低成本自動化系統在糖廠工藝參數監控中的應用
關鍵詞：低成本自動化;參數監控;IPC;ADAM-4000模塊;組態王（KING VIEW）
一、概述
在糖廠的生產過程中，為保證生產的安全進行，特別是保證蔗糖的質量，提高出優等糖的出糖率，必須對糖廠的壓榨、制煉、鍋爐、電力等車間的生產過程中的主要工藝參數進行監控。由于糖廠的工藝決定了糖廠的車間較為分散，監測記錄參數量多，而且大部分靠人工操作，造成工人管理及調度人員勞動強度大，數據不準確，給糖廠的生產操作、調度及管理實現自動化帶來了很大不便。因此安裝糖廠工藝參數監控系統有著重要的意義。它可以實現在線連續、自動監測、存貯及處理生產過程中各生產部位的工藝參數，優化現場操作條件，減輕工人勞動強度，同時，還要求可用便攜式電腦在異地通過網絡監控各設備工況及工藝參數、異地進行故障診斷及系統維護。為實現全面質量管理自動化打下基礎。
二、系統平臺的選擇
在設計本監控系統時，主要考慮的問題是系統的開放性、維護性以及整個系統的性能價格比，因此選擇適當的軟、硬件平臺是非常重要的。集散控制系統的DCS以卓越的集中管理、集中操作與功能分散、危險分散的特點適應了工廠自動化的要求，是工控系統理想的系統結構。但是一些DCS系統大都比較龐大，硬件和軟件的專用性強，系統投資很大，開發周期長，使得許多中小企業望而卻步。
當前工控系統的一個值得注意的趨勢就是低成本的自動化。所謂低成本自動化就是一種適度投資、采用高新技術、低成本、高效益、低風險，具有竟爭力的一種自動化模式。它瞄準中小企業自動化系統中的過程控制和生產監控管理。低成本自動化的目標就是以較低的成本實現高可靠性、高性能的控制系統。為此在經過對各種方案進行充分的比較后,選擇以下的軟、硬件平臺。
1、硬件平臺：在上述背景下，工業控制計算機IPC越來越受到關注。IPC的開放性、兼容性使得它與大系統聯結比較方便，這正是IPC適于低成本自動化的優勢。同時IPC是按照工業現場的要求進行設計的，與一般的通用PC相比、IPC在抗干擾性，可靠性等方面有了極大的改進，完全能夠滿足工業現場控制的需要。據統計，其平均無故障時間MTBF已達10年。同時IPC往往采用嵌入式結構特點，實現了模塊化及組合化。能夠使用現在很多工控硬件公司生產的符合IPC標準的各種控制模塊或板卡，能夠方便地設計及搭建自己的工業控制系統，實現了“即插即用”（Plug and play）
2、軟件平臺：從軟件方面看，Windows逐漸成為PC軟件的平臺，Windows以其標準窗口系統、圖形用戶界面（GUI）和集成數據共享等特點，成為當今最受歡迎的軟件開發工具和集成環境之一。Windows受到廣泛稱贊的特色之一是它的動態數據交換DDE（Dynamical Dede Exchange）功能。通過DDE以及Net DDE（DDE的網絡版本），同一計算機上的多個應用程序之間在運行過程中可以進行數據交換，網絡上的不同計算機之間可以實現數據共享。國際、國內有眾多的基于PC機及Windows平臺的工控軟件，如InTouch、Citect及組態王（King View）等工控軟件包。這些軟件包都提供了對Windows DDE功能的支持。
因此，考慮到適應開放體系控制系統的發展趨勢，我們決定采用低成本自動化系統集成的方式，選擇IPC作為監控系統硬件平臺，選擇臺灣研華（ADVANTECH）公司的ADAM—4000系列遠端數據采集模塊組成RS-485測控網絡系統，以Windows98作為IPC監控系統的軟件平臺，由北京亞控自動化軟件公司生產的組態王6.0（King View6.0）軟件組成監控系統的軟件體系。
三、系統方案
1、 系統要求該工藝參數監控系統對糖廠有關車間的電流、功率、溫度、壓力、流量、液位及糖漿鍾度、中和PH值等33個工藝參數進行實時監測及管理。根據生產狀況及時給出報警信號，自動生成并定時打印報表等;同時對在生產工藝控制中比較重要的參數要在整個榨季進行記錄保存，并在系統上繪制歷史及實時曲線，可根據各工藝參數的實時曲線值實時調整生產工藝控制及參數控制，實現整個生產過程及流程處于最佳工藝生產狀態，提高產品質量及出糖率。同時要求組建相應的網絡系統，利用便攜式電腦在異地可實現遠程監控現場參數及工藝畫面，同時可遠程對系統的參數設置及故障進行診斷及維護。
2、 根據上述系統要求，由臺灣研華公司的工業控制微機IPC和ADAM—4000系列遠端數據采集控制模塊組成RS-485網絡測控系統：
圖1 系統組成框圖
（1）工控機選用研華IPC—615型奔騰或以上CPU的專用機，該機型具有較強的抗惡劣環境及抗干擾能力和較高的可靠性，加裝100M以態網卡后可以與其它系統聯成局域網。
