1．應用背景 在冶金，化工，電力，制藥等許多大型工程中，空壓站建設是一項重要的輔助工程?？諌赫镜闹髟O備為空氣壓縮機，空氣干燥器，配套過濾器，儲氣罐，連接管道和閥門等組成一供氣系統(tǒng)。大型空壓站通常擁有多套設備，以保證不同負荷的需求。確保合格的供氣品質(zhì)，滿足穩(wěn)定的氣源壓力，供氣流量的自動調(diào)節(jié)等是空壓站自動化的基本任務。隨著自動化水平的不斷提高，建設無人值守空壓站的要求已是一個發(fā)展趨勢。 本案例應用于上海寶鋼集團上鋼一廠連鑄連軋項目的大型空壓站。該站有6臺每分鐘供氣200立方的螺桿式空壓機，6臺200立方處理量的冷凍式干燥器，另有兩臺80立方處理量的吸附式干燥器，采用母管制連接方式生產(chǎn)壓縮空氣。用戶要求： 1） 每臺設備應有自動控制和聯(lián)鎖保護裝置，并配有觸摸屏供現(xiàn)場觀察各工藝參數(shù)和設備狀態(tài)，可手動/自動切換操作及緊急停機； 2） 現(xiàn)場控制室應有計算機操作站，通過建立設備網(wǎng)絡，監(jiān)控整個生產(chǎn)過程； 3） 空壓房的操作站應與廠區(qū)控制中心聯(lián)網(wǎng)，由控制中心的控制器實時遠程監(jiān)控，實現(xiàn)空壓站無人值守。 2．系統(tǒng)構成 2.1．控制網(wǎng)絡結構的確立 由于控制中心選用AB公司的PLC構筑自控系統(tǒng)，并指定采用DH+網(wǎng)絡實施遠程聯(lián)網(wǎng)。為保持一致性，空壓站自控設備選用AB公司的小型PLC ——SLC-500系列可編程控制器，其帶有DH+網(wǎng)絡接口，支持DH+和DH-485網(wǎng)絡協(xié)議。原設計推薦為單一DH+網(wǎng)絡結構，后仔細分析了生產(chǎn)實際情況和各設備的特點，以及可能存在的問題，綜合各方面因素后確立了分級控制網(wǎng)絡的實施方案，如圖1所示。其基本理由是： 1） 技術性考慮，單一結構網(wǎng)絡在節(jié)點數(shù)量較大時安全性不夠理想。因為各設備控制器均掛在同一網(wǎng)絡上，任何一臺出現(xiàn)通信故障都可能影響整個網(wǎng)絡，嚴重時會引起網(wǎng)絡癱瘓，無法實現(xiàn)遠程監(jiān)控。雖然本案例的設備總數(shù)并不算很多，但考慮到對無人值守的高標準要求，將設備網(wǎng)分為上層DH+和下層DH-485兩級網(wǎng)絡，以達到分散危險，提高網(wǎng)絡有效性和可靠性的目的。 2） 經(jīng)濟性考慮，滿足基本要求的前提下，采用低成本的微型PLC替代。干燥器設備的生產(chǎn)工藝相對較簡單，控制點數(shù)不到10點，模擬量信號輸入點數(shù)也不多，動態(tài)響應的時間常數(shù)相對較大，微型PLC——Micrologix 1200可以滿足要求。其成本可降低一半，每套約節(jié)省2萬元，總計可達15萬。 分級網(wǎng)絡的特點： a) 遠程控制網(wǎng)——DH+網(wǎng)絡（增強型數(shù)據(jù)高速公路）連接控制中心控制器與空壓站主控制器0#SLC，傳輸空壓站系統(tǒng)的重要信息參數(shù)及各設備運行狀態(tài)，并實現(xiàn)控制中心的遠程控制操作。 b) 上層設備網(wǎng)——DH+網(wǎng)絡，連接現(xiàn)場主控制器0#SLC，1#-6#空壓機子站SLC，以及作為通信控制器的7#SLC。0#SLC除負責與遠程控制網(wǎng)連接外，還承擔所有子站的信息集成和控制信號的傳遞。 c) 下層設備網(wǎng)——采用DH-485網(wǎng)絡，7#SLC通信控制器作為上下網(wǎng)的聯(lián)接器集成各干燥器控制子站1#-8#M1200的數(shù)據(jù)信息，并傳遞遠程控制信號。M1200和觸摸屏均通過通信模塊NET-AIC掛接到DH-485網(wǎng)上。 DH+網(wǎng)絡為AB公司推出的工業(yè)局域網(wǎng)之一，它是最早為可編程序控制器提供遠程編程支持的控制網(wǎng)絡。它可以在可編程序控制器（PLC-5、PLC-3、SLC 5/04）、操作員界面系統(tǒng)、個人計算機、主計算機、數(shù)字控制設備、可編程的具有RS-232-C/RS-422接口的設備之間提供點對點通信。一個DH+網(wǎng)絡最多可以連接99個DH+鏈路，每個DH+鏈路最多可以連接64個節(jié)點（智能化設備）。它采用雙絞線或屏蔽同軸電纜連接，每個鏈路的傳輸速率為57.6K Bps，115.2KBps和230.4KBps三種可選，傳輸距離可達10,000英尺（3048米）。DH+網(wǎng)絡支持從遠程鏈路進行組態(tài)、編程以及故障查詢等。 DH-485是一種對信息傳送有時間苛刻要求的、高速確定性的工業(yè)局域網(wǎng)絡，主要用于車間級各種設備之間的數(shù)據(jù)傳遞；具有多主功能，在令牌傳送協(xié)議下工作，網(wǎng)絡的最大長度為1219m。DH-485能夠連接多達32個節(jié)點的設備，包括SLC 500和Micrologix 1200可編程控制器、操作員終端和個人計算機等。其最大傳輸速率可達19.2KBps。 