2001年2月基礎(chǔ)自動化Feb.2001第8卷第1期Basic automationVol 8, No. 1文章編號:105-366x2001m1-0015-04APACS特點(diǎn)及系統(tǒng)應(yīng)用邵憲,劉全偉,江怒,潘笑武漢大學(xué)動力系,湖北武漢430072)摘要:就 APACS分布式控制系統(tǒng)的特點(diǎn)對系統(tǒng)架構(gòu)、冗余方法、應(yīng)用組態(tài)、可靠性等加以說明并給出正在施工中的某化肥廠的實(shí)際系統(tǒng)示例關(guān)鍵詞: APACS DCS特點(diǎn)系統(tǒng)應(yīng)用中圖分類號:TP273文獻(xiàn)標(biāo)識碼1引言3〕硬件可靠性 APACS的硬件模塊可靠性高故障率較低。其模塊按照可以直接安裝在現(xiàn)APACS( Advanced h' ocess Automation and場設(shè)計(jì)在模塊一級即可解決防潮、防腐、抗電磁Control System是美國 MOORE公司1992年推出的等問題。在1/O模塊的通道組之間每組1-2個(gè)新一代分散控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了將υ?S與PC的功通道)實(shí)現(xiàn)了通道組間隔離、通道組與模塊CPU、能相結(jié)合。其組態(tài)軟件4- mation是世界上第一個(gè)通訊總線、電源及地線隔離從而將現(xiàn)場故障與控把DCS與PC結(jié)合在一起的組態(tài)軟件符合IEC-制系統(tǒng)間隔離開起到了保護(hù)控制系統(tǒng)及硬件的61131-3標(biāo)準(zhǔn)曾于1994年獲最佳組態(tài)軟件獎。作用。系統(tǒng)的每一個(gè)LO通道都可由軟件定義其輸以廣東中山電廠為例自1994年機(jī)組投產(chǎn)發(fā)入/輸出類型即由用戶通過組態(tài)軟件確定是作為電以來其控制系統(tǒng)(采用 APACS3.0)一直正常輸入通道、還是輸岀通道使用這是該產(chǎn)品的一個(gè)運(yùn)行至今未岀現(xiàn)硬件模塊方面問題。顯著特點(diǎn)。系統(tǒng)對過程控制的適應(yīng)性強(qiáng)能方便4)靈活性、可維護(hù)性地進(jìn)行模擬量回路控制和開關(guān)量順序控制。在不①LO模塊每個(gè)通道的用途都可由用戶通過影響被控對象正常運(yùn)行的情況下在線組態(tài)功能軟件組態(tài)設(shè)定(由軟件確定其輸入/輸岀類型可以實(shí)現(xiàn)控制策略及組態(tài)修改這在系統(tǒng)調(diào)試檢②可實(shí)現(xiàn)在線組態(tài)和仿真調(diào)試。③可實(shí)現(xiàn)在線修期間能發(fā)揮很大作用。拔插模塊。即在不影響整個(gè)系統(tǒng)工作的情況下拔2 APACS系統(tǒng)的特點(diǎn)插模塊即插即用不需重新組態(tài)不需改變設(shè)定。1)開放性是指不同系統(tǒng)間的互連能力3 APACS系統(tǒng)架構(gòu)APACS系統(tǒng)的開放性主要體現(xiàn)在:系統(tǒng)硬件和系A(chǔ)PACS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)借鑒了搭積木的方法從統(tǒng)軟件可以與遵循國際標(biāo)準(zhǔn)的商品硬件和軟件實(shí)層次上區(qū)分可理解成三級架構(gòu)過程控制級控現(xiàn)互連?？刂撇呗越M態(tài)軟件4-πaio支持多種工制通訊網(wǎng)絡(luò)過程管理級。業(yè)界面組態(tài)軟件,例如: Wonderware公司的1)過程控制級由過程控制模塊(ACM廂和INTOUCH Micro Advantage等。各類ⅠO模塊組成。ACM是過程控制中起主要2)可擴(kuò)展性APA(S采用模塊化結(jié)構(gòu)沒有控制作用的下位微處理計(jì)算機(jī)組態(tài)好的控制策大、中、小系統(tǒng)的概念可以從幾十個(gè)回路的小系略中國煤化工它根據(jù)各類數(shù)據(jù)采集統(tǒng)擴(kuò)展到幾萬個(gè)υ點(diǎn)的大系統(tǒng)而模塊、系統(tǒng)軟?！骸?CNMHG控制運(yùn)算將運(yùn)算結(jié)件、組態(tài)軟件均可不變也不影響原有部分。果通過輸岀模埉傳輸?shù)浆F(xiàn)場控制器進(jìn)行控制并收稿日期:2000-08-07作者簡介邵策1970-)男湖南湘潭人武漢大學(xué)動力系研究生工程師主要從事計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方面的研究。基礎(chǔ)自動化第8卷將必要的數(shù)據(jù)上傳過程管理計(jì)算機(jī)。