计算机分布式控制系统（DCS）在工业控制中的应用

【摘 要】在Windows环境下运行Woderware组态软件，实现生产过程的监控和动态图形显示及数据管理，并通过控制网络和遥控I/O及数字驱动器组成DCS分布式控制系统，完成生产过程的动态数据采集和控制。

【关键词】分布式控制；DCS；Automax；PLC；触摸屛控制技术

一、系统概述

该控制系统主要用于通信电缆绝缘单线的生产，直径2.6mm的圆铜线经过拉丝和连续退火装置变为直径0.4mm或0.5mm的软铜线，然后进入塑料挤出机进行绝缘，绝缘层经过水槽冷却后通过牵引进入收线装置，均匀地卷绕在线盘上。从拉丝到收线的整个过程实现全自动的连续生产，形成分布式控制。

系统以一台奔腾工业级PC机作为上位机，在Windows环境下运行Woderware组态软件，实现生产过程的监控和动态图形显示及数据管理，并通过触摸屏技术完成人机对话，使整条线的操作简单生动。下位机选用一台Automax DCS过程控制器，并通过网络和遥控I/O及数字驱动器组成DCS分布式控制系统，完成生产过程的数据采集和控制。

二、硬件系统的组成

（1）上位机采用美国Eaton IDT公司的Factory Mate工业级PC，配以19寸触摸屏作为人机界面，触摸屏由COM2驱动。COM1和直径控制器相联，用于绝缘外径控制和电容监测。选用Reliance公司的PC Link卡，通过同轴电缆和RENET网络通信，实现Wonderware和 Automax的数据交换。

（2）下位机选用美国Reliance公司的Automax DCS控制系统，主处理器模块以Motorola 68020为CPU。主频133MH，配以128K X 16的RAM模块作为公共寄存器，用于存放系统的配置数据。网络通信模块57C404完成和PC上位机的通信。另一块ModBus模块57C414用于和直流驱动器的通信，控制牵引和挤出机的直流电机驱动器。

（3）两个遥控I/O单元选用Reliance公司的SHARK XL PLC分别完成生产过程的数据采集和控制。共包括48路开关量输入，64路开关量输出，8路热电偶输入，16路模拟量输入，8路模拟量输出。热电偶输入模块可直接通过补偿导线和热电偶相联，并具有自动补偿和开路保护功能，不需要进行任何外部的信号处理和转换。并且模块本身具有数字滤波功能，每次在将A/D转换后的数值读入PLC寄存器前均进行平均值滤波处理，以消除干扰的影响。

模拟量输入、输出模块选用12bit A/D或D/A转换器。模拟量输入模块具有和热电偶输入模块相同的自动数字滤波功能。

（4）MAXPAKIII全数字式直流电机驱动装置，直接通过ModBus总线经RS232/RS485转换器同AutoMax的ModBus模块通信，实现直流电机的全数字控制。其中10HP可逆系统用于驱动牵引电机，40HP不可逆系统用于驱动挤出机电机。该驱动器采用速度、电流双闭环控制，采用旋转编码器作为转速反馈，控制精度高，反应快速，并且具有调节参数的自校正功能，使调节系统根据不同的控制对象进行自动校正，达到最优化。

（5）为了避免干扰，电源有用隔离变压器和电网隔离，并且数字部分和模拟部分使用独立的电源供電，并采取良好的屏蔽措施。和生产设备联接的模拟量信号都采用了光电隔离，以保证整个系统的抗干扰能力和运行的可靠性。

在系统硬件的设计上除了信号的隔离和转换外，不采用任何硬件信号处理单元，所有的运算、调节功能都由软件来完成，包括温度和速度的PID调节，信号电平的转换等均由软件实现，这样即降低了成本，又减小了故障率，使系统具有很高的性能价格比。

三、网络通信

1.RENET

上位机和下位机之间的通信通过RENET（Reliance Communication Network）网实现，网络由上位机的PCLink卡和Automax的Network Communication Module通讯模块通过GR-59同轴电缆连接。通过软件定义PCLink卡在网络上的节点号和初始地址，及内部寄存器的分配，使PC机映射成Automax的一组寄存器单元，也即是使PCLink卡和Automax通讯模块的寄存器相互对应，从而实现数据的传输。利用SDLC通信协议传输数据，采用Manchester双向编码，每一个节点的最大通信时间是2.99ms。

2.Modbus

AutoMax和 Maxpak DC驱动器之间的数据交换通过ModBus通讯模块连接，采用ModBus通信协议由RS232接口实现。ModBus接口模块包括一个4MHZ的Z80A处理器，Z80A连接到模块中双工寄存器的一端，另一端和AutoMax的底板相连。该接口模块使AutoMax映射成和Modicon 584相对应的寄存器。

