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控制系統(tǒng)

集成架構應用于過程控制系統(tǒng)

ainet.cn   2011年05月31日

【概要】本文介紹了在連續(xù)的過程應用中,如何使用集成架構搭建滿足用戶需求的過程控制系統(tǒng),這種工作以前是由設備供應商或者系統(tǒng)集成商來完成的,現(xiàn)在用戶可以按照本文給出的原則,可以自己設計系統(tǒng),使得系統(tǒng)的規(guī)劃更自主、更靈活、造價更低。
Abstract: This article introduces how to use integrated architecture for process control system and meet end-user needs in continue process applications. Beforetime, architecture design is made by system providers or system integrators. Now, end-user can implement this work by himself according to the principle of this article. It makes system more self-determination, more flexible and less expansive.

關鍵詞】集成架構 分布式系統(tǒng) 集中式系統(tǒng) 獨立式系統(tǒng)
Key words: Integrated Architecture Distributed System Centralized System Independent System


       自動化系統(tǒng)的擴展需要從一個封閉的、本地的、以控制為中心的方式轉(zhuǎn)換成一種開放的、廠級的、以業(yè)務為中心的方式。這需要自動化的解決方案,在管理生產(chǎn)和保持績效同時,不僅要提供全廠的控制功能,還要扮演一個積極、協(xié)同的角色。商業(yè)能力,諸如:供應鏈管理、庫存控制、質(zhì)量管理、和其他關鍵性能指標(KPI)需要緊密聯(lián)系正確的信息,使企業(yè)的整體性能最大化。

       用于過程控制的集成架構支持各種過程應用,從有操作員界面的簡單、本地應用,到包括所有過程設備、材料存儲、人力資源控制與優(yōu)化的復雜應用,還支持操作員在廠級范圍訪問制造運行和工廠管理。

圖1 不同的系統(tǒng)架構滿足不同的需求

集成架構過程系統(tǒng)的優(yōu)勢
        ?開放的過程應用平臺,包括流程和批處理控制,集成了全廠范圍的離散量、驅(qū)動器、運動控制和安全控制。
        ? 用于過程應用的全集成系統(tǒng),使用商用、市售(COTS)、經(jīng)過證明的自動化組件。
        ? 業(yè)界領先的合作伙伴,諸如:E+H、OSIsoft,使用開放標準,確保集成能夠容易地實現(xiàn)。
        ? 單一開發(fā)環(huán)境支持多種編程語言,包括功能塊圖、結構化文本、順序流程圖和梯形邏輯。
        ? 靈活、可伸縮的架構易于進行系統(tǒng)擴展。
        ? 與外部的商業(yè)系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)和維護系統(tǒng)采用標準格式的信息交換。
        ? 面向系統(tǒng)、客戶工程服務、有經(jīng)驗的集成商和生命周期優(yōu)化。

1.可伸縮、多語言、信息化的系統(tǒng),廠級自動化與先進過程控制的解決方案

        羅克韋爾自動化把集成架構用于過程控制,使傳統(tǒng)老系統(tǒng)進化成一種新的流程標準,同時還了完成廠級的控制。其結果的功能性已經(jīng)超出了原來的分布式控制系統(tǒng)(DCS)、混合控制系統(tǒng)(HCS)、或標準的可編程控制器系統(tǒng)(PLC)。使用了集成架構,可伸縮性和信息共享就成了與生俱來的特性。羅克韋爾自動化基于總結的經(jīng)驗定義了如下的過程自動化系統(tǒng)。
        ? 用于單元控制的獨立系統(tǒng)架構;
        ? 用于區(qū)域控制的集中化系統(tǒng)架構;
        ? 用于廠級和企業(yè)運行的分布式系統(tǒng)架構。

        羅克韋爾的很多技術嵌入進了FactoryTalk的服務和應用,與Logix控制平臺相配合(包括NetLinx 和View技術)組成了集成架構,提供了先進的過程控制,具有真正的廠級控制能力。系統(tǒng)的靈活性非常高,用戶可以從一個?。í毩ⅲ┫到y(tǒng)開始,在任何時間擴展,不斷增加到滿足需要的系統(tǒng)為止。

 

