MASTER工業(yè)控制計(jì)算機(jī)應(yīng)用及編程

1 引言

　　MASTER分布式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(DCS)是瑞士ASEA BROWN BOVERI公司(簡(jiǎn)稱ABB公司)設(shè)計(jì)開發(fā)的集散控制系統(tǒng),它適用范圍廣泛,既可應(yīng)用于離散制造業(yè),如:機(jī)床、汽車、飛機(jī)制造等工業(yè),更可應(yīng)用于大中小型連續(xù)性生產(chǎn)的流程工業(yè),如:石油、化工、火電機(jī)組、煉鋼、建材等工業(yè)。
　　MASTER DCS系統(tǒng)從硬件設(shè)計(jì)到軟件設(shè)計(jì),從設(shè)計(jì)思想到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都不同于老的產(chǎn)品。它的硬件、軟件和通信都采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。MASTER DCS的軟件編程語言AMPL(Asea Master Piece Language)是控制系統(tǒng)的一種編程模式,本文介紹MASTER DCS的體系結(jié)構(gòu)、應(yīng)用實(shí)例和AMPL語言編程環(huán)境與方法,希望對(duì)國(guó)內(nèi)同行了解國(guó)外新型DCS和推動(dòng)我國(guó)DCS產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有所幫助。

2 MASTER分布式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

　　ABB MASTER集散控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的微處理器(33MHz的Motorola 68020和33MHz的Intel80386、80486芯片)、CRT圖形顯示技術(shù)、高速安全通信技術(shù)和現(xiàn)代控制理論,形成了以現(xiàn)場(chǎng)控制站(Master Piece<縮寫為MP>系列和本地、遠(yuǎn)程I/O系列)、操作員站(Master View 系列)、工程師站(Master Aid 系列)、信息管理系統(tǒng)站(Advant Station 系列)、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)接口站(Master Gate 系列)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(Master Bus系列)和其它計(jì)算機(jī)通信設(shè)備為基礎(chǔ)的,物理位置分散、系統(tǒng)功能分散、控制功能分散以及操作顯示管理集中的過程控制、過程決策管理的大型智能網(wǎng)絡(luò)。

　　ABB的MASTER網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)由ABB MASTER DCS中各種結(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)在一起的局域網(wǎng),MV、MP和MG在ABB MASTER系統(tǒng)中都作為通訊結(jié)點(diǎn)。

　　ABB MASTER的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分三層:(網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示)。

圖1 ABB MASTER DCS工廠網(wǎng)絡(luò)圖

　　第一層是信息管理網(wǎng)絡(luò),可下聯(lián)9個(gè)控制網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)由類型為MB300的總線組成,總線傳輸速率達(dá)10Mbps。

　　第二層是控制網(wǎng)絡(luò),可由9個(gè)類型為MB200或300的總線組成。一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)可包括99個(gè)站(包括在局部控制網(wǎng)絡(luò)中的站)。在控制網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)MP200/1站都可下聯(lián)一個(gè)局部控制網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)局部控制網(wǎng)絡(luò)可包括9個(gè)類型為MB200或300的總線。

　　MB300是一個(gè)高性能、串行、同步、半雙工的大數(shù)據(jù)量高速總線。它采用IEEE 802.2邏輯鏈路控制(LLC)協(xié)議和IEEE 802.3帶沖突檢測(cè)的載波幀聽多路存取(CSMA/CD)的介質(zhì)存取控制(MAC)協(xié)議,屬于Ethernet型局域網(wǎng),總線可帶載45個(gè)節(jié)點(diǎn)。在不使用中繼器時(shí),最大通訊節(jié)點(diǎn)距離為500m;使用3個(gè)同軸段、4個(gè)中繼器和2個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路時(shí)最大通訊節(jié)點(diǎn)距離為2500m,總線傳輸速率為10Mbps。

　　MB200是一個(gè)中性能、串行、異步、半雙工的標(biāo)準(zhǔn)RS422快速總線,總線可帶載10個(gè)節(jié)點(diǎn)?？偩€用于多點(diǎn)通訊時(shí)的節(jié)點(diǎn)距離為1000m,用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊時(shí),若用電纜傳輸最大節(jié)點(diǎn)距離為2000m,若用光纖傳輸則最大節(jié)點(diǎn)距離為7000m?？偩€傳輸速率為153.6kbps。

