AIDCS分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)
摘 要：本文以廈門宇電公司的產品為例，敘述了顯示控制器、手操器、伺服放大器、工控模塊、PLC可編程控制器的性能，介紹了以這些設備為下位機的多種類型的AIDCS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)。
關鍵詞：顯示控制儀表 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)
AIDCS Distributed Control System
FANG Yuan-bai
Abstract: Taking products of Xiamen YuDian company as an example, describes performance of the display and control instrument, manual manipulator, servo amplifier, control module, PLC programmable controller, introduces AIDCS data acquisition system and Artificial intelligence distributed control system formed by these devices.
Key words: Display and control instrument Data acquisition system Artificial intelligence distributed control system
1 概述
就生產過程自動化水平而言，大體可以劃分為參數(shù)檢測系統(tǒng)、參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)幾類。參數(shù)檢測系統(tǒng)為采用多臺數(shù)字顯示儀、記錄儀構成的系統(tǒng)，生產過程所需要檢測的參數(shù)由安裝在儀表盤上的多臺數(shù)字顯示儀或記錄儀分別顯示；參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)與參數(shù)檢測系統(tǒng)類似，只不過生產過程部分參數(shù)有自動控制的要求，因而由帶控制功能的數(shù)字顯示儀或記錄儀來完成；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則有上位機系統(tǒng)，它采集下位機或采集系統(tǒng)本身的I/O接口接入的生產過程參數(shù)，然后在計算機屏幕上顯示反映生產過程狀態(tài)的各種參數(shù)、流程圖、報表等；分布式控制系統(tǒng)則采用系統(tǒng)本身的I/O接口或通過通信方式接入其他系統(tǒng)傳送過來的生產過程參數(shù)，還對有自動控制要求的參數(shù)進行自動控制，然后在計算機屏幕上顯示反映生產過程狀態(tài)的各種參數(shù)、流程圖、報表等。
數(shù)字顯示儀和無紙記錄儀是一類價格低廉、功能豐富的儀表，既可在檢測參數(shù)特別少的場合應用，也可在檢測參數(shù)較多甚至有部分控制回路的場合應用。因此由數(shù)字顯示儀和無紙記錄儀構成的參數(shù)檢測系統(tǒng)、參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)隨處可見。但我們現(xiàn)在關心的是當數(shù)字顯示儀和無紙記錄儀具備較強的通信功能時，怎樣用它們來構成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和分布式控制系統(tǒng)。
顯示控制器的功能以顯示為主，一部分兼具控制功能，這類功能是常規(guī)顯示控制器的通用功能，可分別由多臺顯示器構成常規(guī)數(shù)字化監(jiān)測系統(tǒng)和由多臺顯示控制器構成常規(guī)數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)。一些公司顯示控制器的通信功能特別強，比如帶RS485通信接口，由此可構成以顯示控制器為下位機的多種類型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)。
以下我們以廈門宇電公司產品為例，著重討論如何選用數(shù)字顯示控制器（包括無紙記錄儀）等儀表組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)。
