APACS特点及系统应用

2001年2月基础自动化Feb.2001第8卷第1期Basic automationVol 8, No. 1文章编号:105-366x2001m1-0015-04APACS特点及系统应用邵宪,刘全伟,江怒,潘笑武汉大学动力系,湖北武汉430072)摘要:就 APACS分布式控制系统的特点对系统架构、冗余方法、应用组态、可靠性等加以说明并给出正在施工中的某化肥厂的实际系统示例关键词: APACS DCS特点系统应用中图分类号:TP273文献标识码1引言3〕硬件可靠性 APACS的硬件模块可靠性高故障率较低。其模块按照可以直接安装在现APACS( Advanced h' ocess Automation and场设计在模块一级即可解决防潮、防腐、抗电磁Control System是美国 MOORE公司1992年推出的等问题。在1/O模块的通道组之间每组1-2个新一代分散控制系统实现了将υˆS与PC的功通道)实现了通道组间隔离、通道组与模块CPU、能相结合。其组态软件4- mation是世界上第一个通讯总线、电源及地线隔离从而将现场故障与控把DCS与PC结合在一起的组态软件符合IEC-制系统间隔离开起到了保护控制系统及硬件的61131-3标准曾于1994年获最佳组态软件奖。作用。系统的每一个LO通道都可由软件定义其输以广东中山电厂为例自1994年机组投产发入/输出类型即由用户通过组态软件确定是作为电以来其控制系统(采用 APACS3.0)一直正常输入通道、还是输岀通道使用这是该产品的一个运行至今未岀现硬件模块方面问题。显著特点。系统对过程控制的适应性强能方便4)灵活性、可维护性地进行模拟量回路控制和开关量顺序控制。在不①LO模块每个通道的用途都可由用户通过影响被控对象正常运行的情况下在线组态功能软件组态设定(由软件确定其输入/输岀类型可以实现控制策略及组态修改这在系统调试检②可实现在线组态和仿真调试。③可实现在线修期间能发挥很大作用。拔插模块。即在不影响整个系统工作的情况下拔2 APACS系统的特点插模块即插即用不需重新组态不需改变设定。1)开放性是指不同系统间的互连能力3 APACS系统架构APACS系统的开放性主要体现在:系统硬件和系APACS系统的结构借鉴了搭积木的方法从统软件可以与遵循国际标准的商品硬件和软件实层次上区分可理解成三级架构过程控制级控现互连。控制策略组态软件4-πaio支持多种工制通讯网络过程管理级。业界面组态软件,例如: Wonderware公司的1)过程控制级由过程控制模块(ACM厢和INTOUCH Micro Advantage等。各类ⅠO模块组成。ACM是过程控制中起主要2)可扩展性APA(S采用模块化结构没有控制作用的下位微处理计算机组态好的控制策大、中、小系统的概念可以从几十个回路的小系略中国煤化工它根据各类数据采集统扩展到几万个υ点的大系统而模块、系统软模『∏ CNMHG控制运算将运算结件、组态软件均可不变也不影响原有部分。果通过输岀模埉传输到现场控制器进行控制并收稿日期:2000-08-07作者简介邵策1970-)男湖南湘潭人武汉大学动力系研究生工程师主要从事计算机控制系统方面的研究。基础自动化第8卷将必要的数据上传过程管理计算机。环令牌绕逻辑环传送。因为只有令牌的持有者才每块ACM最多支持39块LO模块即最多能发送数据而任一时刻M-BUS上都只产生1个可支持624-1248个LO点令牌所以不会产生冲突。每块LO模块都是一台功能完备的微处理计一个局部的M-BUS最多支持32个ACM或算机包含了16或32个数据通道负责将现场传MB卡局部M-BUS可通过总线扩展模块(MBX)感器传来的模拟信号进行数字化处理后传递给扩展成一个多区域网络每个区域都是一个局部ACM或将ACM的计算结果处理后输出到现场执的M-BUS这就形成了M-NET。行机构。所有的LO扫描、非线性补偿、标度变3)过程管理级由操作员站和工程师站组换、通道故障诊断、硬件地址标定都由ⅠO模块完成主要完成显示操作、人工干预生产过程和在线成组态两项功能。操作员站把过程参量的信息集中ACM与LO模块之间通过oBUS通讯。