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[導(dǎo)讀]針對(duì)不同控制系統(tǒng)的兼容和升級(jí)問(wèn)題,通過(guò)分析FCS和DCS兩種控制方式的優(yōu)缺點(diǎn),提出了混合式集成控制系統(tǒng),并從FCS和DCS輸入輸出總線的集成、FCS和DCS網(wǎng)絡(luò)的集成、FCS和DCS的系統(tǒng)集成三個(gè)方面進(jìn)行了闡述。通過(guò)基于CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的多軸超聲檢測(cè)系統(tǒng),對(duì)混合式集成控制系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用分析。FCS/DCS的混合式集成控制系統(tǒng)方便了原有控制系統(tǒng)的升級(jí),并且提高了系統(tǒng)的可靠性。

引 言

控制系統(tǒng)由五十多年前的PCS( PneumatiCControl System)的第一代控制系統(tǒng),經(jīng)歷了ACS(AnalogouSControl System)、CCS(ComputerControl System)和DCS(Distributed Control System),而發(fā)展成今天的第五代控制系統(tǒng)———現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS(FieldbuSControl System)。

集散控制系統(tǒng)DCS由操作站、控制站(監(jiān)視站)、應(yīng)用模件與歷史模件、通訊網(wǎng)絡(luò)和工程師站等組成。DCS除采用高可靠性的軟硬件以及通信網(wǎng)絡(luò)、控制站等冗余措施外,還使用故障檢測(cè)與診斷工程軟件,可對(duì)生產(chǎn)工況進(jìn)行監(jiān)測(cè),從而及早發(fā)現(xiàn)故障,及時(shí)采取措施,提高了生產(chǎn)的安全性。

上世紀(jì)80年代后期,在DCS的基礎(chǔ)上開(kāi)始開(kāi)發(fā)一種適用于工業(yè)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,并實(shí)現(xiàn)傳感器、控制器層的通信,這就是現(xiàn)場(chǎng)總線。但研究工作進(jìn)展緩慢,而且無(wú)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)可遵守。國(guó)際電工委員會(huì)( IEC)于2000年1月正式公布了IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線全部技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。但此標(biāo)準(zhǔn)中容納了8種互不兼容的通信協(xié)議。由于是妥協(xié)于各方面的既有利益,并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)完全統(tǒng)一國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的初衷。

CAN(ControllerArea Network)總線是現(xiàn)場(chǎng)總線的一種,它一般采用典型的串行總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行通訊,這種方式的位速率低于環(huán)形結(jié)構(gòu),但是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、而且通信可靠。CAN總線因傳輸時(shí)間短,受干擾的概率低,保證了通信的實(shí)時(shí)性。CAN能對(duì)錯(cuò)誤的來(lái)源進(jìn)行正確定位,將永久的硬件錯(cuò)誤從軟件錯(cuò)誤中獨(dú)立出來(lái),其協(xié)議采用CRC檢驗(yàn),并提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能,同時(shí)保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。

混合式控制系統(tǒng)的提出

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS應(yīng)該與集散控制系統(tǒng)DCS相互兼容。首先從工程成本與效益看,現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)勢(shì)是良好的互操作性,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,布線費(fèi)用低;控制功能分散,靈活可靠,以及現(xiàn)場(chǎng)信息豐富。然而這些優(yōu)勢(shì)是建立在FCS系統(tǒng)初裝的前提下,倘若企業(yè)建立有完善的DCS,要向FCS過(guò)渡,則必須仔細(xì)考慮現(xiàn)有投資對(duì)已有投資的回報(bào)率。充分利用已有的DCS設(shè)施,現(xiàn)有DCS的布線以及成熟的DCS控制管理方式來(lái)實(shí)現(xiàn)FCS是首選之途。雖然現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)已有的數(shù)字現(xiàn)場(chǎng)協(xié)議有優(yōu)勢(shì)可言,但向其過(guò)渡的代價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)比較大。再者,從技術(shù)的繼承及控制手段上,也要求FCS與DCS應(yīng)相互兼容。FCS實(shí)現(xiàn)控制功能下移至現(xiàn)場(chǎng)層,使DCS的多層網(wǎng)絡(luò)被扁平化,各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)的獨(dú)立功能得以加強(qiáng),因此,在FCS中有必要增加和完善現(xiàn)場(chǎng)子層設(shè)備間的數(shù)據(jù)通訊功能。