　　第三層為現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò),它是MP200/1站和現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程I/O裝置之間的通訊總線。每臺(tái)MP200/1站可插四塊現(xiàn)場(chǎng)總線控制器,一個(gè)控制器最多可下聯(lián)16臺(tái)遠(yuǎn)程I/O裝置(不包括遠(yuǎn)程I/O擴(kuò)展單元,每臺(tái)遠(yuǎn)程I/O基本單元可帶一臺(tái)擴(kuò)展單元)。MP200/1站和遠(yuǎn)程I/O裝置之間通過長(zhǎng)總線通訊(一條長(zhǎng)總線最多掛10臺(tái)Modem),使用同軸電纜時(shí)最大通訊距離為750m,使用光纜時(shí)最大通訊距離為3000m,若用短總線通訊,則最大通訊距離為25m。總線傳輸速率為2Mbps或375kbps。

3 ABB MASTER工控機(jī)在水泥行業(yè)的應(yīng)用

　　目前,國(guó)內(nèi)新建、擴(kuò)建的新型干法水泥生產(chǎn)線中有很多選用MASTER集散控制系統(tǒng)。下面以本廠擴(kuò)建的水泥干法生產(chǎn)線中MASTER DCS的使用為例,介紹MASTER DCS在水泥企業(yè)的應(yīng)用。華新干法生產(chǎn)線的MASTER DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,其功能如下:

圖2 華新MASTER DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.1 現(xiàn)場(chǎng)控制站完成功能

　　(1)MP280/1站監(jiān)控生料制備部分完成:石灰石、江沙和混合材三種原料的給料配比控制,Atox立磨出口溫度控制,Atox立磨質(zhì)量流量控制,生料磨部分電機(jī)成組聯(lián)鎖啟停和閥門開關(guān)控制。

　　(2)MP280/1站監(jiān)控窯和預(yù)熱器系列設(shè)備完成:窯尾高溫風(fēng)機(jī)出口壓力控制、入窯喂料量控制、窯尾增濕塔冷卻水流量控制、窯頭及分解爐喂煤量控制、窯和預(yù)熱器系列部分電機(jī)成組聯(lián)鎖啟停和閥門開關(guān)控制。

　　(3)MP280/1站監(jiān)控煤粉制備部分和窯頭設(shè)備完成:煤磨磨機(jī)負(fù)荷控制、磨機(jī)出口溫度控制、煤粉制備系統(tǒng)通風(fēng)量控制、窯頭罩負(fù)壓控制、冷卻機(jī)篦下壓力控制、冷卻機(jī)噴水量控制、煤粉制備部分和窯頭電機(jī)成組聯(lián)鎖啟停和閥門開關(guān)控制。

　　MP280/1站的I/O容量為4096點(diǎn),本地、遠(yuǎn)程I/O裝置完成全廠數(shù)據(jù)采集與控制輸出功能。在水泥生產(chǎn)工藝中有許多信號(hào)需要檢測(cè),如溫度、壓力、流量等模擬信號(hào),電機(jī)啟停狀態(tài)和各種開關(guān)的狀態(tài)等數(shù)字信號(hào),對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制的輸出信號(hào)以及各種設(shè)備的起停信號(hào)等。MASTER系統(tǒng)配置了各種本地、遠(yuǎn)程I/O裝置,來滿足生產(chǎn)實(shí)際的需要。遠(yuǎn)程I/O裝置用于離現(xiàn)場(chǎng)控制站較遠(yuǎn)設(shè)備的監(jiān)控,遠(yuǎn)程I/O裝置對(duì)現(xiàn)場(chǎng)TC、RTD、脈沖、電流和電壓信號(hào)進(jìn)行采集、數(shù)字濾波、線性補(bǔ)償、標(biāo)度變換等處理后,通過現(xiàn)場(chǎng)總線送到MP280/1站進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,完成預(yù)定的聯(lián)鎖啟停和控制功能,又經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)總線送回遠(yuǎn)程I/O裝置然后輸出到現(xiàn)場(chǎng)。如:DSAX 452基本單元完成14AI/6AO、DSDX 454L基本單元完成20DI/12DO、DSDI 453擴(kuò)展單元完成32DI、DSDX 453L擴(kuò)展單元完成20DI/12DO。而本地I/O板則直接插入MP280/1站中,對(duì)離MP280/1站較近的各種現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行采集、變換和輸出。