Ⅰ′化收集现场数据进行过程量、工艺流程图、趋势OBUS遵循RS485通讯协议通讯速率为1Mbs,曲线的显示提供友好的人机界面并可由操作员标准长度914m,可延长至457.2m一块ACM修改过程参数。 MOORE公司未开发专用的界面下的 VOBUS可挂接39块LO模块组态软件而是采用一些通用的工业控制软件如2)控制通讯网络-MBUS/MNET用于控 NTOUCH AIMAX等。制模块ACM之间、控制模块与操作员站/工程师工程师站主要完成在线组态工作除此之外,站之间通讯遵循IEE802.4协议标)令牌总线它能完成操作员站所能完成的一切工作。协议)通讯速率5Mhps过程管理级的互连遵循 TCP/IP标准通过在为使操作员站/工程师站能挂接在 M-BUS/M-上位机中安装普通网卡而互连成以太网NT上在操作员站/工程师站的主板lSA插槽内( ETHERNET)通讯速率10Ml。若系统较大多插入1块MBI接口卡 MODULEBUS INTERFACE),设置一台或数台通讯前端机安装了MB卡和网M-BUsS连接到MBI卡的接口从而形成1根物理上卡的普通计算机浣完成系统与现场通讯。某化肥的总线。所有的ACM与MB在逻辑上构成1个厂控制系统结构图如图1所示。CLIENT I CLIENT 2 CLJENT 3 CLIENT 4 CLIENT 5 CLIENT 6 CLIENT 7CLIENT BENGINEEHISTORIANSERVE 3M-BUSMBI严理时SSSR- CAHLE 2囤翻图MIMIMMIMIEMLMMMIMIMMM-NETCNMHG图1某化肥厂 APACS结构图第1期邵宪等: APACS特点及系统应用4系统冗余在线显示各监测点过程/计算实时数据并能在不影响生产运行的情况下修改控制策略。冗余是一种控制设备在线热备份方法,以提MOORE公司没有专门开发界面组态软件但高系统可靠性。 APACS系统具有较完善的冗余是針对一些通用工业界面组态软件开发了专用结构其控制模块、电源、通讯以及LO均可实现的接口驱动程序。这在一定程度上加强了系统的冗余。任何部件的失效均不会导致整个系统失开放性同时也可以满足不同的用户要求,效也不会影响到过程控制。冗余部件之间的切1)功能块语言功能块是4- mation提供的最换是自动的、无扰动的不会造成数据丢失而且常用的一种图形组态语言,它将工业过程控制中能在操作站给出报警和记录。常用的一些算法的子程序段以图形块的形式形象1)模块冗余在这一级上有两种冗余方案地表示出来例如PD块手动/自动给定块脉冲①模块对模埉的冗余瘐控制模块和一些通玦等)使用户只需要了解眢功能块的功能就可讯模块冗余成对JO模块不冗余冗余切换只在通过选择相应旳块、在功能块之间连线、修改功能控制模块或通讯模块间进行这种方案多用于数块的相关参数的方式完成组态工作而不需要对据采集部分参见图1中 R-CABLE1②架对架编程有深入的了解。冗余整个机架上所有的模块完全冗余包括控制功能块放置在组态页上单一的功能块只能模块JO模块通讯模埉等υ这种方案多用于提供一个简单的算法多个功能块的组合就可根重要信号控制部邠参见图1中R-CABE2)·諄据控制的需要实现满足要求的复杂算法。功能f診囗。轲Z筻aY臌針唪吮Y蟹~族ⅹ拚挲块与功能块之间由连线联接,一系列具有特定目鏮e邊唏η送到备用模块中渃操作模埉岀现故的、作用旳功能块的联接就组成了功能块网。功障则产生一个无扰切换将后备模块切换成操作能块网类似于信号流程代表过程信号、变量的数模块并在操作站上发岀报警提示。据沿连线的方向流动经一个功能块的处理后流2)电源冗余每个机柜内都可安装3个电入另一个功能块进行运算。联接方式可以是串源毎个模块架的底板都有三根独立的供电母线,行、并行或仼意结构最终的计算结果指定给相应每个电源都有足够的驱动能力3个电源互为冗的输岀通道。功能块可实现嵌套结构嵌套层次余同时还具有动态调整以选用最佳供电母线的可达36层每层块内都可使用4种组态语言。能力。2)梯形逻辑实现传统梯形逻辑方式组态,3)通讯冗余Ⅰ/OBUs和M-BUS均分为A/B以控制系统中的离散量并实现连锁类似于电动两侧每侧都具有相同的结构和功能都能完成正机械式的继电器系统的控制方法。