AIDCS分布式計算機監控系統
摘 要：本文以廈門(mén)宇電公司的產(chǎn)品為例，敘述了顯示控制器、手操器、伺服放大器、工控模塊、PLC可編程控制器的性能，介紹了以這些設備為下位機的多種類(lèi)型的AIDCS數據采集系統和分布式計算機監控系統。
關(guān)鍵詞：顯示控制儀表 數據采集系統 分布式計算機監控系統
AIDCS Distributed Control System
FANG Yuan-bai
Abstract: Taking products of Xiamen YuDian company as an example, describes performance of the display and control instrument, manual manipulator, servo amplifier, control module, PLC programmable controller, introduces AIDCS data acquisition system and Artificial intelligence distributed control system formed by these devices.
Key words: Display and control instrument Data acquisition system Artificial intelligence distributed control system
1 概述
就生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化水平而言，大體可以劃分為參數檢測系統、參數監控系統、數據采集系統、分布式控制系統幾類(lèi)。參數檢測系統為采用多臺數字顯示儀、記錄儀構成的系統，生產(chǎn)過(guò)程所需要檢測的參數由安裝在儀表盤(pán)上的多臺數字顯示儀或記錄儀分別顯示；參數監控系統與參數檢測系統類(lèi)似，只不過(guò)生產(chǎn)過(guò)程部分參數有自動(dòng)控制的要求，因而由帶控制功能的數字顯示儀或記錄儀來(lái)完成；數據采集系統則有上位機系統，它采集下位機或采集系統本身的I/O接口接入的生產(chǎn)過(guò)程參數，然后在計算機屏幕上顯示反映生產(chǎn)過(guò)程狀態(tài)的各種參數、流程圖、報表等；分布式控制系統則采用系統本身的I/O接口或通過(guò)通信方式接入其他系統傳送過(guò)來(lái)的生產(chǎn)過(guò)程參數，還對有自動(dòng)控制要求的參數進(jìn)行自動(dòng)控制，然后在計算機屏幕上顯示反映生產(chǎn)過(guò)程狀態(tài)的各種參數、流程圖、報表等。
數字顯示儀和無(wú)紙記錄儀是一類(lèi)價(jià)格低廉、功能豐富的儀表，既可在檢測參數特別少的場(chǎng)合應用，也可在檢測參數較多甚至有部分控制回路的場(chǎng)合應用。因此由數字顯示儀和無(wú)紙記錄儀構成的參數檢測系統、參數監控系統隨處可見(jiàn)。但我們現在關(guān)心的是當數字顯示儀和無(wú)紙記錄儀具備較強的通信功能時(shí)，怎樣用它們來(lái)構成數據采集系統和分布式控制系統。
顯示控制器的功能以顯示為主，一部分兼具控制功能，這類(lèi)功能是常規顯示控制器的通用功能，可分別由多臺顯示器構成常規數字化監測系統和由多臺顯示控制器構成常規數字化監控系統。一些公司顯示控制器的通信功能特別強，比如帶RS485通信接口，由此可構成以顯示控制器為下位機的多種類(lèi)型的數據采集系統和分布式計算機監控系統。
以下我們以廈門(mén)宇電公司產(chǎn)品為例，著(zhù)重討論如何選用數字顯示控制器（包括無(wú)紙記錄儀）等儀表組成數據采集系統和分布式計算機監控系統。
2 單機小型數據采集系統
AI系列分體式無(wú)紙記錄儀或人機界面觸摸屏可選配多種帶RS485通信接口的宇電二次儀表作為下位機，如單路、多路測量報警儀表，智能PID調節器/程序溫控器等，這包括盤(pán)裝儀表、導軌安裝型儀表、導軌安裝型工控模塊，可按需配置，分別購買(mǎi)，自由組合及自由擴充（見(jiàn)圖1）。
分體式無(wú)紙記錄儀相當于將測控單元與LCD顯示屏幕分開(kāi)，由下位機完成測控單元功能，無(wú)紙記錄儀完成LCD顯示屏幕功能。其檢測通道數應在訂貨時(shí)注明，如8、10、12、18、24、30、36、48通道，更多的通道數可與廠(chǎng)方協(xié)商。這一數據采集系統的優(yōu)點(diǎn)是擴展方便、價(jià)格低廉、無(wú)需組態(tài)。
圖1 單機小型數據采集系統
3 分布式計算機監控系統
