯(lián);opc服務器還對上層設備提供標準的接口，使上層信息網(wǎng)絡(intranet)設備能夠取得 opc服務器中的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)向上互聯(lián)，這兩種互聯(lián)都是雙向的。通過opc接口就能訪問所有提供了opc服務器的現(xiàn)場設備,實現(xiàn)與現(xiàn)場設備的通信。

　　圖1 opc在控制系統(tǒng)中所處位置

　　2.2 監(jiān)控組態(tài)軟件

　　為設備配套方便，系統(tǒng)使用rsview32組態(tài)軟件。該組態(tài)軟件通過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、組數(shù)據(jù)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界面gui友好，包括一整套windows風格的窗口、彈出菜單、按鈕、消息區(qū)、工具欄、滾動條和監(jiān)控畫面等，其動畫控制功能畫面豐富多彩，可以激活圖形對象以使它反映出過程變化，為設備的正常運行、操作人員的集中監(jiān)控提供了極大的方便。此外，其重要的特點是具有強大的通信功能、良好的開放性以及數(shù)據(jù)庫資源共享[6]。

　　(1) 數(shù)據(jù)庫資源共享

　　開放式設計可以很容易地與 microsoft產(chǎn)品共享信息，其實時標簽數(shù)據(jù)庫是odbc[7]兼容數(shù)據(jù)庫，可以利用其它數(shù)據(jù)庫工具如:microsoft access、sybase、sql server等瀏覽并管理標簽，實現(xiàn)本地控制單元與上位機之間數(shù)據(jù)和信息共享，為用戶提供更為集中的數(shù)據(jù)操作環(huán)境，實現(xiàn)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，適應各類測控硬件設備，可以滿足不同測點的要求。向下可以通過rslinx、opc等與數(shù)據(jù)采集硬件通信;向上可以通過 tcp/ip，ethernet與高層管理網(wǎng)互聯(lián)。opc使rsview32可以作為一個客戶端或服務器，允許在不同的rsview32站以及其它opc 服務器之間進行點對點通訊。

　　(3) 組態(tài)軟件在監(jiān)控系統(tǒng)中的地位

　　在監(jiān)控系統(tǒng)中，投入運行的監(jiān)控組態(tài)軟件是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集處理中心、遠程監(jiān)視中心和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中心[8]。如圖2所示，它處于運行狀態(tài)的監(jiān)控組態(tài)軟件與各種控制、檢測設備(如掛接在現(xiàn)場總線上的工控計算機、plc)等共同構成快速響應/控制中心。監(jiān)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:

　　圖2 組態(tài)軟件在scada系統(tǒng)中的地位

　　查看生產(chǎn)現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)及流程畫面，瀏覽各實時/歷史趨勢畫面;

　　自動打印各種實時/歷史生產(chǎn)報表;

　　及時得到各種過程報警和系統(tǒng)報警;

　　在需要時，可人為干預生產(chǎn)過程，修改生產(chǎn)過程參數(shù)和狀態(tài);

　　與管理部門的計算機聯(lián)網(wǎng)，為管理部門提供生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)。

　　rsview32支持opc技術，是連接控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡的橋梁。通過opc接口，它不僅能連接從現(xiàn)場設備傳送來的信息，而且可以與其它應用軟件交換數(shù)據(jù);通過opc接口，可以實現(xiàn)信息網(wǎng)絡與控制網(wǎng)絡實時數(shù)據(jù)庫的互聯(lián)，即實現(xiàn)控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡的集成。

　　3 基于controlnet的冷站cims系統(tǒng)

　　3.1 冷站cims體系構建

　　為了實現(xiàn)底層控制網(wǎng)絡與工廠信息網(wǎng)絡的連接，將車間層的現(xiàn)場設備信息及生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)焦S管理層，實現(xiàn)控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡的集成，構建了基于controlnet現(xiàn)場總線技術的cims 系統(tǒng):設計中采用了車間過程監(jiān)控級、工廠管理級二層網(wǎng)絡結構,結構圖如圖3所示。

　　3.2 系統(tǒng)軟件架構

　　為實現(xiàn)控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的鏈接、交換與融合，構建了如圖4所示的軟件架構。在監(jiān)控層，rsview32利用實時數(shù)據(jù)庫對現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)進行存儲;在管理層，rsview32可實現(xiàn)與監(jiān)控層數(shù)據(jù)的鏈接與交換。實現(xiàn)控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡集成，要解決的核心問題有:

