1．應(yīng)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(shè)是一項(xiàng)重要的輔助工程?？諌赫镜闹髟O(shè)備為空氣壓縮機(jī)，空氣干燥器，配套過(guò)濾器，儲(chǔ)氣罐，連接管道和閥門(mén)等組成一供氣系統(tǒng)。大型空壓站通常擁有多套設(shè)備，以保證不同負(fù)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(dòng)調(diào)節(jié)等是空壓站自動(dòng)化的基本任務(wù)。隨著自動(dòng)化水平的不斷提高，建設(shè)無(wú)人值守空壓站的要求已是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。
本案例應(yīng)用于上海寶鋼集團(tuán)上鋼一廠連鑄連軋項(xiàng)目的大型空壓站。該站有6臺(tái)每分鐘供氣200立方的螺桿式空壓機(jī)，6臺(tái)200立方處理量的冷凍式干燥器，另有兩臺(tái)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(tái)設(shè)備應(yīng)有自動(dòng)控制和聯(lián)鎖保護(hù)裝置，并配有觸摸屏供現(xiàn)場(chǎng)觀察各工藝參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)，可手動(dòng)/自動(dòng)切換操作及緊急停機(jī)；
2） 現(xiàn)場(chǎng)控制室應(yīng)有計(jì)算機(jī)操作站，通過(guò)建立設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程；
3） 空壓房的操作站應(yīng)與廠區(qū)控制中心聯(lián)網(wǎng)，由控制中心的控制器實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)空壓站無(wú)人值守。
2．系統(tǒng)構(gòu)成
2.1．控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的確立
由于控制中心選用AB公司的PLC構(gòu)筑自控系統(tǒng)，并指定采用DH+網(wǎng)絡(luò)實(shí)施遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)。為保持一致性，空壓站自控設(shè)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(luò)接口，支持DH+和DH-485網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。原設(shè)計(jì)推薦為單一DH+網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，后仔細(xì)分析了生產(chǎn)實(shí)際情況和各設(shè)備的特點(diǎn)，以及可能存在的問(wèn)題，綜合各方面因素后確立了分級(jí)控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施方案，如圖1所示。其基本理由是：
1） 技術(shù)性考慮，單一結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在節(jié)點(diǎn)數(shù)量較大時(shí)安全性不夠理想。因?yàn)楦髟O(shè)備控制器均掛在同一網(wǎng)絡(luò)上，任何一臺(tái)出現(xiàn)通信故障都可能影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)癱瘓，無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。雖然本案例的設(shè)備總數(shù)并不算很多，但考慮到對(duì)無(wú)人值守的高標(biāo)準(zhǔn)要求，將設(shè)備網(wǎng)分為上層DH+和下層DH-485兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)，以達(dá)到分散危險(xiǎn)，提高網(wǎng)絡(luò)有效性和可靠性的目的。
2） 經(jīng)濟(jì)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(shè)備的生產(chǎn)工藝相對(duì)較簡(jiǎn)單，控制點(diǎn)數(shù)不到10點(diǎn)，模擬量信號(hào)輸入點(diǎn)數(shù)也不多，動(dòng)態(tài)響應(yīng)的時(shí)間常數(shù)相對(duì)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(wàn)元，總計(jì)可達(dá)15萬(wàn)。
分級(jí)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)：
a) 遠(yuǎn)程控制網(wǎng)——DH+網(wǎng)絡(luò)（增強(qiáng)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(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)控制中心的遠(yuǎn)程控制操作。
b) 上層設(shè)備網(wǎng)——DH+網(wǎng)絡(luò)，連接現(xiàn)場(chǎng)主控制器0#SLC，1#-6#空壓機(jī)子站SLC，以及作為通信控制器的7#SLC。0#SLC除負(fù)責(zé)與遠(yuǎn)程控制網(wǎng)連接外，還承擔(dān)所有子站的信息集成和控制信號(hào)的傳遞。
c) 下層設(shè)備網(wǎng)——采用DH-485網(wǎng)絡(luò)，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(yuǎn)程控制信號(hào)。M1200和觸摸屏均通過(guò)通信模塊NET-AIC掛接到DH-485網(wǎng)上。
DH+網(wǎng)絡(luò)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(yuǎn)程編程支持的控制網(wǎng)絡(luò)。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(gè)人計(jì)算機(jī)、主計(jì)算機(jī)、數(shù)字控制設(shè)備、可編程的具有RS-232-C/RS-422接口的設(shè)備之間提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。一個(gè)DH+網(wǎng)絡(luò)最多可以連接99個(gè)DH+鏈路，每個(gè)DH+鏈路最多可以連接64個(gè)節(jié)點(diǎn)（智能化設(shè)備）。它采用雙絞線或屏蔽同軸電纜連接，每個(gè)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(dá)10,000英尺（3048米）。DH+網(wǎng)絡(luò)支持從遠(yuǎn)程鏈路進(jìn)行組態(tài)、編程以及故障查詢等。
