現(xiàn)場總線的過程監(jiān)控系統(tǒng)探討
2016-04-27 16:49:29 安裝信息網(wǎng)
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摘 要：介紹一種利用支持HART協(xié)議的RS3過程控制系統(tǒng)及智能儀表，通過Visual Basic動態(tài)數(shù)據(jù)交換開發(fā)通信軟件和用戶交互界面，在應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場儀表過程控制變量實(shí)時監(jiān)控，文件管理，遠(yuǎn)程監(jiān)控等多種任務(wù)的過程監(jiān)控方案。
關(guān)鍵詞：過程控制；監(jiān)控；現(xiàn)場總線 Application and Exploitation of the Monitor Solution Based on Field Bus
Abstract：In this paper，an monitor solution for process control systemis presented，．Based on RS3 and intelligent instruments supportingHART，communication software andinterfaces can be maken by Visual Basic DDE．Multitask can be achieved such as real－time monitoring etc．
Keywords：process control；monitor and control；field bus
1 系統(tǒng)構(gòu)成
本課題是在由美國Rosemount公司和上海理工大學(xué)合作建立的過程控制實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的。使用的是具備支持HART協(xié)議的RS3（Rosemount SystemⅢ）過程控制系統(tǒng)及部分具有HART協(xié)議的智能儀表，具有良好的硬件基礎(chǔ)。RS3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
本課題以現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)作為主要研究對象，以支持現(xiàn)場儀表、具備現(xiàn)場總線特征部分的DCS系統(tǒng)為研究范圍建立監(jiān)控系統(tǒng)。
2 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)
在常用PC機(jī)和Windows9x操作系統(tǒng)平臺上，利用Visual Basic應(yīng)用軟件開發(fā)集成環(huán)境基于動態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）的通信軟件和用戶交互界面，實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中直接控制及和現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信。包括現(xiàn)場實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史報表、趨勢文件等數(shù)據(jù)的讀入和寫入。此外，用戶監(jiān)控界面還有一定的自動數(shù) 據(jù)處理和越級報警功能。
由現(xiàn)場監(jiān)控節(jié)點(diǎn)（現(xiàn)場上位PC機(jī)）通過電話通信網(wǎng)將現(xiàn)場信息及時地發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控工作站，該工作站通過串行端口（可通過擴(kuò)展達(dá)到一定數(shù)量）連接并實(shí)時監(jiān)控多通道的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，形成星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
課題中選用Intellio C218Turbo／PCI多用戶智能（MultiModem）信息卡和多路調(diào)制解調(diào)器開發(fā)基于Pc－com通信函數(shù)庫的通信軟件，定義遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、信號采集、顯示、處理。
2．1 實(shí)現(xiàn)DCS上位PC機(jī)監(jiān)控
用戶在PC機(jī)上可實(shí)現(xiàn)參數(shù)管理、遠(yuǎn)程控制，趨勢管理以及報表管理。RS集散控制系統(tǒng)中SCI負(fù)責(zé)RS3與上位機(jī)之間的通信。上位機(jī)接口由安裝在機(jī)架中的操作接口處理卡、總線處理卡、電源調(diào)節(jié)器卡和非易失存儲器卡4塊電子卡組成。每個卡件有各自不同的功能，總線接口卡用于標(biāo)識SCI地址，操作接口卡設(shè)定通信方式，允許RS3控制系統(tǒng)與上位機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并有訪問總線上任一節(jié)點(diǎn)的權(quán)利。