3.RS323接口

直径和电容测量的实际值及经BB-1000转换后产生的偏差信号经RS232接口和PC机的COM1连接，和Wonderware进行数据交换。

四、软件设计

整个DCS系统应用软件安装在主计算机（上位机）和AutoMAX（下位机）内，通过触模屏显示的模拟生产线图形，对所控生产线实施多重监控，现场采集处理数据及时可靠，提高了系统资源利用率和系统的处理能力。本系统主要监控串列线中挤塑机各加热区的温度及挤塑机、牵引电机驱动的运行状况，拉丝和退火装置和故障，上、下位机间通过网络通讯模块来实现通讯连接。操作人员只需用手轻触显示屏上的设备模拟图形，便可随时监测到各设备的运行情况。并可将操作命令及各种参数设置传送给各控制单元，确保整个局域网络的平衡运行。本DCS系统程序可合并成二大部分，即上位机监视管理控制程序和下位机的采集处理控制程序。

1.上位机监视管理控制程序

上位机的主要应用软件为：

Windows NT for workgroup（工作平台）。

Wonderware INTouch软件包（MMI组态软件）。

Pclink（系统网络链接软件）。

DDE（动态数据交换）。

Touch Screen（触摸屏驱动软件）。

生产线应用控制软件

在Windwos环境下运行的INTouch软件包创建了良好的人机界面，包括Windows maker和Windows Viewer.Windows maker用作应用软件的开发，创建、激活模拟生产线设备图形，与工业I/O系统建立联系等。Windows Viewer提供在Windows maker下创建的图形的运行环境。

生产线应用控制软件在INTouch环境下主要开发了如下功能模块：

（1）人机对话模块。为实现操作人员与系统的联系，以便监控整个生产线的运行状况，制作了整条串列线设备的动态模拟图形，触模开关、按钮、数据框等操作、显示界面。通过触模屏操作，去掉了原始的按钮和仪表，具有良好的人机界面。

（2）生产线速度控制方面有如下功能模块：联动、手动操作模式选择；电机运行状态指示，自动、手动操作速度给定；螺杆电机速度微调，电机负荷、速度显示。.

（3）显示模块：本系统具有丰富的显示功能，可以任意显示各组成设备当前或以前任一时间的控制情况。通过DDE Server（动态数据交换服务器），定时采集存储现场数据，显示在曲线图或条形图上。以便工艺管理人员经常查阅，改进工艺，提高产品质量。

（4）安全功能模塊：为保证整个生产线的安全运行，在生产线中的关键部位均设置了报警，安全停车，同时在软件方面采用了较为严格的保密措施，为操作工和技术人员建立了不同优先级别的密码，合法操作工只有靠密码才能进入系统进行操作（而非法的操作工只有望屏兴叹），但工人无权修改系统数据。只有技术人员凭自己更高级别的密码，才可对系统进行维护、完善等，从而保证了整个系统软件的保密性和防止误操作。

（5）打印模块：用于打印当日不同时间或前些时间各设备各模块的运行情况等。

2.AutoMAX采集处理控制程序

（1）主要编程语言：Enhanced Basic-用于数值操作，变量比较，控制算法，ASCII字符的输出，通信系统的控制和系统配置。Control Block-控制功能块，直接用于控制系统的调节和运算。Ladder-梯形图，用于开关量控制。

（2）数据和变量类型。基本的单整型变量，双整型变量，实型变量，开关量，字符串；Common Variable-公共变量，通用于多个任务中。Local Variable-局部变量，只用于单一任务中。Network Variable-网络变量，用于通信网络之中。RIO Variable-只用于遥控I/O单元中。

（3）主要程序块：AutoMax采用多任务多语言操作，每一个任务使用相应的语言编写为一个程序模块，并且可以单独进行编译、调试，这样给编程带来了很大的方便。

主要程序如下：

SICOMPB.PC控制按钮的通讯管理程序。

SICOMPEG.BAS寄存器的通讯管理程序。

SIDEGC.BAS温度数据转换程序。

SILDR.PC温度控制与调节的梯形图。

SIMODB6.BASAutoMax与MAXPAK III驱动器的通讯管理。

S2MSPD.BLK生产线速度调节模块。

SITREG.BLK温度控制的PID调节模块。

S2MAIN.PC主控制系统梯形图。

五、结束语

DCS计算机分布式控制系统用于绝缘单线生产线的控制和数据处在国内线缆行业尚属首例。该生产线经过调试运行以来，各项性能指标达到原设计要求，最高生产速度2200mpm，线速度的稳定性在千分之一，温度控制系统误差正负摄氏1度。在车间内高温度湿度的环境下仍能长期连续稳定运行，具有良好的适应性和抗干扰能力。生产线的综合性能指标达到当今国际先进水平，处于国内领先地位。

作者简介：

辛学峰，男，商丘工学院教师。