2 單機小型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
AI系列分體式無紙記錄儀或人機界面觸摸屏可選配多種帶RS485通信接口的宇電二次儀表作為下位機，如單路、多路測量報警儀表，智能PID調節(jié)器/程序溫控器等，這包括盤裝儀表、導軌安裝型儀表、導軌安裝型工控模塊，可按需配置，分別購買，自由組合及自由擴充（見圖1）。
分體式無紙記錄儀相當于將測控單元與LCD顯示屏幕分開，由下位機完成測控單元功能，無紙記錄儀完成LCD顯示屏幕功能。其檢測通道數(shù)應在訂貨時注明，如8、10、12、18、24、30、36、48通道，更多的通道數(shù)可與廠方協(xié)商。這一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的優(yōu)點是擴展方便、價格低廉、無需組態(tài)。
圖1 單機小型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
3 分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)
廈門宇電公司推出的AIDCS智能分布式控制系統(tǒng)（Artificial Intelligence Distributed Control System）是一種建立在工控網絡上的工業(yè)過程控制系統(tǒng)，“智能分布式”概念是指控制系統(tǒng)內每個下位機單元都具有微處理芯片和足夠功能的智能軟件來實現(xiàn)獨立工作的能力，并且可以隨意分散布置，但對于管理者（上位機）而言，一個設備或一個工序（工段、車間、工廠）所有的下位機又可透過網絡集成為一個整體進行操作和監(jiān)控。
目前市場使用的DCS（Distributed Control System）集散控制系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)非網絡化二次儀表的進步主要在于重視了“集中”，即全部系統(tǒng)透過網絡集中為一個整體系統(tǒng)，這大大方便了對生產工藝的監(jiān)控、操作，無疑是工業(yè)自動化的一大進步，但現(xiàn)有DCS系統(tǒng)卻丟失了“分布”（Distributed）理念，下位機無法脫離上位機和網絡工作，系統(tǒng)存在安全隱患。并且DCS因高度集成而不是一個開放的系統(tǒng)，并不利于產業(yè)的良性競爭和技術升級，無法實現(xiàn)客戶利益更大化，F(xiàn)CS現(xiàn)場總線系統(tǒng)相對DCS而言實現(xiàn)了開放性，但其下位機仍無法脫離網絡工作，并沒有真正實現(xiàn)“分布式”的理念，而且由于FCS采用了昂貴的高速、多主機通信網絡，導致其成本反而比DCS更高。
AIDCS像DCS和FCS一樣，具有系統(tǒng)集中為一個整體的優(yōu)點，而對DCS及FCS改進的是，AIDCS每臺下位機自身集成了模擬量、開關量的輸入輸出，以及PID調節(jié)和復雜調節(jié)算法功能，即使脫離了上位機甚至網絡仍可以獨立完成現(xiàn)場需要的控制功能，并且可以分散布置甚至能透過面板或操作器直接現(xiàn)場人工操作。
AIDCS系統(tǒng)由AI系列二次儀表、組態(tài)軟件、上位計算機及通信線路組成，系統(tǒng)中每項產品，客戶都可以自由選擇不同廠家的產品。AIDCS是一個完全開放的網絡系統(tǒng)，既實現(xiàn)了監(jiān)控與操作的集中，下位機又可自由分散布置，在脫離網絡和上位機環(huán)境條件下仍能保持正常工作。AIDCS在成本控制方面，AIDCS采用速度較低、但可靠性高且通信距離長的RS485通信接口，由于采用了AIBUS高效通信協(xié)議，并且下位機實時控制并不依賴于網絡，采用RS485數(shù)據(jù)刷新時間亦小于1s，保證了監(jiān)控及操作的實時性，并可組建大型系統(tǒng)。
AIDCS可提供與DCS及FCS一樣的集中監(jiān)控與操作的功能，基于AI系列二次儀表帶有的OPC驅動，有眾多進口及國產軟件可供選擇，如組態(tài)王、WinCC、Ifix、華富、MCGS、宇電AIDCS、三維等各種國產及進口軟件，功能方面比如流程圖、實時曲線、歷史記錄、報表、配方管理等等，可以做到應有盡有，比系統(tǒng)封閉的DCS具有更高的性價比及更豐富的功能。
AIDCS智能分布式控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)FCS或DCS結構更簡單、更安全、成本更低，是工業(yè)過程控制發(fā)展的方向之一。
圖2 AIDCS系統(tǒng)結構示意圖
