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电除尘器与工厂DCS的互连能力探讨
    随着Communication、Computer、Control、CRT 4C技术的飞速发展,DCS(Distributed Control System 分布式控制系统)技术取得了长足进步,它已走出高贵的神秘塔,广泛应用于新建、扩建和技改工程项目中。对燃煤电厂和众多需要烟气治理的工厂而言,电除尘器(Electrostatic Precipitator简称ESP)是重要的辅助设备,其自成体系的控制系统面临着进入工厂DCS的要求,以便通过 DCS的统一界面对除尘设备进行控制。我们根据用户的具体要求并结合当今先进的技术成果,先后开发设计了电除尘控制系统与DCS的多种互连方式,并成功地应用到具体的工程项目中,实现了集中管理、分散控制,满足了用户管控一体的需求。本文通过对多种互连方式的分析,对电除尘控制系统与工厂DCS系统的互连能力进行探讨。

1、硬接线方式:

  此方式把电除尘器控制系统I/O、A/D点通过硬接线直接送到DCS系统,因而直观、简单,但DCS系统只能监控各个与DCS系统相连的I/O、A/D点,无法渗透至子系统,如无法监控高压设备运行方式、具体故障,无法监控振打周期、振打导通角等,其采用的电缆多,扩展升级困难,效率低,技术落后,此模式只适合于对DCS系统要求较低的网络。

  现提供一台高压柜I/O、A/D接点:

  高压控制柜与DCS系统接口表

2、Modbus_RTU方式

  这是为解决现场控制层面上实现DCS控制而产生的一种模式。

  此方式采用一台工控机作为电除尘智能控制系统(The Intelligent Precipitator Computer Control System 简称IPC系统)上位机,以各高、低压控制设备作为下位机,IPC系统通过通讯方式采集各下位机的运行数据和工况参数,并管理和控制各下位机的运行。同时,IPC系统再通过 Modbus_RTU方式与DCS主机进行通讯,实现DCS主机监控电除尘器高低压设备目的。通过该方式,DCS可完全渗透至各子系统,如监控高压设备运行方式、具体故障,监控振打周期、振打导通角等。

  Modbus是广泛应用于工业现场的通讯协议,采用主/从(Master/Slave)结构,在一个控制网络中,主机一般是唯一的,从机最多可达 255个,每个从机都有唯一的地址标识。DCS作为主机方,IPC系统作为从机方,双方通过RS485总线在物理上实现连接,并明确采用Modbus通讯协议,RTU传输模式,定义好从机地址和IPC工控机使用的通讯端口及参数配置。同时按照具体工程项目定义IPC系统与DCS传输数据的地址、名称、参数范围、数据宽度等有关数据传送列表的详细规格,IPC系统根据DCS报文中的数据点开始地址和个数,返回相应数据条目的内容或执行相应操作。根据这些需求,专门开发设计了IPC系统与DCS的通讯接口程序,用来确定通讯口、接收来自DCS的中断请求并及时响应。DCS则可根据返回来的数据制作与整个系统相一致的界面,对电除尘器的运行实施监控。

  通讯时,主机发送Modbus报文,根据报文中的地址域,相应从机进行响应。通过将地址域置为零,对全部从机发送广播。协议通过命令字区分不同种类的报文。每个报文都具有校验域供接收端校验报文的正确性和完整性。标准的MODBUS报文结构见如下示例:

  在黄岛、印度BALCO公司自备电厂等不少众多电除尘器工程项目中,我们根据用户的需求定制了IPC系统与DCS互连的通讯接口,不仅顺利实现了双方的通讯,而且层次清晰,结构简单,满足了DCS统一管理、控制锅炉机组及其辅助设备的现实需要。同时双方只要遵循Modbus标准协议,根本不用关心对方的系统结构、操作平台,就可以轻松实现通讯,实现系统的无关性。实际应用中,只需在IPC系统与DCS之间架设1根通讯电缆,在IPC系统与电除尘控制系统之间架设几根通讯电缆就可以,几乎不占用多少施工时间。运行过程中,一般由DCS主机根据自身的需要发出各种查询命令,IPC系统通过通讯接口程序,接收来自DCS的报文命令并进行响应,分析命令类别并将电除尘器的运行工况参数返回给DCS,从而实现双方的相互通讯。通讯连接示意图如下:

3、OPC接口方式

  这是目前基于工业以太网的发展,为解决不同软件开发商和硬件设备制造商之间系统集成矛盾而出现的模式。

  以太网具有成本低、速度高、系统开放和兼容性强的优点,交换技术的出现与发展,使得以太网具有了实时性,成为一个确定性的网络,打破了传统的 5-4-3原则,使其规模和覆盖范围大幅度提高,从而给自动化市场带来风暴式的革命,几乎所有的DCS供应商均提供了工业以太网接口的产品,产生了 C/S、B/S及OPC等模式。

  OPC的全称是OLE for Process Control,是基于微软的OLE(现为ActiveX)、 COM (Component Object Model)和DCOM(Distributed COM)技术,由一系列用于过程控制和制造业自动化应用领域的标准接口、属性以及方法组成。它采用客户/服务器模式,把开发访问接口的任务放在硬件生产厂家或第三方厂家,以OPC服务器的形式提供给用户,解决了软、硬件厂商的矛盾,完成了系统的集成,提高了系统的开放性和可互操作性。OPC为多种多样的工业过程控制设备、系统与人机界面软件之间的数据信息交换提供了公共的接口,它的出现为基于Windows的应用程序和现场过程控制应用建立了桥梁,目前已被确定为全球事实性的工业标准,是工业界系统互连的缺省方案,得到过程控制设备制造商和工业控制软件开发商的支持。OPC不但可以应用在单机系统,也可以支持网络上分布式应用程序之间的通讯,实现系统软件与设备之间的无缝集成和真正开放的通讯。

