電除塵器與工廠DCS的互連能力探討

1、硬接線方式：

　　此方式把電除塵器控制系統I/O、A/D點通過硬接線直接送到DCS系統，因而直觀、簡單，但DCS系統只能監控各個與DCS系統相連的I/O、A/D點，無法滲透至子系統，如無法監控高壓設備運行方式、具體故障，無法監控振打周期、振打導通角等，其采用的電纜多，擴展升級困難，效率低，技術落后，此模式只適合于對DCS系統要求較低的網絡。

　　現提供一臺高壓柜I/O、A/D接點：

　　高壓控制柜與DCS系統接口表

2、Modbus_RTU方式

　　這是為解決現場控制層面上實現DCS控制而產生的一種模式。

　　此方式采用一臺工控機作為電除塵智能控制系統（The Intelligent Precipitator Computer Control System 簡稱IPC系統）上位機，以各高、低壓控制設備作為下位機，IPC系統通過通訊方式采集各下位機的運行數據和工況參數，并管理和控制各下位機的運行。同時，IPC系統再通過 Modbus_RTU方式與DCS主機進行通訊，實現DCS主機監控電除塵器高低壓設備目的。通過該方式，DCS可完全滲透至各子系統，如監控高壓設備運行方式、具體故障，監控振打周期、振打導通角等。

　　Modbus是廣泛應用于工業現場的通訊協議，采用主/從（Master/Slave）結構，在一個控制網絡中，主機一般是唯一的，從機最多可達 255個，每個從機都有唯一的地址標識。DCS作為主機方，IPC系統作為從機方，雙方通過RS485總線在物理上實現連接，并明確采用Modbus通訊協議，RTU傳輸模式，定義好從機地址和IPC工控機使用的通訊端口及參數配置。同時按照具體工程項目定義IPC系統與DCS傳輸數據的地址、名稱、參數范圍、數據寬度等有關數據傳送列表的詳細規格，IPC系統根據DCS報文中的數據點開始地址和個數，返回相應數據條目的內容或執行相應操作。根據這些需求，專門開發設計了IPC系統與DCS的通訊接口程序，用來確定通訊口、接收來自DCS的中斷請求并及時響應。DCS則可根據返回來的數據制作與整個系統相一致的界面，對電除塵器的運行實施監控。

　　通訊時，主機發送Modbus報文，根據報文中的地址域，相應從機進行響應。通過將地址域置為零，對全部從機發送廣播。協議通過命令字區分不同種類的報文。每個報文都具有校驗域供接收端校驗報文的正確性和完整性。標準的MODBUS報文結構見如下示例：

　　在黃島、印度BALCO公司自備電廠等不少眾多電除塵器工程項目中，我們根據用戶的需求定制了IPC系統與DCS互連的通訊接口，不僅順利實現了雙方的通訊，而且層次清晰，結構簡單，滿足了DCS統一管理、控制鍋爐機組及其輔助設備的現實需要。同時雙方只要遵循Modbus標準協議，根本不用關心對方的系統結構、操作平臺，就可以輕松實現通訊，實現系統的無關性。實際應用中，只需在IPC系統與DCS之間架設1根通訊電纜，在IPC系統與電除塵控制系統之間架設幾根通訊電纜就可以，幾乎不占用多少施工時間。運行過程中，一般由DCS主機根據自身的需要發出各種查詢命令，IPC系統通過通訊接口程序，接收來自DCS的報文命令并進行響應，分析命令類別并將電除塵器的運行工況參數返回給DCS，從而實現雙方的相互通訊。通訊連接示意圖如下：

3、OPC接口方式

　　這是目前基于工業以太網的發展，為解決不同軟件開發商和硬件設備制造商之間系統集成矛盾而出現的模式。

　　以太網具有成本低、速度高、系統開放和兼容性強的優點，交換技術的出現與發展，使得以太網具有了實時性，成為一個確定性的網絡，打破了傳統的 5-4-3原則，使其規模和覆蓋范圍大幅度提高，從而給自動化市場帶來風暴式的革命，幾乎所有的DCS供應商均提供了工業以太網接口的產品，產生了 C/S、B/S及OPC等模式。

　　OPC的全稱是OLE for Process Control,是基于微軟的OLE（現為ActiveX）、 COM （Component Object Model）和DCOM（Distributed COM）技術，由一系列用于過程控制和制造業自動化應用領域的標準接口、屬性以及方法組成。它采用客戶/服務器模式，把開發訪問接口的任務放在硬件生產廠家或第三方廠家，以OPC服務器的形式提供給用戶，解決了軟、硬件廠商的矛盾，完成了系統的集成，提高了系統的開放性和可互操作性。OPC為多種多樣的工業過程控制設備、系統與人機界面軟件之間的數據信息交換提供了公共的接口，它的出現為基于Windows的應用程序和現場過程控制應用建立了橋梁，目前已被確定為全球事實性的工業標準，是工業界系統互連的缺省方案，得到過程控制設備制造商和工業控制軟件開發商的支持。OPC不但可以應用在單機系統，也可以支持網絡上分布式應用程序之間的通訊，實現系統軟件與設備之間的無縫集成和真正開放的通訊。