在SCl主板上安裝一個RS－232C25針的插槽與PC機(jī)串口相聯(lián)，作為現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢硗ǖ馈?br> 上位PC機(jī)通訊軟件和DDEserver AX－S4采用RS－232C異步通信協(xié)議，與RS3控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。多個字符和一個結(jié)束符的信息被制成報文，以報文方式發(fā)送數(shù)據(jù)。每個字符格式完全按照RS－232C格式，結(jié)束 符為CR－LF，由軟件控制自動添加。 RS3系統(tǒng)總線上節(jié)點(diǎn)SCI按照既定協(xié)議格式與PC機(jī)直接相連。AX－S4與SCI之間的信息交換通過發(fā)出請求信息和接受應(yīng)答信息的方式實(shí)現(xiàn)。
AX－S4同時作為服務(wù)器，為用戶提供了動態(tài)數(shù)據(jù)交換服務(wù)（DDEsever）。DDE（Dynamic Data Exchange）是一種通信協(xié)議，允許Windows系統(tǒng)共享內(nèi)存，實(shí)現(xiàn)同時運(yùn)行的不同程序之間交換數(shù)據(jù)的內(nèi)部通信。它在上位機(jī)上運(yùn)行，作為Windows應(yīng)用程序與RS3控制系統(tǒng)的接口，可以使Windows應(yīng)用程序通過AX－S4與RS3系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。AX－S4利用DDE命令采集到的數(shù)據(jù)可直接存入Windows應(yīng)用程序供其使用，或輸入到文本文件中以供其他用途。
2．2 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制
以一臺PC機(jī)為監(jiān)控信息中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)個DCS網(wǎng)段的集中監(jiān)控。以星型網(wǎng)絡(luò)的形式，通過電纜和電話線將各部分的控制上位機(jī)（從機(jī)）連接到中央控制機(jī)（主機(jī)）串行通信口，將各部分控制信息收集到中央控制機(jī)。遠(yuǎn)距離的采用直接電纜連接，通過Modem調(diào)制信號后再通過電話網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。由于普通的PC機(jī)串行口一般只有兩個，無法滿足需要，因此增加一個串行口擴(kuò)展設(shè)備，以此增加接入DCS網(wǎng)段的數(shù) 量。系統(tǒng)設(shè)備連接如圖2所示。
中央控制端的設(shè)備主要包括一臺IBM兼容PC機(jī)（Windows9x操作系統(tǒng)）、MOXA公司多用戶通信卡In－tellioC218Turbo／PCI以及一個可為8個模塊提供串口和電話端口的RockwellMultilineMODEM。選用IntellioC218Turbo／PCI（MOXA功能卡）擴(kuò)展8個DB 25串口，因此選用RJ－45到DB－25轉(zhuǎn)換器將一個MODEM模塊連接到其中一個擴(kuò)展端口上。8個RJ－45插口通過RJ－45到DB－25轉(zhuǎn)換器或RJ－45到DB－9轉(zhuǎn)換器連接計算機(jī)串口。
在中央控制機(jī)和現(xiàn)場DCS上位機(jī)之間傳送數(shù)據(jù)，除需要正確的設(shè)備設(shè)置連接外，還需要在兩端（主機(jī)和從機(jī)）編制適當(dāng)?shù)能浖瓿蓴?shù)據(jù)發(fā)送和接收。為此需要約定一個應(yīng)用層協(xié)議，規(guī)定命令幀和數(shù)據(jù)幀格式。在考慮計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信層次結(jié)構(gòu)上，由于網(wǎng)絡(luò)簡單，不存在路由選擇、沖突解決的問題，可以簡化通信層次。對應(yīng)ISO／OSI模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和表示層來討論各層需要進(jìn)行的協(xié)議和設(shè)置工作，以建立遠(yuǎn)程連接為例，主要程序如下：
2．3 實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)段的遠(yuǎn)程集中控制
對于通信端口的設(shè)置，可以定義一個數(shù)據(jù)類型，包括端口號、波特率、奇偶校驗(yàn)、傳送位、起止位、流量控制等設(shè)置變量，再將每一個進(jìn)行監(jiān)控通信的通道的設(shè)置定義為這樣的一個對象。
當(dāng)進(jìn)行多通道監(jiān)測時，可以考慮為每一路監(jiān)控通道提供一個窗口對象，僅在監(jiān)控該路通道時才激活相應(yīng)窗口對象。為此建立一個MDI窗口，上面提到的多路通道窗口則作為子窗口需要時被激活。利用多文檔界面（Multiple Document Interface，MDI———又稱為多文檔接口）應(yīng)用程序可以同時打開多個窗口，而不是借助應(yīng)用程序的多個備份；能同時瀏覽或比較多個文檔使數(shù)據(jù)交換更加方便。對于8個遠(yuǎn)程監(jiān)控通信通道，可以隨時打開未被監(jiān)控的通道（在選擇菜單中被標(biāo)記出來），或關(guān)閉正在監(jiān)控的通道。由于窗口焦點(diǎn)僅一個，故而只有一個窗口（通道）能完全提供良好的人機(jī)接口，很容易在不同通道監(jiān)控界面之間切換。