DH-485是一種對(duì)信息傳送有時(shí)間苛刻要求的、高速確定性的工業(yè)局域網(wǎng)絡(luò)，主要用于車間級(jí)各種設(shè)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(luò)的最大長(zhǎng)度為1219m。DH-485能夠連接多達(dá)32個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)備，包括SLC 500和Micrologix 1200可編程控制器、操作員終端和個(gè)人計(jì)算機(jī)等。其最大傳輸速率可達(dá)19.2KBps。
圖1 分級(jí)控制網(wǎng)絡(luò)示意圖
2.2 硬件配置
現(xiàn)場(chǎng)控制室——操作站計(jì)算機(jī)PC，主控制器0#SLC（SLC-504）帶有標(biāo)準(zhǔn)RS-232C /DH+ /8針圓形接口，共3個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口。配置模擬量輸入/輸出模塊，開(kāi)關(guān)量輸入/輸出模塊，共計(jì)128點(diǎn)，所有開(kāi)關(guān)量輸出均采用繼電器隔離。0#SLC控制各設(shè)備子站以外的系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)和閥門(mén)。
空壓機(jī)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(diǎn)I/O模塊；通過(guò)DH+接口連接到上層設(shè)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(diǎn)I/O），配接12點(diǎn)模擬量輸入I/O模塊，通過(guò)NET-AIC通信模塊接入DH-485下層設(shè)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(luò)連接軟件RSLinx 它在車間級(jí)設(shè)備與各種應(yīng)用軟件之間提供通訊功能，它可組態(tài)網(wǎng)絡(luò)的通訊協(xié)議（即選擇PLC控制網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議，如DH-485協(xié)議，DH+協(xié)議），傳輸波特率，驅(qū)動(dòng)程序等，完成網(wǎng)絡(luò)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(duì)控制器（SLC 500、Micrologix 1200）進(jìn)行編程，網(wǎng)絡(luò)上的任一個(gè)工業(yè)終端可以用來(lái)對(duì)網(wǎng)絡(luò)上的所有控制器編程。用戶既可以將程序下載到有關(guān)設(shè)備中，又可以從設(shè)備上載已有的程序，調(diào)試程序，監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行。
工作站組態(tài)軟件RSView 32 設(shè)在現(xiàn)場(chǎng)控制室的操作站用來(lái)監(jiān)視和操作整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，為控制系統(tǒng)提供通訊、顯示及報(bào)表管理等功能，
各設(shè)備控制器自成一子系統(tǒng)，其應(yīng)用程序功能包括：信息采集，設(shè)備控制，故障報(bào)警，聯(lián)鎖保護(hù)，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(chǎng)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(xiě)目標(biāo)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(shí)現(xiàn)信息集成和遠(yuǎn)程控制。
圖2 通信傳輸工作流程示意圖
3．難點(diǎn)問(wèn)題和解決方法
整個(gè)控制系統(tǒng)隨同設(shè)備于2003年7月初步完成安裝調(diào)試工作，進(jìn)入試生產(chǎn)。2004年2月正式投產(chǎn)，滿負(fù)荷運(yùn)行，情況良好，達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。期間出現(xiàn)過(guò)的主要問(wèn)題為：
1）通信故障引起遠(yuǎn)程監(jiān)控失效兩次（上層設(shè)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(hào)電纜而非控制設(shè)備規(guī)范要求的雙絞線屏蔽電纜，易受現(xiàn)場(chǎng)干擾；軟件方面對(duì)通信異常未設(shè)置必要的處理程序。
解決方法——將原來(lái)115.2KBps通信傳輸速率降低到57.6KBps ，以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕卉浖矫孀隽讼鄳?yīng)的改動(dòng)，此后未再出現(xiàn)過(guò)類似通信故障。
2）通信傳輸延時(shí)，實(shí)時(shí)控制滯后（下層設(shè)備網(wǎng)）。經(jīng)分析獲悉，DH-485令牌總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的工作模式使得7#SLC通信控制器需要多個(gè)循環(huán)才能對(duì)下層網(wǎng)各設(shè)備控制器掃描一遍，加之網(wǎng)絡(luò)傳輸速率相對(duì)較低，在傳輸數(shù)據(jù)量較大時(shí)，出現(xiàn)控制延時(shí)達(dá)7-8秒。
解決方法——由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已定，硬件無(wú)法改變，所以在軟件方面加以改進(jìn)。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(jié)
·控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化可有效實(shí)現(xiàn)空壓站遠(yuǎn)程監(jiān)控，無(wú)人值守。本案例的成功實(shí)施是一個(gè)很好的示例。
·分級(jí)控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施，分散了故障危險(xiǎn)，可提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的有效性和可靠性。
·綜合分析生產(chǎn)實(shí)際情況，以及全面評(píng)價(jià)控制設(shè)備的各項(xiàng)性能指標(biāo)，有助于制訂經(jīng)濟(jì)性的控制方案，從而降低投資成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。
改進(jìn)方向：
1）引入故障檢測(cè)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(jìn)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(hù)等自動(dòng)控制功能模式的應(yīng)用，有望將自動(dòng)化水平提升到更高層次，并由此獲得更大的效益。
（轉(zhuǎn)載）