　　圖3 冷站cims結構示意圖

　　圖4 系統(tǒng)軟件架構示意圖

　　(1) 如何實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的采集，將其寫入組態(tài)軟件實時數(shù)據(jù)庫;

　　(2) 如何實現(xiàn)管理監(jiān)控機與中間監(jiān)控上位機間組態(tài)軟件內(nèi)部實時數(shù)據(jù)信息的交換，并實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

　　在冷站控制系統(tǒng)中，監(jiān)控層組態(tài)軟件既是opc客戶端，又作為opc服務器端。在實現(xiàn)現(xiàn)場設備實時數(shù)據(jù)的采集時，組態(tài)軟件作為opc客戶端，制冷機可編程控制器plc作為opc服務器。每個opc服務器都被作為一個外部設備，可以進行定義、增加或刪除。在系統(tǒng)運行中，opc服務器對下層設備提供接口，使得現(xiàn)場控制層的各種過程信息能夠進入opc服務器; rsview32和每個opc服務器建立連接，自動完成和opc服務器之間的數(shù)據(jù)交換，把各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集到組態(tài)軟件的實時數(shù)據(jù)庫中。同時，監(jiān)控層上位機組態(tài)軟件rsview32又作為opc服務器端，管理層監(jiān)控軟件rsview32作為其opc客戶端，通過對客戶端與服務器端的通訊配置，實現(xiàn)控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)交換與集成。

　　4 冷站控制網(wǎng)絡監(jiān)控操作平臺的組態(tài)設計

　　4.1 實現(xiàn)冷站系統(tǒng)的控制功能軟件組態(tài)設計的主要內(nèi)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(xiàn)場系統(tǒng)及其環(huán)境;顯示現(xiàn)場設備操作方式、控制開關及運行狀態(tài)等;顯示系統(tǒng)運行環(huán)境和工作的說明信息;顯示類似于其它windows應用軟件界面彈出式菜單，以便供操作人員調(diào)用非主界面信息，如各種現(xiàn)場設備的歷史運行曲線圖、生產(chǎn)報表、二級顯示監(jiān)控界面和報警記錄等。

　　(2) 實時和歷史數(shù)據(jù)的管理。包括對各種實時數(shù)據(jù)的響應和處理方式的設計，對歷史數(shù)據(jù)的篩選和存儲管理的設計，實時和歷史數(shù)據(jù)的顯示設計(如采用動態(tài)顯示曲線圖、歷史趨勢圖、報表等)，實時和歷史數(shù)據(jù)的輸出設計(如打印方式、與其它應用軟件程序的數(shù)據(jù)交換協(xié)議以及網(wǎng)絡發(fā)布方式等等)。

　　(3) 報警和事件管理。對現(xiàn)場事故和故障信息予以記錄，使相應的報警信息顯示到監(jiān)控界面或傳送給其它聲、光報警裝置，同時也將報警信息傳送給相應的控制處理單元;對現(xiàn)場生產(chǎn)事件和操作信息進行記錄，以圖表形式提供查詢系統(tǒng)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(tǒng)、圖形顯示、警報、數(shù)據(jù)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發(fā)出監(jiān)控系統(tǒng)的上述功能。首先在 rsview32中創(chuàng)建這個項目:某卷煙廠冷站控制系統(tǒng)。先打開rsview32，單擊工具欄“文件”菜單里的“新建”按鈕，在“創(chuàng)建項目”對話框的“項目名”里填寫本項目名稱，圖5所示，然后單擊“打開”，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(tǒng)通訊配置后進行圖形、報警或趨勢等的畫面組態(tài)。

　　4.3 通道節(jié)點組態(tài)

　　rsview32通過附帶的 rslinx與掛接在controlnet上的可編程控制進行通訊，所以在啟動rsview32之前要先打開rslinx。啟動rsview32后，雙擊項目編輯器里的“系統(tǒng)”組件，出現(xiàn)通道和節(jié)點等編輯器。在通道編輯器里選擇節(jié)點所連接的網(wǎng)絡controlnet。由于本系統(tǒng)采用的可編程控制器是 omronplc、control logix5555，在節(jié)點編輯器中:數(shù)據(jù)源選擇“opc服務器”，rsview32通過rslinx與omronplc、 controllogix5555進行通信，各制冷機節(jié)點為opc服務器，組態(tài)軟件則為opc客戶端。在節(jié)點名中輸入自定義的可編程控制器的節(jié)點名，冷卻塔的節(jié)點名為opcnode_cooltower。選中“啟用”，單擊“接受”保存節(jié)點定義，單擊“下一個”，然后定義另一個節(jié)點，或選擇“關閉”命令，退出節(jié)點編輯。