  OPC现有3个主要的规范:数据访问接口规范(Data Access Interface Standard)、报警及事件处理规范(OPC Alarms and Events)、历史数据存取规范(Historical Data Access)。其中数据访问规范包含两套接口:自定义接口(Custom Interface)和自动化接口(Automation Interface)。根据规范,一个OPC数据访问服务器由3个层次的对象组成。处于上层的是服务器对象(Server),它包含了服务器的信息并作为组对象的容器;处于中间一层的是组对象(Group),它主要维护自身的信息并提供了包含和从逻辑上组织数据项对象的机制;处于下层的则是数据项对象(Item),它代表了服务器与数据源(硬件设备)的连接,具有值(Value)、品质(Quality)、时间标签(Time Stamp)三个属性。但数据项不能直接被客户直接访问,所有对数据项的访问都是通过包含数据项的组对象来实现的。而且一个OPC服务器可以为多个OPC客户提供服务,OPC客户也可以连接到不同的OPC服务器上,连接非常灵活。

  基于OPC的开放性、互连性等多种优良特性,IPC系统增加了OPC服务器的功能。根据数据访问接口规范,在开发设计过程中将IPC系统作为服务器对象,高压控制单元、低压控制单元(如加热器、振打器等)作为组对象,电流、电压、温度、振打时间等作为数据项对象,然后有机地组织起来,编写相应的接口程序并将接口提供给OPC客户使用。其网络结构示意图如下:

  DCS系统组态软件一般都具有OPC功能,只要按照OPC规范并利用IPC系统中OPC服务器提供的程序接口,可以很容易就设计出OPC客户,迅速连接到IPC系统,很好地实现两个系统的信息交换。同时用户在OPC客户中可以设计符合自身口味的有关电除尘器设备的显示操作界面,满足整个系统人机接口统一布置的需要。OPC接口方式的应用先后在鲤鱼江、榆社等电厂得到了具体实现,运行效果良好。

4、基于组态软件的接口方式

  这是目前我们针对工控组态软件技术的日渐成熟而开发的模式。

  组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件,它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境,使用灵活的组态方式,为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。它支持各种工控设备和常见的通信协议,并且提供分布式数据管理和网络功能。它是可以使用户无需改变运行程序原代码的软件平台工具。由于工控组态软件在实现工业控制的过程中免去了大量烦琐的编程工作,解决了长期以来控制工程人员缺乏计算机专业知识与计算机专业人员缺乏控制工程现场操作技术和经验的矛盾,极大地提高了自动化工程的工作效率,在自动化工程中受到广泛欢迎。随着它的快速发展,实时数据库、实时控制、 SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容,并且不断被赋予新的内容,这样,越来越多的用户、设计院不仅要求 DCS系统供应商采用如InTouch、iFiX、组态王、力控等第三方工控组态软件,还要求包括电除尘智能控制系统在内的过程控制设备制造商等使用相同的组态软件。

  工控组态软件是由系统开发环境与系统运行环境两大部分组成,其开发设计围绕人机界面系统、基于PC的控制系统(也称软PLC或软逻辑)、实时数据库系统、通信系统等四大部分进行,它能实现工业过程动态可视化、数据采集管理、监控报警、历史数据存储 、多重冗余等功能。基于组态软件的IPC系统网络结构拓扑图如下:

  整个系统有DCS系统工控机、IPC系统工控机、PLC、网桥、DAU和现场高低压设备组成。PLC采用Quantum或 Control Logix、S7-400等系列,DAU数据采集模块,负责现场电除尘高低压设备数据采集,并且以Modbus方式与网桥通讯,网桥负责 Modbus协议数据和PLC的NetLinx或Profibus等方式数据互相之间的解释转换,其中Quantum系列PLC有Modbus接口,所以无需网桥。DCS工控机和IPC系统工控机通过组态软件共同组成OPC客户/服务,这样就形成完整的DCS控制网络系统。为了保证系统的稳定性运用了双机冗余和双网络冗余技术,实现了真冗余。IPC系统采用组态软件方式,使图形功能大幅增强,实现在线组态修改,组态非常灵活,解决了使用DELPHI、 C++等编程语言编写的应用程序扩展困难、升级困难、维护困难的问题。

  综上所述,这几种实现方式虽然不同,但各有所长,其中硬接线方式直观、简单,Modbus_RTU方式从现场控制层面上实现与DCS系统之间的交流, OPC方式则比较彻底地解决了长期以来存在的不同系统之间的通讯困难、集成困难,而基于组态软件的接口方式则运用Modbus、OPC、PLC、组态软件技术解决了用户对不同系统的组态需求。可以认为这几种系统互连的方式基本能够满足目前工业自动化和管控一体化发展的需要,不仅电除尘控制系统通过它们可以实现进入DCS,而且其他的控制系统也可以根据实际要求,将其原理应用到具体的工程项目中,解决不同系统之间的数字鸿沟,从而实现DCS、SIS等网络系统的数据访问和监控,达到透明工厂要求。

参考文献:

  1、iFiX3.0 中文版手册

  2、谢剑英等编著 微型计算机控制技术 国防工业出版社,2001

  3、马国华 监控组态软件及其应用 清华大学出版社, 2001

  4、徐立辰 管控一体化的工业以态网平台,工业控制计算机 2003,10

  5、曾用基 AB PLC与 Modbus网络的通讯,微计算机信息2004,6

  
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