環(huán)令牌繞邏輯環(huán)傳送。因?yàn)橹挥辛钆频某钟姓卟琶繅KACM最多支持39塊LO模塊即最多能發(fā)送數(shù)據(jù)而任一時(shí)刻M-BUS上都只產(chǎn)生1個(gè)可支持624-1248個(gè)LO點(diǎn)令牌所以不會產(chǎn)生沖突。每塊LO模塊都是一臺功能完備的微處理計(jì)一個(gè)局部的M-BUS最多支持32個(gè)ACM或算機(jī)包含了16或32個(gè)數(shù)據(jù)通道負(fù)責(zé)將現(xiàn)場傳MB卡局部M-BUS可通過總線擴(kuò)展模塊(MBX)感器傳來的模擬信號進(jìn)行數(shù)字化處理后傳遞給擴(kuò)展成一個(gè)多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)每個(gè)區(qū)域都是一個(gè)局部ACM或?qū)CM的計(jì)算結(jié)果處理后輸出到現(xiàn)場執(zhí)的M-BUS這就形成了M-NET。行機(jī)構(gòu)。所有的LO掃描、非線性補(bǔ)償、標(biāo)度變3)過程管理級由操作員站和工程師站組換、通道故障診斷、硬件地址標(biāo)定都由ⅠO模塊完成主要完成顯示操作、人工干預(yù)生產(chǎn)過程和在線成組態(tài)兩項(xiàng)功能。操作員站把過程參量的信息集中ACM與LO模塊之間通過oBUS通訊。Ⅰ′化收集現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行過程量、工藝流程圖、趨勢OBUS遵循RS485通訊協(xié)議通訊速率為1Mbs,曲線的顯示提供友好的人機(jī)界面并可由操作員標(biāo)準(zhǔn)長度914m,可延長至457.2m一塊ACM修改過程參數(shù)。 MOORE公司未開發(fā)專用的界面下的 VOBUS可掛接39塊LO模塊組態(tài)軟件而是采用一些通用的工業(yè)控制軟件如2)控制通訊網(wǎng)絡(luò)-MBUS/MNET用于控 NTOUCH AIMAX等。制模塊ACM之間、控制模塊與操作員站/工程師工程師站主要完成在線組態(tài)工作除此之外,站之間通訊遵循IEE802.4協(xié)議標(biāo))令牌總線它能完成操作員站所能完成的一切工作。協(xié)議)通訊速率5Mhps過程管理級的互連遵循 TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)通過在為使操作員站/工程師站能掛接在 M-BUS/M-上位機(jī)中安裝普通網(wǎng)卡而互連成以太網(wǎng)NT上在操作員站/工程師站的主板lSA插槽內(nèi)( ETHERNET)通訊速率10Ml。若系統(tǒng)較大多插入1塊MBI接口卡 MODULEBUS INTERFACE),設(shè)置一臺或數(shù)臺通訊前端機(jī)安裝了MB卡和網(wǎng)M-BUsS連接到MBI卡的接口從而形成1根物理上卡的普通計(jì)算機(jī)浣完成系統(tǒng)與現(xiàn)場通訊。某化肥的總線。所有的ACM與MB在邏輯上構(gòu)成1個(gè)廠控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。CLIENT I CLIENT 2 CLJENT 3 CLIENT 4 CLIENT 5 CLIENT 6 CLIENT 7CLIENT BENGINEEHISTORIANSERVE 3M-BUSMBI嚴(yán)理時(shí)SSSR- CAHLE 2囤翻圖MIMIMMIMIEMLMMMIMIMMM-NETCNMHG圖1某化肥廠 APACS結(jié)構(gòu)圖第1期邵憲等: APACS特點(diǎn)及系統(tǒng)應(yīng)用4系統(tǒng)冗余在線顯示各監(jiān)測點(diǎn)過程/計(jì)算實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并能在不影響生產(chǎn)運(yùn)行的情況下修改控制策略。冗余是一種控制設(shè)備在線熱備份方法,以提MOORE公司沒有專門開發(fā)界面組態(tài)軟件但高系統(tǒng)可靠性。 APACS系統(tǒng)具有較完善的冗余是針對一些通用工業(yè)界面組態(tài)軟件開發(fā)了專用結(jié)構(gòu)其控制模塊、電源、通訊以及LO均可實(shí)現(xiàn)的接口驅(qū)動程序。這在一定程度上加強(qiáng)了系統(tǒng)的冗余。任何部件的失效均不會導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失開放性同時(shí)也可以滿足不同的用戶要求,效也不會影響到過程控制。冗余部件之間的切1)功能塊語言功能塊是4- mation提供的最換是自動的、無擾動的不會造成數(shù)據(jù)丟失而且常用的一種圖形組態(tài)語言,它將工業(yè)過程控制中能在操作站給出報(bào)警和記錄。