常工作模块可利用任何一侧进行通讯并实现自3)顺序功能图使用图表的方法确定操作动切换。实际使用 LOBUS和MBUS都必须同时步骤和流程顺序结果是产生一个由用户定义的安装两根通讯电缆,以保证通讯在冗余状态下进类似流程图的框图。一个完整的顺序功能图由行初始步”",步-动作结构”",变换”,分支"组成。5控制策略组态软件-4- mation如图2所示。在步-动作结构”中“,动作”的内容由其他4- mation是 APACS系统用于底层控制策略组3种语言组成,用以操纵一个变量或执行一个算态的组态软件,用C艹编写是一种图形化、层次法可以在其内部实现程序嵌套洏步"是确定该化、基于WNNT的组态工具。4main由4种组动作在顺序图中的位置态语言组成分别是功能块语言梯形逻辑图结中国煤化工一些标准、常规的操作构化文本顺序功能图。可以用这4种语言的任指CNMHG供了一种编程方法补意组合来完成控制策略组态。充以上3种组态方法的不足主要应用于用编程4- mation主要采用直观的图形界面方式完成方式比图形组态方式更方便、快捷的场所例如控制组态组态方法简单易学在系统运行时可以复杂的算术计算过程的初始化等。18基础自动化第8卷NITIAL初始步:程序开始START BUTTON变换:下一步的执行条件STEP IN TI-CONTROLTI步-动作结构分支:程序执行分支= START B: START_ATEPHNT2-CONTROLT2] [STEP 3 HN PL-CONTROL PI一:= CLOSE BSTEP4HNIMOTOR-102图2顺序功能示例图6系统实例块通讯的冗余通讯№M-BUs用于控制模块之间以及控制模块与过程管理级的冗余通讯。图1是目前正在兴建的某化肥厂 APACS系工程师站和操作员站通过网卡与通讯前端机统结构图。该系统自2000年2月起开始施工总构成局域网工程师站完成系统软件组态功能包监控点数为2553点分为造气及变压吸附、合成括底层控制策略组态操作界面软件生成系统参及尿素两个子系统具体可分为造气变压吸附,数设定修改以及在线组态调整等沥史记录站压缩变换铜洗合成尿素大颗粒等工段。其( HISTORIAN肥录24h至6个月的历史数据操作中造气及变压吸附子系统包括1352个监控点包员站CINT庑成过程监视及控制操作。含374个冗余点)其中,AI:170点AO33点D403点DO746点 PULSE脉冲输入)8点合成7结语及尿素子系统包括1201个监控点包含138个冗比较国内外同类型分散控制系统 APACS是余点),其中,AI:795点;AO:140点;D:199点;个很有特点的产品。其系统开放性好硬件模块可DO63点; PULSEX脉冲输入)4点。系统的控制靠性很高能适应各种恶劣场所河以实现在线组范围十分广泛包括了工厂生产的各个环节。态而且整个系统的隔离、防爆能力很强适宜在电系统图中第1部分为造气及变压吸附子系力石油、化工等危险场所中推广使用。统第2部分为合成及尿素子系统两个子系统相但是正是由于其开放性使得 APACS必须互独立形成两个局部的节点。节点间通过MBX与一些其他公司的产品兼容从目前的使用情况的扩展将MBUS连接成一个多局部网络MNE,来看正是这些接口存在隐患是故障多发点而工程师站通过MNT实现对两个子系统的应用且目前使用的一些接囗技术较为落后。若能在组态这方面加以完善,将更有利于 APACS的推广使系统设置了两对通讯前端机(SFRⅤER-2,用。SERⅤER3-4)每对通讯前端机(一用一备)负责与个子系统通讯。通讯前端机中安装了MB卡参考文献和普通网卡,它通过MB卡与控制模块ACM构成[1]于海生籌.微型计算机控制技术M]北京清华大通讯网络获得下层传来的数据又通过网卡与操学出版社1999作员站(CLHN成局域网将所获得的数据发[21周洪分布式计算机监控系统设计与开发M]武汉武汉工业大学出版社,1997送给操作员站。ⅠO-BS用于控制模块与ⅠO模Characteristics and SystemYH中国煤化工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