圖1 分級控制網(wǎng)絡示意圖 2.2 硬件配置 現(xiàn)場控制室——操作站計算機PC，主控制器0#SLC（SLC-504）帶有標準RS-232C /DH+ /8針圓形接口，共3個網(wǎng)絡接口。配置模擬量輸入/輸出模塊，開關量輸入/輸出模塊，共計128點，所有開關量輸出均采用繼電器隔離。0#SLC控制各設備子站以外的系統(tǒng)測點和閥門。 空壓機子站——1#-6#SLC可編程控制器（SLC-504），分別配有包括模擬量輸入在內(nèi)的64點I/O模塊；通過DH+接口連接到上層設備網(wǎng)。 干燥器子站——1#-8#M1200微型可編程控制器（Micrologix 1200 自帶24點I/O），配接12點模擬量輸入I/O模塊，通過NET-AIC通信模塊接入DH-485下層設備網(wǎng)。PV-500彩色觸摸屏也由通信模塊的9針插頭連接到DH-485網(wǎng)。 2.3．軟件組成和工作程序 網(wǎng)絡連接軟件RSLinx 它在車間級設備與各種應用軟件之間提供通訊功能，它可組態(tài)網(wǎng)絡的通訊協(xié)議（即選擇PLC控制網(wǎng)絡的協(xié)議，如DH-485協(xié)議，DH+協(xié)議），傳輸波特率，驅動程序等，完成網(wǎng)絡的初始化和令牌管理。 編程軟件RSLogix 500 可使用戶在DH-485網(wǎng)或DH+網(wǎng)上對控制器（SLC 500、Micrologix 1200）進行編程，網(wǎng)絡上的任一個工業(yè)終端可以用來對網(wǎng)絡上的所有控制器編程。用戶既可以將程序下載到有關設備中，又可以從設備上載已有的程序，調(diào)試程序，監(jiān)視設備的運行。 工作站組態(tài)軟件RSView 32 設在現(xiàn)場控制室的操作站用來監(jiān)視和操作整個生產(chǎn)過程，為控制系統(tǒng)提供通訊、顯示及報表管理等功能， 各設備控制器自成一子系統(tǒng)，其應用程序功能包括：信息采集，設備控制，故障報警，聯(lián)鎖保護，以及數(shù)據(jù)處理和通信傳輸。 通信傳輸工作程序如圖2所示。在本案例中，從控制中心控制器經(jīng)現(xiàn)場控制室操作站到7#SLC通信控制器，均采用自上而下的方式讀/寫目標控制器的數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)傳送指令完成數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)信息集成和遠程控制。 圖2 通信傳輸工作流程示意圖 3．難點問題和解決方法 整個控制系統(tǒng)隨同設備于2003年7月初步完成安裝調(diào)試工作，進入試生產(chǎn)。2004年2月正式投產(chǎn)，滿負荷運行，情況良好，達到設計的預期目標。期間出現(xiàn)過的主要問題為： 1）通信故障引起遠程監(jiān)控失效兩次（上層設備網(wǎng)）。分析可能的原因，通信電纜使用了帶屏蔽的普通信號電纜而非控制設備規(guī)范要求的雙絞線屏蔽電纜，易受現(xiàn)場干擾；軟件方面對通信異常未設置必要的處理程序。 解決方法——將原來115.2KBps通信傳輸速率降低到57.6KBps ，以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?；軟件方面做了相應的改動，此后未再出現(xiàn)過類似通信故障。 2）通信傳輸延時，實時控制滯后（下層設備網(wǎng)）。經(jīng)分析獲悉，DH-485令牌總線網(wǎng)絡結構的工作模式使得7#SLC通信控制器需要多個循環(huán)才能對下層網(wǎng)各設備控制器掃描一遍，加之網(wǎng)絡傳輸速率相對較低，在傳輸數(shù)據(jù)量較大時，出現(xiàn)控制延時達7-8秒。 解決方法——由于系統(tǒng)結構已定，硬件無法改變，所以在軟件方面加以改進。數(shù)據(jù)傳輸速率提高到上限19.2KBps；再修改軟件程序，采用控制操作指令優(yōu)先的策略，控制滯后的操作可得到改善。 4．小結 ·控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化可有效實現(xiàn)空壓站遠程監(jiān)控，無人值守。本案例的成功實施是一個很好的示例。 ·分級控制網(wǎng)絡的實施，分散了故障危險，可提高網(wǎng)絡運行的有效性和可靠性。 ·綜合分析生產(chǎn)實際情況，以及全面評價控制設備的各項性能指標，有助于制訂經(jīng)濟性的控制方案，從而降低投資成本，提高經(jīng)濟效益。 改進方向： 1）引入故障檢測和故障診斷的處理程序，系統(tǒng)的智能化程度可得到提高，有利于進一步改善自控系統(tǒng)的有效性和可靠性。 2）優(yōu)化調(diào)度策略，軟件聯(lián)鎖保護等自動控制功能模式的應用，有望將自動化水平提升到更高層次，并由此獲得更大的效益。 作者：周平 （浙江科技學院自動化設計研究所 杭州 310012） Email：zp2002zxc@sina.com.cn