　　本地、遠(yuǎn)程I/O系列與MP系列構(gòu)成了完整的現(xiàn)場(chǎng)控制站。

3.2 操作員站完成功能

　　ABB MASTER DCS的操作員站由2臺(tái)MV830/1組成,每臺(tái)MV830/1可接兩臺(tái)Tesselator(彩色圖形終端)。在Tesselator上,操作員可使用操作員鍵盤來得到100幅各種過程顯示(包括概貌顯示、組顯示、工藝流程圖顯示和報(bào)表)、20幅遠(yuǎn)程顯示(即其它操作員站上存儲(chǔ)定義的過程顯示)、目標(biāo)顯示、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)顯示、過程信號(hào)和過程目標(biāo)的狀態(tài)列表、600項(xiàng)事件列表、500項(xiàng)報(bào)警列表、100幅歷史趨勢(shì)數(shù)據(jù)顯示、系統(tǒng)報(bào)警和各種報(bào)表顯示的打印等等,以對(duì)整個(gè)DCS系統(tǒng)狀況和生產(chǎn)工藝流程狀況了如指掌,進(jìn)而通過操作員對(duì)話來處理各種顯示、修改各種工藝參數(shù)、控制過程目標(biāo)和控制整個(gè)生產(chǎn)過程。而軟件編程人員使用顯示設(shè)計(jì)鍵盤和操作員鍵盤進(jìn)行各種顯示的設(shè)計(jì)。

3.3 與其它類型計(jì)算機(jī)的通訊

　　MASTER DCS實(shí)施開放式的系統(tǒng)通訊。MP280/1站可通過DSCS150板(GCOM)與包括SUPERVIEW和MP280/1在內(nèi)的外部計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊,通過DSCA180A板(RCOM)在MASTER站之間進(jìn)行長(zhǎng)距離異步通訊,通過DSCA180B板聯(lián)結(jié)到MODBUS和MODICON進(jìn)行通訊,通過DSCA180F板和Siemens 3964?進(jìn)行通訊,通過異步通訊板DSCA114上的異步串口與打印機(jī)、外部計(jì)算機(jī)、操作員站MV320進(jìn)行通訊。

　　在1號(hào)MP280/1站上插有一塊DSCA114異步通訊板,接收FLS—QCX質(zhì)量控制系統(tǒng)的HP1000計(jì)算機(jī)給出的生料喂料配比值,進(jìn)行三種原材料喂料配比的在線控制。FLS—QCX質(zhì)量控制系統(tǒng)對(duì)原材料、生料和熟料進(jìn)行九種元素(Si、Fe、Al、Ca、Mg、K、Cl、Na、S)的成分分析,根據(jù)生產(chǎn)需要計(jì)算出三種原材料(石灰石、江沙和混合材)的配比,然后把配比數(shù)據(jù)通過HP1000計(jì)算機(jī)的RS232口輸出經(jīng)DSCA 114異步通訊板送入1號(hào)MP280/1站中,由1號(hào)現(xiàn)場(chǎng)控制站完成Atox生料磨的喂料配比控制,從而使率值達(dá)到規(guī)定的工藝要求。

4 ABB MASTER工業(yè)控制機(jī)的編程

　　目前,國(guó)內(nèi)采用ABB MASTER集散控制系統(tǒng)的企業(yè),都是隨成套設(shè)備從國(guó)外引進(jìn)計(jì)算機(jī)控制硬件和軟件,需要不少外匯。我公司在引進(jìn)MASTER DCS的同時(shí),消化吸收國(guó)外計(jì)算機(jī)軟硬件資料,自行完成了全部DCS的應(yīng)用軟件編程,以下介紹MASTER DCS應(yīng)用軟件的編程環(huán)境、方法和一些體會(huì)。整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)編程大體分為兩部分。