廈門(mén)宇電公司推出的AIDCS智能分布式控制系統（Artificial Intelligence Distributed Control System）是一種建立在工控網(wǎng)絡(luò )上的工業(yè)過(guò)程控制系統，“智能分布式”概念是指控制系統內每個(gè)下位機單元都具有微處理芯片和足夠功能的智能軟件來(lái)實(shí)現獨立工作的能力，并且可以隨意分散布置，但對于管理者（上位機）而言，一個(gè)設備或一個(gè)工序（工段、車(chē)間、工廠(chǎng)）所有的下位機又可透過(guò)網(wǎng)絡(luò )集成為一個(gè)整體進(jìn)行操作和監控。
目前市場(chǎng)使用的DCS（Distributed Control System）集散控制系統相對于傳統非網(wǎng)絡(luò )化二次儀表的進(jìn)步主要在于重視了“集中”，即全部系統透過(guò)網(wǎng)絡(luò )集中為一個(gè)整體系統，這大大方便了對生產(chǎn)工藝的監控、操作，無(wú)疑是工業(yè)自動(dòng)化的一大進(jìn)步，但現有DCS系統卻丟失了“分布”（Distributed）理念，下位機無(wú)法脫離上位機和網(wǎng)絡(luò )工作，系統存在安全隱患。并且DCS因高度集成而不是一個(gè)開(kāi)放的系統，并不利于產(chǎn)業(yè)的良性競爭和技術(shù)升級，無(wú)法實(shí)現客戶(hù)利益更大化，FCS現場(chǎng)總線(xiàn)系統相對DCS而言實(shí)現了開(kāi)放性，但其下位機仍無(wú)法脫離網(wǎng)絡(luò )工作，并沒(méi)有真正實(shí)現“分布式”的理念，而且由于FCS采用了昂貴的高速、多主機通信網(wǎng)絡(luò )，導致其成本反而比DCS更高。
AIDCS像DCS和FCS一樣，具有系統集中為一個(gè)整體的優(yōu)點(diǎn)，而對DCS及FCS改進(jìn)的是，AIDCS每臺下位機自身集成了模擬量、開(kāi)關(guān)量的輸入輸出，以及PID調節和復雜調節算法功能，即使脫離了上位機甚至網(wǎng)絡(luò )仍可以獨立完成現場(chǎng)需要的控制功能，并且可以分散布置甚至能透過(guò)面板或操作器直接現場(chǎng)人工操作。
AIDCS系統由AI系列二次儀表、組態(tài)軟件、上位計算機及通信線(xiàn)路組成，系統中每項產(chǎn)品，客戶(hù)都可以自由選擇不同廠(chǎng)家的產(chǎn)品。AIDCS是一個(gè)完全開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò )系統，既實(shí)現了監控與操作的集中，下位機又可自由分散布置，在脫離網(wǎng)絡(luò )和上位機環(huán)境條件下仍能保持正常工作。AIDCS在成本控制方面，AIDCS采用速度較低、但可靠性高且通信距離長(cháng)的RS485通信接口，由于采用了AIBUS高效通信協(xié)議，并且下位機實(shí)時(shí)控制并不依賴(lài)于網(wǎng)絡(luò )，采用RS485數據刷新時(shí)間亦小于1s，保證了監控及操作的實(shí)時(shí)性，并可組建大型系統。
AIDCS可提供與DCS及FCS一樣的集中監控與操作的功能，基于A(yíng)I系列二次儀表帶有的OPC驅動(dòng)，有眾多進(jìn)口及國產(chǎn)軟件可供選擇，如組態(tài)王、WinCC、Ifix、華富、MCGS、宇電AIDCS、三維等各種國產(chǎn)及進(jìn)口軟件，功能方面比如流程圖、實(shí)時(shí)曲線(xiàn)、歷史記錄、報表、配方管理等等，可以做到應有盡有，比系統封閉的DCS具有更高的性?xún)r(jià)比及更豐富的功能。
AIDCS智能分布式控制系統比傳統FCS或DCS結構更簡(jiǎn)單、更安全、成本更低，是工業(yè)過(guò)程控制發(fā)展的方向之一。
圖2 AIDCS系統結構示意圖
圖2中，來(lái)自工業(yè)現場(chǎng)的各類(lèi)檢測信號和執行器信號通過(guò)作為下位機的盤(pán)裝型儀表、導軌安裝型儀表、導軌安裝型工控模塊，采用RS485通訊接口的AIBUS協(xié)議后，再通過(guò)RS232/RS485轉換器傳送到上位機，上位機通常采用安裝組態(tài)軟件的工控機或普通計算機。用戶(hù)還可選擇通過(guò)局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，連接管理層計算機，以便為管理人員提供工業(yè)現場(chǎng)的實(shí)時(shí)數據及報表。