　　OPC現有3個主要的規范：數據訪問接口規范（Data Access Interface Standard）、報警及事件處理規范（OPC Alarms and Events）、歷史數據存取規范（Historical Data Access）。其中數據訪問規范包含兩套接口：自定義接口（Custom Interface）和自動化接口（Automation Interface）。根據規范，一個OPC數據訪問服務器由3個層次的對象組成。處于上層的是服務器對象（Server），它包含了服務器的信息并作為組對象的容器;處于中間一層的是組對象（Group），它主要維護自身的信息并提供了包含和從邏輯上組織數據項對象的機制;處于下層的則是數據項對象（Item），它代表了服務器與數據源（硬件設備）的連接，具有值（Value）、品質（Quality）、時間標簽（Time Stamp）三個屬性。但數據項不能直接被客戶直接訪問，所有對數據項的訪問都是通過包含數據項的組對象來實現的。而且一個OPC服務器可以為多個OPC客戶提供服務，OPC客戶也可以連接到不同的OPC服務器上，連接非常靈活。

　　基于OPC的開放性、互連性等多種優良特性，IPC系統增加了OPC服務器的功能。根據數據訪問接口規范，在開發設計過程中將IPC系統作為服務器對象，高壓控制單元、低壓控制單元（如加熱器、振打器等）作為組對象，電流、電壓、溫度、振打時間等作為數據項對象，然后有機地組織起來，編寫相應的接口程序并將接口提供給OPC客戶使用。其網絡結構示意圖如下：

　　DCS系統組態軟件一般都具有OPC功能，只要按照OPC規范并利用IPC系統中OPC服務器提供的程序接口，可以很容易就設計出OPC客戶，迅速連接到IPC系統，很好地實現兩個系統的信息交換。同時用戶在OPC客戶中可以設計符合自身口味的有關電除塵器設備的顯示操作界面，滿足整個系統人機接口統一布置的需要。OPC接口方式的應用先后在鯉魚江、榆社等電廠得到了具體實現，運行效果良好。

4、基于組態軟件的接口方式

　　這是目前我們針對工控組態軟件技術的日漸成熟而開發的模式。

　　組態軟件是指一些數據采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動控制系統監控層一級的軟件平臺和開發環境，使用靈活的組態方式，為用戶提供快速構建工業自動控制系統監控功能的、通用層次的軟件工具。它支持各種工控設備和常見的通信協議，并且提供分布式數據管理和網絡功能。它是可以使用戶無需改變運行程序原代碼的軟件平臺工具。由于工控組態軟件在實現工業控制的過程中免去了大量煩瑣的編程工作，解決了長期以來控制工程人員缺乏計算機專業知識與計算機專業人員缺乏控制工程現場操作技術和經驗的矛盾，極大地提高了自動化工程的工作效率，在自動化工程中受到廣泛歡迎。隨著它的快速發展，實時數據庫、實時控制、 SCADA、通訊及聯網、開放數據接口、對I/O設備的廣泛支持已經成為它的主要內容，并且不斷被賦予新的內容，這樣，越來越多的用戶、設計院不僅要求 DCS系統供應商采用如InTouch、iFiX、組態王、力控等第三方工控組態軟件，還要求包括電除塵智能控制系統在內的過程控制設備制造商等使用相同的組態軟件。

　　工控組態軟件是由系統開發環境與系統運行環境兩大部分組成，其開發設計圍繞人機界面系統、基于PC的控制系統（也稱軟PLC或軟邏輯）、實時數據庫系統、通信系統等四大部分進行，它能實現工業過程動態可視化、數據采集管理、監控報警、歷史數據存儲 、多重冗余等功能。基于組態軟件的IPC系統網絡結構拓撲圖如下：

　　整個系統有DCS系統工控機、IPC系統工控機、PLC、網橋、DAU和現場高低壓設備組成。PLC采用Quantum或 Control Logix、S7-400等系列，DAU數據采集模塊，負責現場電除塵高低壓設備數據采集，并且以Modbus方式與網橋通訊，網橋負責 Modbus協議數據和PLC的NetLinx或Profibus等方式數據互相之間的解釋轉換，其中Quantum系列PLC有Modbus接口，所以無需網橋。DCS工控機和IPC系統工控機通過組態軟件共同組成OPC客戶/服務，這樣就形成完整的DCS控制網絡系統。為了保證系統的穩定性運用了雙機冗余和雙網絡冗余技術，實現了真冗余。IPC系統采用組態軟件方式，使圖形功能大幅增強，實現在線組態修改，組態非常靈活，解決了使用DELPHI、 C++等編程語言編寫的應用程序擴展困難、升級困難、維護困難的問題。

　　綜上所述，這幾種實現方式雖然不同，但各有所長，其中硬接線方式直觀、簡單，Modbus_RTU方式從現場控制層面上實現與DCS系統之間的交流， OPC方式則比較徹底地解決了長期以來存在的不同系統之間的通訊困難、集成困難，而基于組態軟件的接口方式則運用Modbus、OPC、PLC、組態軟件技術解決了用戶對不同系統的組態需求。可以認為這幾種系統互連的方式基本能夠滿足目前工業自動化和管控一體化發展的需要，不僅電除塵控制系統通過它們可以實現進入DCS，而且其他的控制系統也可以根據實際要求，將其原理應用到具體的工程項目中，解決不同系統之間的數字鴻溝，從而實現DCS、SIS等網絡系統的數據訪問和監控，達到透明工廠要求。

參考文獻：

　　1、iFiX3.0 中文版手冊

　　2、謝劍英等編著 微型計算機控制技術 國防工業出版社，2001

　　3、馬國華 監控組態軟件及其應用 清華大學出版社， 2001

　　4、徐立辰 管控一體化的工業以態網平臺，工業控制計算機 2003，10

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