參考文獻(xiàn)
［1］張雯，等．利用多用戶通信卡實(shí)現(xiàn)過程控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控的方案［Z］．2001．
關(guān)鍵詞：過程控制；監(jiān)控；現(xiàn)場總線 Application and Exploitation of the Monitor Solution Based on Field Bus
Abstract：In this paper，an monitor solution for process control systemis presented，．Based on RS3 and intelligent instruments supportingHART，communication software andinterfaces can be maken by Visual Basic DDE．Multitask can be achieved such as real－time monitoring etc．
Keywords：process control；monitor and control；field bus
1 系統(tǒng)構(gòu)成
本課題是在由美國Rosemount公司和上海理工大學(xué)合作建立的過程控制實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的。使用的是具備支持HART協(xié)議的RS3（Rosemount SystemⅢ）過程控制系統(tǒng)及部分具有HART協(xié)議的智能儀表，具有良好的硬件基礎(chǔ)。RS3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
本課題以現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)作為主要研究對象，以支持現(xiàn)場儀表、具備現(xiàn)場總線特征部分的DCS系統(tǒng)為研究范圍建立監(jiān)控系統(tǒng)。
2 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)
在常用PC機(jī)和Windows9x操作系統(tǒng)平臺上，利用Visual Basic應(yīng)用軟件開發(fā)集成環(huán)境基于動態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）的通信軟件和用戶交互界面，實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中直接控制及和現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信。包括現(xiàn)場實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史報表、趨勢文件等數(shù)據(jù)的讀入和寫入。此外，用戶監(jiān)控界面還有一定的自動數(shù) 據(jù)處理和越級報警功能。
由現(xiàn)場監(jiān)控節(jié)點(diǎn)（現(xiàn)場上位PC機(jī)）通過電話通信網(wǎng)將現(xiàn)場信息及時地發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控工作站，該工作站通過串行端口（可通過擴(kuò)展達(dá)到一定數(shù)量）連接并實(shí)時監(jiān)控多通道的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，形成星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
課題中選用Intellio C218Turbo／PCI多用戶智能（MultiModem）信息卡和多路調(diào)制解調(diào)器開發(fā)基于Pc－com通信函數(shù)庫的通信軟件，定義遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、信號采集、顯示、處理。
2．1 實(shí)現(xiàn)DCS上位PC機(jī)監(jiān)控
用戶在PC機(jī)上可實(shí)現(xiàn)參數(shù)管理、遠(yuǎn)程控制，趨勢管理以及報表管理。RS集散控制系統(tǒng)中SCI負(fù)責(zé)RS3與上位機(jī)之間的通信。上位機(jī)接口由安裝在機(jī)架中的操作接口處理卡、總線處理卡、電源調(diào)節(jié)器卡和非易失存儲器卡4塊電子卡組成。每個卡件有各自不同的功能，總線接口卡用于標(biāo)識SCI地址，操作接口卡設(shè)定通信方式，允許RS3控制系統(tǒng)與上位機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并有訪問總線上任一節(jié)點(diǎn)的權(quán)利。
在SCl主板上安裝一個RS－232C25針的插槽與PC機(jī)串口相聯(lián)，作為現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢硗ǖ馈?br> 上位PC機(jī)通訊軟件和DDEserver AX－S4采用RS－232C異步通信協(xié)議，與RS3控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。多個字符和一個結(jié)束符的信息被制成報文，以報文方式發(fā)送數(shù)據(jù)。每個字符格式完全按照RS－232C格式，結(jié)束 符為CR－LF，由軟件控制自動添加。 RS3系統(tǒng)總線上節(jié)點(diǎn)SCI按照既定協(xié)議格式與PC機(jī)直接相連。AX－S4與SCI之間的信息交換通過發(fā)出請求信息和接受應(yīng)答信息的方式實(shí)現(xiàn)。