4.1 MP280/1現(xiàn)場(chǎng)控制站的控制軟件編程

　　控制軟件的編程可在一臺(tái)帶Intel 80386或80486微處理器的IBM PC/AT兼容機(jī)(要求4MB內(nèi)存、40MB硬盤、MSDOS5.0版本)上離線完成,但必須使用工程師站MA的系列軟件。MA軟件分四部分:(1)MA基礎(chǔ)軟件,它是后三者的基礎(chǔ),簡(jiǎn)稱QMA220;(2)面向功能的命令,它可用來編程,但通常在調(diào)試時(shí)使用,簡(jiǎn)稱QMA221;(3)MP200系列功能圖編輯,它是MP200的編程環(huán)境,簡(jiǎn)稱QMA222;(4)MP90系列功能圖編輯,它是MP90的編程環(huán)境,簡(jiǎn)稱QMA223。而現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試則必須在工程師站MA上或帶MA工程板的IBM PC/AT兼容機(jī)上進(jìn)行。

　　編程首先要進(jìn)行數(shù)據(jù)庫元素的定義,連接到系統(tǒng)的所有過程信號(hào)必須被預(yù)先定義,因此當(dāng)我們開發(fā)應(yīng)用程序時(shí),可使用信號(hào)名對(duì)信號(hào)進(jìn)行連接。

　　每臺(tái)MP280/1中應(yīng)用程序的個(gè)數(shù)(即PCPGM的個(gè)數(shù))最多為99個(gè),按照功能分為兩大類:一類是電機(jī)、閥門的成組啟停聯(lián)鎖程序(由GENUSD元素控制本程序組的電機(jī)、閥門成組啟停和現(xiàn)場(chǎng)起動(dòng)的允許),另一類是PID調(diào)節(jié)、比例調(diào)節(jié)、手動(dòng)調(diào)節(jié)控制程序。

　　通常按照控制任務(wù)的結(jié)構(gòu)來劃分控制程序,將控制任務(wù)劃分成單獨(dú)啟停和修改相互無關(guān)的程序段,以使系統(tǒng)的調(diào)試、開發(fā)和維護(hù)都極其方便。

　　用AMPL語言所寫的程序結(jié)構(gòu)可用結(jié)構(gòu)樹表示,通過編程輔助的直接對(duì)話進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)單元(PCPGM、CONTRM、MASTER、SLAVEM、BLOCK、FUNCM、STEP、SEQ)可象控制模塊那樣被插入程序中,以概括或控制一個(gè)或多個(gè)控制功能。PCPGM用于鑒定和啟動(dòng)整個(gè)程序,CONTRM則限制和運(yùn)行程序,在繼續(xù)向下分層的結(jié)構(gòu)中,順序/步位、主/從功能模塊也可實(shí)現(xiàn)。

　　經(jīng)過多次調(diào)試比較及對(duì)MASTER系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫元素、PC元素和功能單元的實(shí)際運(yùn)用,我們根據(jù)建材工業(yè)自動(dòng)控制的特點(diǎn),制定出使用AMPL語言編制MASTER控制程序的標(biāo)準(zhǔn)模式,也為今后的進(jìn)一步開發(fā)打下基礎(chǔ)。

　　在控制程序的調(diào)試過程中,我們用MA220決定啟動(dòng)哪一部分,按照在一定控制規(guī)則下一步一步啟停的方法來對(duì)全廠進(jìn)行調(diào)試,如果全廠的運(yùn)行不符合預(yù)想的情況,通常從MV操作員站上可查出毛病所在;若不能,則必須使用MA220面向功能的命令來跟蹤。如:實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示所有功能元素的端子值和符號(hào)變量值等。并且逐步翻閱程序,以跟隨信號(hào)和跟蹤不滿意的邏輯條件直至找到錯(cuò)誤。

4.2 MV830/1操作員站的過程顯示設(shè)計(jì)與應(yīng)用組態(tài)

　　整個(gè)MV830/1操作員站的工作根據(jù)性質(zhì)分為兩類:

　　第一類是工藝流程圖顯示設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)步驟依次為靜態(tài)顯示設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)顯示設(shè)計(jì)和顯示集成(編譯)。

　　靜態(tài)顯示設(shè)計(jì)是從一個(gè)符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的符號(hào)庫或由我們自己建立的符號(hào)中選擇工藝設(shè)備符號(hào)和劃線來設(shè)計(jì)工藝流程畫面。我們可以隨意選擇顏色和大小。

