模拟数字化工厂的实训中心建设方案研究

2011-12-08武平丽翟志华

黄河水利职业技术学院学报 2011年3期

武平丽，翟志华

（黄河水利职业技术学院，河南开封 475004）

0 引言

当今社会，技术的发展和设备的更新换代日新月异、突飞猛进。基于智能化、网络化、集成化、可视化思想，通过吸收当今先进技术，将使企业实现设计数字化、制造装备数字化、生产过程数字化、管理数字化和办公数字化[1]。基于数字化工厂的过程控制实训中心是集自动化技术、计算机技术、网络通信技术、先进制造技术于一体的多专业知识和技术的集成。该方案利用相对少量的硬件设备和强大的工业控制软件，模拟数字化工厂控制工程的设计、安装、仿真调试和投运，以最大限度地发挥实训中心的效率，提高学生的工程控制能力。本文主要研究基于生产过程数字化的过程控制技术综合应用实训中心的建设方案。

1 数字化工厂概述

一个现代化的数字化工厂网络，必定是兼顾高可靠性、高速度的网络，其网络架构的设计和网络设备的选择都是非常重要的。

1.1 数字化工厂网络架构

数字化工厂网络包括企业资源计划系统（ERP）、制造执行系统（MES）、过程控制系统（PCS）和现场设备四层[2]。 ERP 系统可以对公司内部业务流程和管理过程进行优化，使主要的业务流程实现自动化。 MES 能通过信息传递对从订单下达到产品完成的整个生产过程进行优化管理。 PCS（Process Cortrol System）主要指数字化工厂的现代分布式控制系统（Distributed Control System，DCS），包含PLC及FCS，是数字化工厂的工程控制核心所在。现场设备主要是变送器（包括传感器等）和识读器。数字化工厂网络构架如图1 所示[3]。

图1 数字化工厂网络构架Fig.1 Digital factory network construction

1.2 数字化工厂的分布式控制系统DCS

数字化工厂的核心DCS（国内习惯称之为集散控制系统）是以微处理器为基础，对生产进行集中监视、操作、管理和分散控制的综合性控制系统。它的主要基础是4C 技术，即计算机（Computer）、控制（Control）、通信（Communication）和CRT 显示技术[4]。

DCS 系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制。该系统继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一、人机联系差，以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，实现了在线管理、操作、显示3 方面的集中和功能、负荷、危险性3 方面的分散，也为正在发展的、先进的新型控制系统提供了必要的工具和手段[5]。 DCS 网络结构如图2 所示。

图2 数字化工厂DCS 系统网络结构Fig.2 Digital factory DCS system network

从图2 中可以看出，网络和总线通信在工厂中非常重要。在控制单元和现场仪表之间加入现场总线，可大大提高系统的可靠性和可维护性。在控制单元和监控管理计算机（操作员站、工程师站）之间，具有工业冗余环网，从而具有极高的可靠性和实时性。

2 模拟生产过程数字化实训中心的建设

过程控制实训中心主要是针对数字化工厂的过程控制系统（PCS）与现场设备这两个层次的自动化技能训练目标来建设的。其布置既要仿照数字化工厂结构，建成一个工业控制局域网，又要满足“教、学、做”一体化的要求。生产过程数字化实训中心包括控制对象系统（控制对象装置、工业现场仪表）、实训控制系统（上位控制系统）、多媒体现场教学设备3 大部分。

2.1 模拟控制对象系统

要想模拟工厂的数字化控制，首先要有仿工业设备的实训控制对象装置。要实现工业对象的自动化控制，就要有能够检测、传送工业生产过程参数的检测变送仪表和对物料流、能量流直接进行调节的识读器。实训控制对象系统包括控制对象装置和工业现场仪表，能够完成过程控制工程设计、安装、调试、投运、运行与维护等综合技能训练。实训控制对象系统应该满足以下条件：（1）实训控制对象应该仿照工业设备结构而制造，要具有较强现场设备感、较丰富的设备种类。（2）包括工业生产中常见的某些设备（如加热炉、液位容器、换热器等）、阀门与管道等，并能利用现场阀门与管路实现对象间的组合与分隔。（3）单套实训对象装置至少能形成两个可同时运行的独立控制系统。（4）具有多种流量检测仪表，能够通过调节阀、变频调速等典型方式实现控制任务。（5）现场设备及管路上用于组建联合保护系统的检测与控制点最好不少于5 点。突出现场检测变送器和识读器，能体现工业现场仪表、信号管线的工业安装。

选购控制对象装置时，可以选购成套产品，如北京华晟高科教学仪器有限公司、浙江中控科教仪器设备有限公司、浙江天煌科技实业有限公司等单位的产品，都能满足要求，也可以自己选购不锈钢管道、阀门、有机玻璃、不锈钢板等材料和各种仪表，来制作实训控制对象系统。表1 为过程控制对象系统的参考设备及材料表，可根据所需对象系统的台套数自行进行配置。