值得注意的是，在我們的印象中，數字顯示控制器是用于模擬量測量參數的，那么AIDCS系統是否只能接入模擬量輸入參數呢？從圖2的中下部我們可以看到輸入參數既包括模擬量輸入，也包括去執行器的模擬量輸出，還包括開(kāi)關(guān)量輸入和開(kāi)關(guān)量輸出/報警輸出。模擬量輸入參數可通過(guò)常見(jiàn)的數字顯示控制器或工控模塊接入；去執行器的模擬量輸出可通過(guò)AI-708J手操器、伺服放大器接入；開(kāi)關(guān)量輸入和開(kāi)關(guān)量輸出/報警輸出可通過(guò)工控模塊或PLC可編程控制器接入。所以在接入參數上，它是與DCS、PLC一致的。
通常可采用工業(yè)專(zhuān)用帶屏蔽的雙絞線(xiàn)連接50~60臺儀表，通訊距離1.2km。AIBUS通訊協(xié)議簡(jiǎn)單高效又功能齊全。高精度型儀表在19.2k波特率下讀取3個(gè)常用變量及1個(gè)參數的速度僅為20ms，經(jīng)濟型儀表亦只需要50ms，比常用如MODBUS協(xié)議快2～10倍，采用AIBUS協(xié)議的系統，無(wú)論組建小系統還是大、中型系統均可達到與DCS幾乎同等的使用效果，而一般儀表通訊效率低，超過(guò)一定數量則數據更新慢、顯示效果差，只能應用于小型的系統。
當設計一個(gè)溫度參數程序控制應用時(shí)，可能有圖3中的兩個(gè)實(shí)施方案：方案A是利用上位機組態(tài)軟件實(shí)現改寫(xiě)下位機AI-719型儀表（不帶程序控制功能）的給定值SV，方案B則選取自身帶程序控制功能的AI-719P型儀表，程序是在儀表自身內設置的，即使脫離了網(wǎng)絡(luò )和上位機，系統依舊可以正常工作。雖然二者使用的硬件和通訊協(xié)議基本一致，但按照宇電公司關(guān)于A(yíng)IDCS系統定義，一旦脫離了網(wǎng)絡(luò )和上位機，方案A中下位機AI-719即無(wú)法自我進(jìn)行程序控制，而方案B在脫離了網(wǎng)絡(luò )和上位機后，下位機AI-719P仍然可以自我進(jìn)行程序控制，因此只有方案B才符合宇電公司關(guān)于A(yíng)IDCS系統功能的定義。
圖3 溫度參數程序控制的應用方案
據介紹，自1997年推出基于WINDOWS與AI儀表的聯(lián)網(wǎng)系統以來(lái)，在各行業(yè)中累計成功運用的項目已超過(guò)1萬(wàn)個(gè)，早期系統一直正常運行至今，證明智能分布式控制系統的可靠性是經(jīng)受檢驗的。
在一家聚氨酯生產(chǎn)工藝的反應釜批料定量控制過(guò)程中，雖然只有3臺反應釜定量加料流量積算儀設備及其控制電磁閥、2點(diǎn)反應釜溫度顯示控制儀及2臺10路開(kāi)關(guān)量輸入、1臺8路開(kāi)關(guān)量輸出的導軌安裝型工控模塊，再加上宇電公司的工控組態(tài)軟件及計算機，就可以實(shí)現3套反應釜定量加料設備控制、反應釜溫度顯示記錄及聚氨酯的反應情況顯示，可提供實(shí)時(shí)曲線(xiàn)、實(shí)時(shí)報警、記錄并保存所有數據。對于這樣一個(gè)只有5個(gè)模擬量、二十多個(gè)開(kāi)關(guān)量的單一設備的監測控制來(lái)說(shuō)，采用DCS、PLC之類(lèi)控制系統實(shí)現上述功能肯定沒(méi)問(wèn)題，但是投資可能太大了，而采用AIDCS計算機監控系統可能是性能價(jià)格比高、應用靈活的系統。
4 結束語(yǔ)
對于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，只要性能和價(jià)格適合生產(chǎn)現場(chǎng)的儀表和系統，那就是好的儀表和系統。特別是針對單臺設備、簡(jiǎn)單的工藝和需要實(shí)現溫度控制的場(chǎng)合，或許AIDCS計算機監控系統就是好的選擇。
參考資料：
[1] 宇電公司.產(chǎn)品選型手冊.2017.
[2] 宇電公司.宇電應用案例專(zhuān)集.2012.
作者簡(jiǎn)介：
方原柏，1942年生，男，湖北黃岡人，昆明有色冶金設計研究院電氣自動(dòng)化分院教授級工程師，昆明儀器儀表學(xué)會(huì )理事長(cháng)，中國衡器協(xié)會(huì )技術(shù)專(zhuān)家委員會(huì )顧問(wèn)，衡器、冶金自動(dòng)化、儀表世界、儀器儀表與自動(dòng)化等雜志編委，主要從事儀器儀表、控制系統的應用研究，曾出版“電子皮帶秤的原理及應用”（1994年，冶金工業(yè)出版社）、“電子皮帶秤”（2007年，冶金工業(yè)出版社）“工業(yè)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)及應用”（2015年化學(xué)工業(yè)出版社）、“有色金屬生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化”（2015年，人民郵電出版社）四本專(zhuān)著(zhù)，發(fā)表論文310篇。