2.自動化和信息等級

        用于過程控制的集成架構,可以參考在自動化和信息技術中常用標準中的等級,諸如:ISA-95。這些等級定義了企業(yè)、工廠、控制域之間的接口。在集成架構中,使用等級概念可以幫助我們理解相關功能的實施和系統(tǒng)組件的角色。

        等級0-系統(tǒng)組件為實際的現(xiàn)場設備,包括儀表、執(zhí)行器、驅(qū)動器和安全設備。這個級包括了:DeviceNet、FF、Profibus、HART等總線設備。過程測量和控制操作在這一級執(zhí)行,這級還包括本地儀表和設備的診斷。
        等級1-系統(tǒng)組件是連接和控制現(xiàn)場儀表與設備的接口。這些系統(tǒng)組件包括Logix控制器,I/O模塊、控制網(wǎng)絡通信接口。這個等級還包括到現(xiàn)場總線的連接設備和任何由Logix控制器支持的I/O產(chǎn)品。在這個等級執(zhí)行I/O處理、PID調(diào)節(jié)和先進控制、互鎖和聯(lián)鎖、面向單元的批處理。在這個級別使用工程師站(EWS)和維護工作站(MWS)創(chuàng)建和管理控制策略 與基本系統(tǒng)組態(tài)。
        等級2-系統(tǒng)組件(典型為軟件)是加載到專用工作站和提供系統(tǒng)的監(jiān)督控制。這個等級包括進行監(jiān)督級和控制級組件之間的通信。在這個等級,操作員與PID調(diào)節(jié)、先進控制和批處理控制進行交互,還進行批處理的管理。
        等級3-系統(tǒng)組件(典型為軟件)是工作站提供生產(chǎn)管理和性能監(jiān)視(制造運行)。這個等級包括實現(xiàn)制造級工作站和監(jiān)督組件之間的通信。在這個等級,管理的功能有:區(qū)域、生產(chǎn)線和單元的排產(chǎn);通用系統(tǒng)維護;資產(chǎn)管理;生產(chǎn)模擬;性能分析、報告和優(yōu)化。生產(chǎn)(工程)工作站(PWS)用來管理和組態(tài)系統(tǒng)的制造運行。
        等級4-系統(tǒng)組件典型為在本地訪問外部業(yè)務部分和生產(chǎn)計劃功能。這個等級要連接ERP系統(tǒng),諸如:SAP或者Oracle,用于及時的供應鏈管理,庫存管理、維護計劃和其他重要業(yè)務計劃。

 

 

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3.分布式系統(tǒng)架構

        當制造區(qū)域具有多個流程時,要使用分布式系統(tǒng)架構,每個流程相對獨立,又需要共享操作(控制)系統(tǒng)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù),在這種情況下,通常不使用通信網(wǎng)關或者網(wǎng)橋。比如,使用這種架構,可以實現(xiàn)材料處理、物料傳送、成品包裝等多個制造區(qū)域的無縫集成。 

圖2 分布式系統(tǒng)架構

 

4.集中式系統(tǒng)架構

        當自動化流程需要多個自動化控制器和多個操作員界面遍布整個區(qū)域時,使用集中式系統(tǒng)架構。比如,使用這種架構可用于多個單元的包裝設備。集中式系統(tǒng)架構共享整個系統(tǒng)的控制信息,同時提供本地控制器和操作員界面,并且容易支持用戶通過控制室,對整個生產(chǎn)進行監(jiān)督。

 

圖3 集中式系統(tǒng)架構

 

5.獨立式系統(tǒng)架構

        對于小型、本地的應用,應使用獨立式系統(tǒng)架構。比如,對單個集成單元需要本地操作員交互,又要向上一級工廠應用通信,應使用這種架構。獨立式系統(tǒng)架構滿足小于等級2的系統(tǒng)需求,提供了所有的自動化/控制能力。
 

圖4 獨立式系統(tǒng)架構

 