常用的一些算法的子程序段以圖形塊的形式形象1)模塊冗余在這一級上有兩種冗余方案地表示出來例如PD塊手動/自動給定塊脈沖①模塊對模埉的冗余瘐控制模塊和一些通玦等)使用戶只需要了解眢功能塊的功能就可訊模塊冗余成對JO模塊不冗余冗余切換只在通過選擇相應(yīng)旳塊、在功能塊之間連線、修改功能控制模塊或通訊模塊間進(jìn)行這種方案多用于數(shù)塊的相關(guān)參數(shù)的方式完成組態(tài)工作而不需要對據(jù)采集部分參見圖1中 R-CABLE1②架對架編程有深入的了解。冗余整個(gè)機(jī)架上所有的模塊完全冗余包括控制功能塊放置在組態(tài)頁上單一的功能塊只能模塊JO模塊通訊模埉等υ這種方案多用于提供一個(gè)簡單的算法多個(gè)功能塊的組合就可根重要信號控制部邠參見圖1中R-CABE2)·諄據(jù)控制的需要實(shí)現(xiàn)滿足要求的復(fù)雜算法。功能f診囗。軻Z筻aY臌針唪吮Y蟹~族ⅹ拚挲塊與功能塊之間由連線聯(lián)接,一系列具有特定目鏮e邊唏η送到備用模塊中渃操作模埉岀現(xiàn)故的、作用旳功能塊的聯(lián)接就組成了功能塊網(wǎng)。功障則產(chǎn)生一個(gè)無擾切換將后備模塊切換成操作能塊網(wǎng)類似于信號流程代表過程信號、變量的數(shù)模塊并在操作站上發(fā)岀報(bào)警提示。據(jù)沿連線的方向流動經(jīng)一個(gè)功能塊的處理后流2)電源冗余每個(gè)機(jī)柜內(nèi)都可安裝3個(gè)電入另一個(gè)功能塊進(jìn)行運(yùn)算。聯(lián)接方式可以是串源毎個(gè)模塊架的底板都有三根獨(dú)立的供電母線,行、并行或仼意結(jié)構(gòu)最終的計(jì)算結(jié)果指定給相應(yīng)每個(gè)電源都有足夠的驅(qū)動能力3個(gè)電源互為冗的輸岀通道。功能塊可實(shí)現(xiàn)嵌套結(jié)構(gòu)嵌套層次余同時(shí)還具有動態(tài)調(diào)整以選用最佳供電母線的可達(dá)36層每層塊內(nèi)都可使用4種組態(tài)語言。能力。2)梯形邏輯實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)梯形邏輯方式組態(tài),3)通訊冗余Ⅰ/OBUs和M-BUS均分為A/B以控制系統(tǒng)中的離散量并實(shí)現(xiàn)連鎖類似于電動兩側(cè)每側(cè)都具有相同的結(jié)構(gòu)和功能都能完成正機(jī)械式的繼電器系統(tǒng)的控制方法。常工作模塊可利用任何一側(cè)進(jìn)行通訊并實(shí)現(xiàn)自3)順序功能圖使用圖表的方法確定操作動切換。實(shí)際使用 LOBUS和MBUS都必須同時(shí)步驟和流程順序結(jié)果是產(chǎn)生一個(gè)由用戶定義的安裝兩根通訊電纜,以保證通訊在冗余狀態(tài)下進(jìn)類似流程圖的框圖。一個(gè)完整的順序功能圖由行初始步”",步-動作結(jié)構(gòu)”",變換”,分支"組成。5控制策略組態(tài)軟件-4- mation如圖2所示。在步-動作結(jié)構(gòu)”中“,動作”的內(nèi)容由其他4- mation是 APACS系統(tǒng)用于底層控制策略組3種語言組成,用以操縱一個(gè)變量或執(zhí)行一個(gè)算態(tài)的組態(tài)軟件,用C艸編寫是一種圖形化、層次法可以在其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)程序嵌套洏步"是確定該化、基于WNNT的組態(tài)工具。4main由4種組動作在順序圖中的位置態(tài)語言組成分別是功能塊語言梯形邏輯圖結(jié)中國煤化工一些標(biāo)準(zhǔn)、常規(guī)的操作構(gòu)化文本順序功能圖。可以用這4種語言的任指CNMHG供了一種編程方法補(bǔ)意組合來完成控制策略組態(tài)。充以上3種組態(tài)方法的不足主要應(yīng)用于用編程4- mation主要采用直觀的圖形界面方式完成方式比圖形組態(tài)方式更方便、快捷的場所例如控制組態(tài)組態(tài)方法簡單易學(xué)在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可以復(fù)雜的算術(shù)計(jì)算過程的初始化等。18基礎(chǔ)自動化第8卷NITIAL初始步:程序開始START BUTTON變換:下一步的執(zhí)行條件STEP IN TI-CONTROLTI步-動作結(jié)構(gòu)分支:程序執(zhí)行分支= START B: START_ATEPHNT2-CONTROLT2] [STEP 3 HN PL-CONTROL PI一:= CLOSE BSTEP4HNIMOTOR-102圖2順序功能示例圖6系統(tǒng)實(shí)例塊通訊的冗余通訊№M-BUs用于控制模塊之間以及控制模塊與過程管理級的冗余通訊。