　　4.4 標記數(shù)據(jù)庫組態(tài)

　　標記數(shù)據(jù)庫是由稱為標記的記錄組成。系統(tǒng)內(nèi)各部分都可以使用標記值。圖形顯示使用標記值來控制動畫對象或更新趨勢圖形;警報系統(tǒng)監(jiān)視標記值并把它們與“可接受”范圍進行比較;“數(shù)據(jù)記錄”則存儲標記值并創(chuàng)建歷史記錄。但標記值存儲在數(shù)值表格里，而不是在數(shù)據(jù)庫里?？赏ㄟ^把標記的數(shù)值記錄到數(shù)據(jù)文件里，使標記值永久地記錄在磁盤里。要創(chuàng)建一個標記，需要指定它的名字、鍵入它的數(shù)據(jù)、以及它的數(shù)據(jù)源。在標記數(shù)據(jù)庫編輯器里設置單個標記的警報，可以在添加標記時設置，或以后編輯標記時添加這個信息。

　　在創(chuàng)建本項目時，rsview32將創(chuàng)建系統(tǒng)標記。若標記數(shù)據(jù)庫需監(jiān)視標記參數(shù)值的變化過程以產(chǎn)生報警信息時，就必須進行報警信息組態(tài)，指定哪些標記需要監(jiān)視報警信息。在標記數(shù)據(jù)庫編輯器里選擇一個標記，然后選擇“alarm”警報框啟動警報編輯器。本程序帶報警的標記都為開關量標記，即如果該標記的值為1則觸發(fā)報警。

　　標記數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建好之后，就可將標記參數(shù)與趨勢或歷史報表建立聯(lián)系，使系統(tǒng)可以以曲線或表格的形式向用戶顯示實時數(shù)據(jù)的變化過程。rsview32的趨勢、歷史報表都是以標準圖形的形式給出的，開發(fā)者需要對相應的參數(shù)進行設置。趨勢中的參數(shù)包括時間范圍、掃描周期、數(shù)值范圍、數(shù)據(jù)源等，歷史報表中的參數(shù)則包括報表的起始時刻、時間范圍、時間間隔、數(shù)據(jù)源、變量等。

　　4.5 畫面組態(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(tǒng)流程圖畫面和各工況畫面，監(jiān)控主畫面是缺省的主畫面，需要時可切換到各工況畫面。

　　冷站控制系統(tǒng)的監(jiān)控主畫面由操作參數(shù)、工程參數(shù)、狀態(tài)顯示、歷史曲線、歷史報警、通訊測試、報表打印等組成。在主畫面中通過選擇各菜單項，可以執(zhí)行窗口的切換。狀態(tài)顯示的是整個冷站監(jiān)控系統(tǒng)的設備、管道、閥門的連接情況和運行原理，當系統(tǒng)沒有啟動時，整個畫面是靜態(tài)的。一旦系統(tǒng)進入運行，畫面將顯示當前的工況、相應設備和閥門開啟，管道內(nèi)的介質(zhì)不停地流動，同時從現(xiàn)場檢測的溫度、壓力、流量顯示在對應位置。上述的動畫是通過圖形編輯器中的動畫連接功能實現(xiàn)的。冷站控制系統(tǒng)監(jiān)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(nèi)部流程圖

　　rsview32還可以用報警圖形對象來組態(tài)設備或工藝參數(shù)的報警畫面，設備的故障報警由自身所帶的控制器判斷并執(zhí)行相應保護動作，但其報警信息可通過通信接口上傳，顯示在設備報警畫面上;工藝參數(shù)的報警根據(jù)數(shù)據(jù)庫組態(tài)時設定的報警參數(shù)，當有報警發(fā)生時，在報警畫面上顯示報警產(chǎn)生的時間、報警位號、報警類別、報警當前值以及是否被確認等信息，同時發(fā)出聲音報警，關閉相關設備，用戶可以通過確認按鈕對當前報警進行確認后，進行故障的排除。