圖2中，來自工業(yè)現(xiàn)場的各類檢測信號和執(zhí)行器信號通過作為下位機的盤裝型儀表、導軌安裝型儀表、導軌安裝型工控模塊，采用RS485通訊接口的AIBUS協(xié)議后，再通過RS232/RS485轉換器傳送到上位機，上位機通常采用安裝組態(tài)軟件的工控機或普通計算機。用戶還可選擇通過局域網或互聯(lián)網，連接管理層計算機，以便為管理人員提供工業(yè)現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)及報表。
值得注意的是，在我們的印象中，數(shù)字顯示控制器是用于模擬量測量參數(shù)的，那么AIDCS系統(tǒng)是否只能接入模擬量輸入?yún)?shù)呢？從圖2的中下部我們可以看到輸入?yún)?shù)既包括模擬量輸入，也包括去執(zhí)行器的模擬量輸出，還包括開關量輸入和開關量輸出/報警輸出。模擬量輸入?yún)?shù)可通過常見的數(shù)字顯示控制器或工控模塊接入；去執(zhí)行器的模擬量輸出可通過AI-708J手操器、伺服放大器接入；開關量輸入和開關量輸出/報警輸出可通過工控模塊或PLC可編程控制器接入。所以在接入?yún)?shù)上，它是與DCS、PLC一致的。
通?？刹捎霉I(yè)專用帶屏蔽的雙絞線連接50~60臺儀表，通訊距離1.2km。AIBUS通訊協(xié)議簡單高效又功能齊全。高精度型儀表在19.2k波特率下讀取3個常用變量及1個參數(shù)的速度僅為20ms，經濟型儀表亦只需要50ms，比常用如MODBUS協(xié)議快2～10倍，采用AIBUS協(xié)議的系統(tǒng)，無論組建小系統(tǒng)還是大、中型系統(tǒng)均可達到與DCS幾乎同等的使用效果，而一般儀表通訊效率低，超過一定數(shù)量則數(shù)據(jù)更新慢、顯示效果差，只能應用于小型的系統(tǒng)。
當設計一個溫度參數(shù)程序控制應用時，可能有圖3中的兩個實施方案：方案A是利用上位機組態(tài)軟件實現(xiàn)改寫下位機AI-719型儀表（不帶程序控制功能）的給定值SV，方案B則選取自身帶程序控制功能的AI-719P型儀表，程序是在儀表自身內設置的，即使脫離了網絡和上位機，系統(tǒng)依舊可以正常工作。雖然二者使用的硬件和通訊協(xié)議基本一致，但按照宇電公司關于AIDCS系統(tǒng)定義，一旦脫離了網絡和上位機，方案A中下位機AI-719即無法自我進行程序控制，而方案B在脫離了網絡和上位機后，下位機AI-719P仍然可以自我進行程序控制，因此只有方案B才符合宇電公司關于AIDCS系統(tǒng)功能的定義。
圖3 溫度參數(shù)程序控制的應用方案
據(jù)介紹，自1997年推出基于WINDOWS與AI儀表的聯(lián)網系統(tǒng)以來，在各行業(yè)中累計成功運用的項目已超過1萬個，早期系統(tǒng)一直正常運行至今，證明智能分布式控制系統(tǒng)的可靠性是經受檢驗的。
在一家聚氨酯生產工藝的反應釜批料定量控制過程中，雖然只有3臺反應釜定量加料流量積算儀設備及其控制電磁閥、2點反應釜溫度顯示控制儀及2臺10路開關量輸入、1臺8路開關量輸出的導軌安裝型工控模塊，再加上宇電公司的工控組態(tài)軟件及計算機，就可以實現(xiàn)3套反應釜定量加料設備控制、反應釜溫度顯示記錄及聚氨酯的反應情況顯示，可提供實時曲線、實時報警、記錄并保存所有數(shù)據(jù)。對于這樣一個只有5個模擬量、二十多個開關量的單一設備的監(jiān)測控制來說，采用DCS、PLC之類控制系統(tǒng)實現(xiàn)上述功能肯定沒問題，但是投資可能太大了，而采用AIDCS計算機監(jiān)控系統(tǒng)可能是性能價格比高、應用靈活的系統(tǒng)。
4 結束語
對于用戶來說，只要性能和價格適合生產現(xiàn)場的儀表和系統(tǒng)，那就是好的儀表和系統(tǒng)。特別是針對單臺設備、簡單的工藝和需要實現(xiàn)溫度控制的場合，或許AIDCS計算機監(jiān)控系統(tǒng)就是好的選擇。
參考資料：
[1] 宇電公司.產品選型手冊.2017.
[2] 宇電公司.宇電應用案例專集.2012.
作者簡介：
方原柏，1942年生，男，湖北黃岡人，昆明有色冶金設計研究院電氣自動化分院教授級工程師，昆明儀器儀表學會理事長，中國衡器協(xié)會技術專家委員會顧問，衡器、冶金自動化、儀表世界、儀器儀表與自動化等雜志編委，主要從事儀器儀表、控制系統(tǒng)的應用研究，曾出版“電子皮帶秤的原理及應用”（1994年，冶金工業(yè)出版社）、“電子皮帶秤”（2007年，冶金工業(yè)出版社）“工業(yè)無線通信技術及應用”（2015年化學工業(yè)出版社）、“有色金屬生產過程自動化”（2015年，人民郵電出版社）四本專著，發(fā)表論文310篇。