圖1是目前正在興建的某化肥廠 APACS系工程師站和操作員站通過網(wǎng)卡與通訊前端機(jī)統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。該系統(tǒng)自2000年2月起開始施工總構(gòu)成局域網(wǎng)工程師站完成系統(tǒng)軟件組態(tài)功能包監(jiān)控點(diǎn)數(shù)為2553點(diǎn)分為造氣及變壓吸附、合成括底層控制策略組態(tài)操作界面軟件生成系統(tǒng)參及尿素兩個(gè)子系統(tǒng)具體可分為造氣變壓吸附,數(shù)設(shè)定修改以及在線組態(tài)調(diào)整等瀝史記錄站壓縮變換銅洗合成尿素大顆粒等工段。其( HISTORIAN肥錄24h至6個(gè)月的歷史數(shù)據(jù)操作中造氣及變壓吸附子系統(tǒng)包括1352個(gè)監(jiān)控點(diǎn)包員站CINT廡成過程監(jiān)視及控制操作。含374個(gè)冗余點(diǎn))其中,AI:170點(diǎn)AO33點(diǎn)D403點(diǎn)DO746點(diǎn) PULSE脈沖輸入)8點(diǎn)合成7結(jié)語及尿素子系統(tǒng)包括1201個(gè)監(jiān)控點(diǎn)包含138個(gè)冗比較國內(nèi)外同類型分散控制系統(tǒng) APACS是余點(diǎn)),其中,AI:795點(diǎn);AO:140點(diǎn);D:199點(diǎn);個(gè)很有特點(diǎn)的產(chǎn)品。其系統(tǒng)開放性好硬件模塊可DO63點(diǎn); PULSEX脈沖輸入)4點(diǎn)。系統(tǒng)的控制靠性很高能適應(yīng)各種惡劣場所河以實(shí)現(xiàn)在線組范圍十分廣泛包括了工廠生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)。態(tài)而且整個(gè)系統(tǒng)的隔離、防爆能力很強(qiáng)適宜在電系統(tǒng)圖中第1部分為造氣及變壓吸附子系力石油、化工等危險(xiǎn)場所中推廣使用。統(tǒng)第2部分為合成及尿素子系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)相但是正是由于其開放性使得 APACS必須互獨(dú)立形成兩個(gè)局部的節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)間通過MBX與一些其他公司的產(chǎn)品兼容從目前的使用情況的擴(kuò)展將MBUS連接成一個(gè)多局部網(wǎng)絡(luò)MNE,來看正是這些接口存在隱患是故障多發(fā)點(diǎn)而工程師站通過MNT實(shí)現(xiàn)對兩個(gè)子系統(tǒng)的應(yīng)用且目前使用的一些接囗技術(shù)較為落后。若能在組態(tài)這方面加以完善,將更有利于 APACS的推廣使系統(tǒng)設(shè)置了兩對通訊前端機(jī)(SFRⅤER-2,用。SERⅤER3-4)每對通訊前端機(jī)(一用一備)負(fù)責(zé)與個(gè)子系統(tǒng)通訊。通訊前端機(jī)中安裝了MB卡參考文獻(xiàn)和普通網(wǎng)卡,它通過MB卡與控制模塊ACM構(gòu)成[1]于海生籌.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)M]北京清華大通訊網(wǎng)絡(luò)獲得下層傳來的數(shù)據(jù)又通過網(wǎng)卡與操學(xué)出版社1999作員站(CLHN成局域網(wǎng)將所獲得的數(shù)據(jù)發(fā)[21周洪分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)M]武漢武漢工業(yè)大學(xué)出版社,1997送給操作員站。ⅠO-BS用于控制模塊與ⅠO模Characteristics and SystemYH中國煤化工CNMHGSHAO Xian, LIU Quan-wei, JIANG Nu PAN XiaoWuhan University Hubei Wuhan 430072 ChinaAbstract: This paper elaborates the characteristics structure redundancy methods applied configuration and reliability of APACS angives an example of a fertilizer factoryKey words: APACS DCS characteristics i system applicatior