　　5 信息網(wǎng)絡的組態(tài)設計

　　5.1 opc遠程通訊設計

　　現(xiàn)場上位監(jiān)控站采用opc與遠動生產(chǎn)管理中心的監(jiān)控站進行通訊。opc 使rsview32可以作為一個客戶端或服務器，允許在不同的rsview32站以及其它opc服務器之間進行點對點通訊。本系統(tǒng)以現(xiàn)場的 rsview32上位監(jiān)控機作為服務器，遠動管理中心的rsview32監(jiān)控機作為客戶端，客戶端通過以太網(wǎng)用服務器的rsview32命令 rtdataserveron來讀取服務器的實時標記值，用命令rtdatawriteenable來寫服務器的實時標記值。設置方案如下:對于服務器，選擇“啟動”編輯器里“啟動”頁上的“opc/dde server”復選框，發(fā)出rtdata serveron命令;對于客戶端，把服務器設置成一個opc節(jié)點，指定opc服務器名，在標記數(shù)據(jù)庫定義一個以設備為數(shù)據(jù)源的標記，并為該標記選擇 opc節(jié)點，指定opc條目提供標記數(shù)值。

　　5.2 在主站的操作系統(tǒng)中配置dcom

　　由于opc是根據(jù)microsoft的ole/com和dcom技術要求功能制定的一個開放和互用式的用戶界面標準，所以必須先在主站的操作系統(tǒng)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“開始”，選“運行”，鍵入dcomcnfg，然后單擊“確定”，進入“分布式com配置屬性”，進行“應用程序”的設置;

　　(2) 進行“默認屬性”的設置;

　　(3) 進行“默認安全機制”的設置。

　　5.3 服務器和客戶端的rsview32通訊設置

　　rsview32服務器的計算機名為coldstation，上位監(jiān)控程序名為jyc，客戶端的計算機名為remote，上位監(jiān)控程序名為rmjyc1。首先對服務器rsview32進行通訊設置，再對客戶端的rsview32進行通訊配置.

　　在程序rmjyc1運行后，rmjyc1的標記就可讀取jyc的標記值，實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控。

　　6 系統(tǒng)監(jiān)控軟件的操作實現(xiàn)

　　6.1 現(xiàn)場上位監(jiān)控程序的操作實現(xiàn)

　　冷站控制系統(tǒng)現(xiàn)場上位機進入rsview32上位監(jiān)控平臺，打開名為“jyc”的上位監(jiān)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(xiàn)場上位監(jiān)控程序運行后，程序就按啟動序列預先設置的運行步驟運行。程序運行后立即出現(xiàn)主監(jiān)控界面，如圖7所示。主畫面除標題和日期時間外，主要包括9個按鈕圖標，它們分別代表9個主功能模塊，這些按鈕也稱為系統(tǒng)的一級菜單，通過點擊相應按鈕即可進入對應功能模塊。由于啟動宏“st”里面設有命令“set autocontrol 0”，所以此時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控制運行之間進行切換。

　　6.2 遠程上位監(jiān)控程序的操作實現(xiàn)

　　圖7 冷站監(jiān)控主界面

　　遠程監(jiān)控機進入 rsview32上位監(jiān)控平臺，打開名為“rmjyc1”的上位監(jiān)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(jiān)控程序運行后，就按照啟動序列的設置，出現(xiàn)主監(jiān)控界面。由于現(xiàn)場監(jiān)控程序jyc在啟動時就執(zhí)行了命令rtdataserveron和 rtdatawriteenable，使遠程監(jiān)控程序rmjyc1能實時讀取現(xiàn)場監(jiān)控程序的標記值，并組態(tài)成與現(xiàn)場監(jiān)控程序相同的各級監(jiān)控界面。若需要進行遠程管理，遠動的值班人員和現(xiàn)場的值班人員一樣，可以通過人工控制冷站運行的相關操作，進入有關操作界面，控制制冷機組的啟停，實現(xiàn)遠程管理。

　　7 結束語

　　文章基于controlnet總線技術的冷站系統(tǒng)集成設計，構建了冷站的cims系統(tǒng)。在對opc技術和組態(tài)軟件分析基礎上，構建了整個冷站控制系統(tǒng)集成的軟件架構，用rsview32組態(tài)軟件對冷站控制網(wǎng)絡和信息網(wǎng)絡進行了組態(tài)設計，實現(xiàn)了對控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡的集成。