2.2 模拟工厂实训系统

近年来，占我国市场份额10%以上的DCS 系统有ABB 公司的IndustrialIT 系统、Emerson 公司的Plantweb 系统、和利时公司的HOLLiAS MACS 系统和Honeywell 公司的Experion PKS 系统[6]。其中，HOLLiAS MACS 系统是具有自主知识产权的国产控制系统，也是我国应用最广的DCS 控制系统之一，而且与国外自动化产品相比，具有绝对的价格优势。应该说明的是，不管采用哪一家的产品都要求系统本身为开放式设计，可以接受多种上位控制系统，也可以与其他控制系统进行良好的衔接。

表1 模拟生产过程控制系统的设备及材料Table 1 Equipments and materials of simulation production process control system

在本实训中心建设方案中，实训控制系统选用和利时公司的MACS_V 系统。MACS_V 系统的控制器CPU 采用工业级RISC 芯片，基于实时操作系统，能够保证控制精确和系统的实时、高效性。该系统采用网络冗余、控制器冗余、电源模件冗余、I/O 模件冗余等多种冗余结构形式，安全、稳定、可靠。其开放的网络系统支持Profibus-DP 现场总线，支持FF、CAN、HART等，还提供ODBC和OPC接口，支持Internet接入，提供标准的RS-485、RS-232、ModBUS 通信协议接口。图3 为MACS_V 系统核心硬件体系结构。

图3 MACS_V 系统核心硬件体系结构Fig.3 Core hardware system structure of MACS_V system

实训中心的教师机就是控制系统的工程师站兼服务器，学生机就是操作员站。控制对象系统模拟工业现场装置，整个实训中心模拟数字化工厂，构成一个工业控制局域网，每台计算机都可以对控制对象系统实现监测与控制。

2.3 多媒体现场教学设备

实训中心的多媒体现场教学设备包含投影仪、计算机、中央控制台、无线领夹麦克、台式麦克、扩音设备、实物视频展台和电动屏幕、学生桌椅等。

3 工业控制软件在实训中心使用

3.1 工业控制软件的安装

实训控制系统采用了和利时的MACS_V 系统，需要安装MACSV_v1.1.0+SP2 工业控制软件。在安装时，应按照默认路径，依次安装光盘上前5 项，即依次进行CodeSys2.3 安装、SQL 数据库安装、工程师组态程序安装、操作员站安装和服务器安装，最后再进行系统补丁的安装。在安装过程中，计算机要求重新启动的一定要重新启动，装完SQL 数据库后一定要重新启动。

3.2 工业控制软件的使用

MACS 系统软件给用户提供了一个通用的系统组态和运行控制平台，应用系统需要通过工程师站软件组态产生，即把通用系统提供的模块化的功能单元按一定的逻辑组合起来，形成一个能完成特定要求的应用系统。系统组态后，将产生应用系统的数据库、控制运算程序、历史数据库、监控流程图，以及各类生产管理报表[7]。特别是MACS_V 工业控制软件的离线实时调试和仿真功能，可以对控制方案进行离线实时调试，检查控制方案的执行顺序和执行结果，验证方案的正确性；能够模拟真实的生产装置，再现真实生产过程的实时动态特性；能够以具体工程项目的中央控制室为核心进行仿真，把一个连续的生产过程移入教学过程，使学生在逼真的操作环境中取得良好的操作技能训练效果。

4 实训中心可开展专业课程训练

4.1 可开展的专业课程

以该方案建成的实训中心，可服务于过程控制自动化技术专业、电气自动化技术专业、楼宇自动化技术专业、发电厂及电力系统专业。主要适用于化工工艺、传感器与自动检测技术、自动控制原理、检测仪表与变送器、过程控制系统、自控系统安装施工图识图与预算、工控网络组建与调试、自动化仪表的选择、DCS 系统配置、组态与调试、DCS 系统的安装与维护等课程。

4.2 可开展的训练项目

模拟实际工业控制网络建设的实训中心是自动化技术相关专业的综合技能实训场所，主要适用的教学训练项目有（1）分布式控制系统的硬件集成和软件集成；（2）现场级仪表与设备的选型、标定与安装；（3）过程控制自动化仪表管路的安装；（4）仪表辅助设备的制作、安装与工程验收；（5）传感器及取源部件的识读与安装；（6）常用控制系统的投运和参数整定；（7）控制方案的建立及控制系统组态与仿真；（8）系统的调试、投运与运行、维护等。除此之外，还可完成化工仪表维修中、高级职业资格鉴定和化工总控工职业资格鉴定。