　　動(dòng)態(tài)顯示設(shè)計(jì)是在靜態(tài)畫面基礎(chǔ)上,在屏幕任意光標(biāo)處定義可以動(dòng)態(tài)顯示相應(yīng)信號(hào)或目標(biāo)類型(AI、AO、PIDCON等)的動(dòng)態(tài)點(diǎn)。

　　動(dòng)態(tài)點(diǎn)定義的顯示元素的名字共由七個(gè)字符組成:前兩個(gè)字符由功能單元派生出來,也包括幾個(gè)特殊的應(yīng)用(DR、DB=DAT通訊元素,RE=REPORTS報(bào)告,GA=GROUP ALARMS組報(bào)警,ST=STATUS LIST狀態(tài)列表,TD=TEXT HANDLING文本處理);接下來的兩個(gè)指明使用的過程目標(biāo)的類型(如泵、閥門);隨后給出顯示元素的顏色;最后兩個(gè)指明顯示元素的大小。

　　完成的顯示以PROC.01～PROC.100的名字存在系統(tǒng)顯示文件中。

　　在顯示設(shè)計(jì)中,避免使用紅、黃、綠和白色,這些顏色已被報(bào)警等功能占用。經(jīng)常使用的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的圖形應(yīng)當(dāng)被設(shè)計(jì)作為符號(hào)(使用符號(hào)編輯功能)。設(shè)計(jì)不要占用系統(tǒng)報(bào)警行、對(duì)話行和系統(tǒng)信息行。
第二類是各種應(yīng)用組態(tài),包括趨勢(shì)記錄組態(tài)、趨勢(shì)顯示組態(tài)、多趨勢(shì)組態(tài)、狀態(tài)列表組態(tài)、過程段的分配和顯示選擇鍵的定義。

　　趨勢(shì)記錄組態(tài)的步驟依次為:(1)定義占用內(nèi)存空間的大小;(2)記錄的建立、參數(shù)設(shè)置和填充;(3)系統(tǒng)日期和時(shí)間的設(shè)置;(4)趨勢(shì)記錄的組態(tài);(5)趨勢(shì)顯示的組態(tài)。

　　通常趨勢(shì)記錄的裝載不影響系統(tǒng)的控制功能,然而一個(gè)過高的裝載將導(dǎo)致未完成的記錄,這時(shí)必須重新修改數(shù)據(jù)庫元素TTDLOG的參數(shù)值:(1)盡可能選較大采樣延時(shí);(2)盡可能選較長(zhǎng)采樣間隔(特殊的記錄要求短的采樣間隔);(3)用置TOT_VAR為構(gòu)造變量的數(shù)值來刪除一些空余變量。如果裝載要求進(jìn)一步減少,那么:(1)選較長(zhǎng)的記錄間隔;(2)分布全體變量到幾個(gè)記錄中;(3)減少變量數(shù)。

　　狀態(tài)列表是對(duì)不同過程信號(hào)、目標(biāo)和中間變量狀態(tài)的摘錄。

　　過程段的分配是把過程信號(hào)和目標(biāo)分或不分到幾類中,以使它們的報(bào)警和列表分配到不同的Tesselator和打印機(jī)中,并且在不同的Tesselator上定義不同的操作員權(quán)限,確切的說,這也就是顯示功能和操作功能在Tesselator上的分配。

　　顯示選擇鍵的定義意味著每個(gè)過程顯示在操作員鍵盤上有10個(gè)動(dòng)態(tài)鍵可直接進(jìn)入10個(gè)其他任選的顯示,這10個(gè)顯示可以是100個(gè)過程顯示和100個(gè)趨勢(shì)顯示中任一個(gè)。

　　最后三種組態(tài)只要在系統(tǒng)提示下正確會(huì)話即可完成。

5 結(jié)語

　　我們?cè)诜植际焦I(yè)控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件編程中做了一些探索,并在現(xiàn)有的生產(chǎn)線上應(yīng)用,取得了一定的成績(jī),愿這將對(duì)我國(guó)較大型工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件逐步走向國(guó)產(chǎn)化起到積極的作用。