6.系統(tǒng)架構的實施

工作站和服務器(包括HMI)
        ? 工程師站(EWS)提供了單一的開發(fā)和系統(tǒng)組態(tài)工具包,用于系統(tǒng)的組態(tài)、開發(fā)、維護,以及系統(tǒng)控制策略的實施。使用EWS組態(tài)控制器、操作員界面和現(xiàn)場總線設備。
        ? 操作員站(OWS)使用客戶機軟件監(jiān)視工藝過程。OWS提供了一種分布式的、針對過程的交互式圖形,支持標準面板、屏幕導航和報警概要,確保整個系統(tǒng)的一致性。
        ? 維護員站(MWS)通常是膝上機,帶有遠程監(jiān)視和系統(tǒng)維護的軟件。MWS是可攜帶并且可以在本地連接,監(jiān)視和調(diào)試系統(tǒng)運行中出現(xiàn)的問題。
        ? 增加工作站和服務器可以擴展系統(tǒng),用戶可以按功能對自動化系統(tǒng)進行分段,支持多個流程區(qū)域。 
        ? 獨立工作站把工程師站、過程自動化系統(tǒng)服務器(PASS)、操作員站的功能結合到一臺工作站中,在小型、本地的過程應用中,執(zhí)行開發(fā)和操作員界面的功能。
        ? 所有工作站和服務器支持系統(tǒng)級的安全,按照用戶的規(guī)則保護數(shù)據(jù)和控制訪問。
        ? 增加其他標準的羅克韋爾自動化軟件可以提高過程系統(tǒng)的功能,諸如:批處理管理、條件監(jiān)視、資產(chǎn)管理、工廠歷史、回路優(yōu)化、回路整定、先進過程控制(APC)、和模糊邏輯。

 

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控制器
        一臺多功能控制器提供了執(zhí)行控制功能的高性能硬件平臺,完成連續(xù)、批處理、離散量、和運動控制應用。一臺多任務控制器允許用戶使用多種語言開發(fā)控制程序。
        ? 使用1756-L6x ControlLogix控制器。
                - 獨立系統(tǒng),通常為5臺控制器;
                - 集中式系統(tǒng),通常為12臺控制器;
                - 分布式系統(tǒng),每個區(qū)域(多個控制區(qū)域)通常為12臺控制器。
        ? 基于控制器報警和系統(tǒng)級管理,能提供精確的診斷、時間戳和用戶定制圖形。
        ? 批處理管理軟件可直接連接到控制器中的S88功能,提供無縫、系統(tǒng)級的批處理能力。
        ? 基于模型、多變量和模糊邏輯功能,可以運行在任何控制器中,提供了本地、高速的APC功能。
        ? 每臺控制器都支持多種數(shù)字量和模擬量I/O模塊,實現(xiàn)高速的本地和遠程通信。
        ? 智能現(xiàn)場設備,諸如:驅(qū)動器、FF和HART設備,以及其他設備,可以直接連接到系統(tǒng),實現(xiàn)組態(tài)和控制。
        ? 冗余和容錯能力可以通過加入相關模塊來實現(xiàn),可以滿足高可用性過程應用的需求。ControlLogix處理器是通過SIL 2 TUV認證的標準產(chǎn)品,他們可以用于很多過程安全的應用。附加的集成和安裝規(guī)范可以滿足SIL 3 TUV標準。

網(wǎng)絡
        NetLinx技術確保公共數(shù)據(jù)和信息架構遵從工業(yè)標準。這種通信框架連接到所有的系統(tǒng)組件,構成一個分布式計算環(huán)境,數(shù)據(jù)流可在整個系統(tǒng)內(nèi)任意流動。
        ? 工廠的網(wǎng)絡采用工業(yè)以太網(wǎng);
        ? EtherNet/IP協(xié)議用于自動化監(jiān)控網(wǎng)絡;
        ? ControlNet網(wǎng)絡用于控制和I/O數(shù)據(jù);
        ? DeviceNet 網(wǎng)絡用于工業(yè)現(xiàn)場設備;
        ? FF和其他網(wǎng)絡用于過程現(xiàn)場儀表和終端設備。

 

7. 結論

        過程控制只是集成架構在工業(yè)領域中使用的案例之一,其實在工業(yè)控制的其他領域,如:離散量控制(開關量控制)、變頻器控制、運動控制、安全控制和混合控制,都可以使用集成架構。集成架構不光可以實現(xiàn)控制設備、現(xiàn)場設備、人機界面的數(shù)據(jù)通信,還可以實現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡的安全和安保功能,更能集成工廠和企業(yè)級的ERP(企業(yè)資源計劃)、MES(制造執(zhí)行系統(tǒng)),實現(xiàn)制造業(yè)的資產(chǎn)管理和性能優(yōu)化。

(原創(chuàng))

標簽:集成架構 過程控制系統(tǒng) 我要反饋 
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