AX－S4同時作為服務(wù)器，為用戶提供了動態(tài)數(shù)據(jù)交換服務(wù)（DDEsever）。DDE（Dynamic Data Exchange）是一種通信協(xié)議，允許Windows系統(tǒng)共享內(nèi)存，實(shí)現(xiàn)同時運(yùn)行的不同程序之間交換數(shù)據(jù)的內(nèi)部通信。它在上位機(jī)上運(yùn)行，作為Windows應(yīng)用程序與RS3控制系統(tǒng)的接口，可以使Windows應(yīng)用程序通過AX－S4與RS3系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。AX－S4利用DDE命令采集到的數(shù)據(jù)可直接存入Windows應(yīng)用程序供其使用，或輸入到文本文件中以供其他用途。
2．2 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中控制
以一臺PC機(jī)為監(jiān)控信息中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)個DCS網(wǎng)段的集中監(jiān)控。以星型網(wǎng)絡(luò)的形式，通過電纜和電話線將各部分的控制上位機(jī)（從機(jī)）連接到中央控制機(jī)（主機(jī)）串行通信口，將各部分控制信息收集到中央控制機(jī)。遠(yuǎn)距離的采用直接電纜連接，通過Modem調(diào)制信號后再通過電話網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。由于普通的PC機(jī)串行口一般只有兩個，無法滿足需要，因此增加一個串行口擴(kuò)展設(shè)備，以此增加接入DCS網(wǎng)段的數(shù) 量。系統(tǒng)設(shè)備連接如圖2所示。
中央控制端的設(shè)備主要包括一臺IBM兼容PC機(jī)（Windows9x操作系統(tǒng)）、MOXA公司多用戶通信卡In－tellioC218Turbo／PCI以及一個可為8個模塊提供串口和電話端口的RockwellMultilineMODEM。選用IntellioC218Turbo／PCI（MOXA功能卡）擴(kuò)展8個DB 25串口，因此選用RJ－45到DB－25轉(zhuǎn)換器將一個MODEM模塊連接到其中一個擴(kuò)展端口上。8個RJ－45插口通過RJ－45到DB－25轉(zhuǎn)換器或RJ－45到DB－9轉(zhuǎn)換器連接計算機(jī)串口。
在中央控制機(jī)和現(xiàn)場DCS上位機(jī)之間傳送數(shù)據(jù)，除需要正確的設(shè)備設(shè)置連接外，還需要在兩端（主機(jī)和從機(jī)）編制適當(dāng)?shù)能浖瓿蓴?shù)據(jù)發(fā)送和接收。為此需要約定一個應(yīng)用層協(xié)議，規(guī)定命令幀和數(shù)據(jù)幀格式。在考慮計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信層次結(jié)構(gòu)上，由于網(wǎng)絡(luò)簡單，不存在路由選擇、沖突解決的問題，可以簡化通信層次。對應(yīng)ISO／OSI模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和表示層來討論各層需要進(jìn)行的協(xié)議和設(shè)置工作，以建立遠(yuǎn)程連接為例，主要程序如下：
2．3 實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)段的遠(yuǎn)程集中控制
對于通信端口的設(shè)置，可以定義一個數(shù)據(jù)類型，包括端口號、波特率、奇偶校驗(yàn)、傳送位、起止位、流量控制等設(shè)置變量，再將每一個進(jìn)行監(jiān)控通信的通道的設(shè)置定義為這樣的一個對象。
當(dāng)進(jìn)行多通道監(jiān)測時，可以考慮為每一路監(jiān)控通道提供一個窗口對象，僅在監(jiān)控該路通道時才激活相應(yīng)窗口對象。為此建立一個MDI窗口，上面提到的多路通道窗口則作為子窗口需要時被激活。利用多文檔界面（Multiple Document Interface，MDI———又稱為多文檔接口）應(yīng)用程序可以同時打開多個窗口，而不是借助應(yīng)用程序的多個備份；能同時瀏覽或比較多個文檔使數(shù)據(jù)交換更加方便。對于8個遠(yuǎn)程監(jiān)控通信通道，可以隨時打開未被監(jiān)控的通道（在選擇菜單中被標(biāo)記出來），或關(guān)閉正在監(jiān)控的通道。由于窗口焦點(diǎn)僅一個，故而只有一個窗口（通道）能完全提供良好的人機(jī)接口，很容易在不同通道監(jiān)控界面之間切換。
3 結(jié)論
本課題開發(fā)的過程控制監(jiān)控系統(tǒng)，運(yùn)行切實(shí)可行，成本低開發(fā)周期短，對于國內(nèi)工業(yè)過程控制系統(tǒng)具有一定的參考價值。
參考文獻(xiàn)
［1］張雯，等．利用多用戶通信卡實(shí)現(xiàn)過程控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控的方案［Z］．2001．
關(guān)鍵字：通訊,上海