（2）ADAM—4000系列遠端數據采集模塊為智慧型I/O模塊，可處理A/D、D/A、D/I、D/O等工業信號，并可直接與各種形式熱電偶及鉑電阻直接相連，也可通過傳感器或一次儀表將待檢測的物理參數的測量值送入ADAM—4000模塊的RS—485標準網絡，該網絡利用單組雙絞線屏蔽電纜作為信號傳輸線;傳送速率可達到115.2kbps，傳輸距離可達1.2KM，同一個網絡中最多可接入256個ADAM模塊，每個ADAM模塊可有最多16個通道的模擬量輸入或開關量輸入。
（3）上位機組態軟件選用北京亞控公司的組態王6.0（King View6.0）該軟件能很好的支持ADAM—4000系列模塊，組態方便，容易操作的人機界面，具有數據分析與報表輸出等功能。同時,組態王支持通過動態數據交換（DDE）和其它應用程序交換數據;通過DDE,開發者可以利用PC機豐富的軟件資源來擴充“組態王”的功能,如可和各種Windows下的與DDE兼容的應用程序（如Excel）交換數據;可以利用VB開發服務程序,完成數據采集、報表打印、多媒體聲光報警等功能;從而很容易組成一個完備的上位機管理系統;還可以和數據庫程序、人工智能程序、專家系統等進行通信。而且組態王的網絡版支持真正客戶-服務器模式和Internet/Intranet瀏覽器技術、支持遠程報警的各種報警方式和利用MODEM與當地電話撥號上網通信等多種網絡形式。
（4）信息時代是一個聯網的時代。對于工業應用方面的遠距離測點，難以構成局域網，Internet解決方案和無線解決方案又容易受到速度、費用、天氣等影響。根據本系統的要求及特點，本著節約有限經費我們決定不設服務器，利用組態王遠程撥號的方案實現遠距離聯網。其利用調制解調器（MODEM）及電話網實現遠程撥號聯網，遠程撥號功能與組態王原有驅動程序無縫連接，硬件設備端無需更改程序。利用便攜式計算機遠程撥號能實時顯示現場設備運行狀況及工藝參數，隨時打印，報警和歷史數據自動上傳等功能;并可遠程進行故障診斷及維護等。
四、系統特點及功能實現
1、本系統是根據現我國一般蔗糖糖廠的實際工藝及監控的參數情況，應用分布式數據采集方式構成的系統。系統由一個中心站（操作柜及監控站）及四個子站組成。在中心站可集中監測、顯示、管理系統全部數據及信息，而四個子站為四個數據采集站，分別分散在糖廠的四個車間，見下圖所示：
圖2 系統網絡結構圖
2、系統硬件為模塊化結構，故系統可靈活地更換不同的功能模塊，
以進行不同任務的系統組態，這對于系統的進一步擴張和功能的增加及修改是極為方便和有利的。
3、各子站的主要硬件采用ADAM（研華工控系統產品）模塊，為今后系統的擴展、操作、維護、以及系統的升級打下了良好的基礎;同時該模塊本身帶有DC500V的光點隔離電路，采用差分輸入輸出，其傳輸線路采用屏蔽雙絞線電纜，以上措施將能較好地減少和避免外部信號的干擾，故系統有較好的抗干擾能力。
4、系統主機采用工控產品，故系統在惡劣環境中可穩定可靠連續的運行;整個系統采用集中供電方式，中心站設置參數穩壓電源，由此向設在各子站的隔離開關電源裝置送電，經隔離開關電源轉變為相應的+24V、±12VDC以后供各子站模塊使用。
5、通過位于主站上的組態軟件“組態王”6.0的配置及組態，實現對各子站所對應車間的設備工況及工藝參數的監控及管理。充分滿足系統方案所提出的要求。
五、結束語
采用低成本自動系統集成的方式,利用IPC的高可靠性、開放性及其豐富的軟、硬件資源,我們非常迅速地實現了該糖廠的工藝參數監控系統;從硬件方面來說,使用成熟的、性價比高的ADAM模塊可以省去電路設計、制版、調試等一系列工作,縮短了硬件開發時間;而充分利用Windows平臺數據集成功能,發揮組態王在Windows平臺下的強大功能,可節省程序開發的工作量,縮短整個系統的開發時間。
該系統于2001年底和2002年底在云南永德糖業集團下屬的兩個企業-永德康甸糖業公司及永甸糖廠分別投運以來,一直安全運行,對這兩個企業的生產及管理產生了積極的效果,改善了工作環境,降低了管理者及工人的勞動強度,增強了生產現場的安全性,提高了產品質量。總之,經過一年半的運行考驗,證明系統是可靠的,取得了明顯的經濟效益和社會效益。
參考文獻
1、Total Solution for PC-based Automation Automation with PCs ADVANTECH
2、組態王 6.0（KING VIEW VERSION 6.0）使用手冊 北京壓控科技發展有限公司
3、ADAM-4000 Series Data Acquisition Modules User‘s Manual
4、工業控制系統應用 繆爾康 主編 電子工業出版社
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