FCS和DCS的集成主要包括三個(gè)方面:

(1)FCS和DCS輸入輸出總線的集成
DCS的控制站主要由控制單元(Control Unit,CU)和輸入輸出單元( Input Output Unit,IOU)組成,這兩個(gè)單元之間通過(guò)I/O總線連接。在I/O總線上掛接現(xiàn)場(chǎng)總線接口板或現(xiàn)場(chǎng)總線接口單元(Field bus Interface Unit,F(xiàn)IU),如圖1所示?,F(xiàn)場(chǎng)儀表或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與HU 通信,F(xiàn)IU 再通過(guò)I/O總線與DCS的控制單元通信。這樣便實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)總線和DCS輸入輸出總線的集成,即現(xiàn)場(chǎng)總線和DCS控制站的集成。



現(xiàn)場(chǎng)總線和DCS輸入輸出總線的集成具有以下3個(gè)特點(diǎn):
①除了安裝現(xiàn)場(chǎng)總線接口板或現(xiàn)場(chǎng)總線接口單元外,不用對(duì)DCS再做其它變更;
②充分利用DCS控制站的運(yùn)算和控制功能塊,因?yàn)槌跗陂_(kāi)發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)總線儀表中的功能塊數(shù)量和種類(lèi)有限;
③利用已有DCS的技術(shù)和資源,投資少,見(jiàn)效快,便于推廣現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用。

(2)FCS和DCS網(wǎng)絡(luò)的集成
在DCS控制站的I/O總線上集成現(xiàn)場(chǎng)總線是一種最基本的初級(jí)集成技術(shù),還可以在DCS的更高一層集成,即在DCS網(wǎng)絡(luò)(DCSnet)上集成現(xiàn)場(chǎng)總線,如圖2所示?,F(xiàn)場(chǎng)總線服務(wù)器(FieldbuSServer,F(xiàn)S)掛接在DCS網(wǎng)絡(luò)上,F(xiàn)S是一臺(tái)完整的計(jì)算機(jī),并安裝了現(xiàn)場(chǎng)總線接口卡和DCS網(wǎng)絡(luò)接口卡。



現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與其接口卡通信,現(xiàn)場(chǎng)儀表中的輸入、輸出、控制和運(yùn)算等功能塊可以在現(xiàn)場(chǎng)總線上獨(dú)立構(gòu)成控制回路,而不必借用DCS控制站的功能?,F(xiàn)場(chǎng)總線服務(wù)器通過(guò)其DCS網(wǎng)絡(luò)接口卡與DCS網(wǎng)絡(luò)(DCSnet)通信,也可以把FCS看作DCS網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)或DCS的一臺(tái)設(shè)備。這樣FCS和DCS之間可以互相共享資源。FCS直接借用DCS的操作員站或工程師站。

FCS和DCS網(wǎng)絡(luò)的集成具有以下4個(gè)特點(diǎn):①除了安裝現(xiàn)場(chǎng)總線服務(wù)器外,不用對(duì)DCS再做其它變更;② 在現(xiàn)場(chǎng)總線上可以獨(dú)立構(gòu)成控制回路,實(shí)現(xiàn)徹底的分散控制;③現(xiàn)場(chǎng)總線服務(wù)器中一些高級(jí)功能塊,可以與現(xiàn)場(chǎng)儀表中的基本功能塊統(tǒng)一組態(tài),構(gòu)成復(fù)雜控制回路;④利用已有DCS的部分資源,投資少、見(jiàn)效快,便于推廣現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用。

(3)FCS和DCS的系統(tǒng)集成
FCS和DCS的系統(tǒng)集成可以有兩種方式:一種是FCS網(wǎng)絡(luò)(FCSnet)通過(guò)網(wǎng)關(guān)(Gateway)與DCS網(wǎng)絡(luò)(DCSnet)集成,在各自網(wǎng)絡(luò)上直接交換信息,如圖3所示;另一種是FCS和DCS分別掛接在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)( Intranet)上,通過(guò)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)間接交換信息。



FCS和DCS的集成具有以下4個(gè)特點(diǎn):①獨(dú)立安裝FCS,對(duì)DCS幾乎不做任何變更,只需在DCSnet上接一臺(tái)網(wǎng)關(guān);②FCS是一個(gè)完整的系統(tǒng),不必借用比DCS的資源;③既有利于FCS的發(fā)展和推廣,又有利于充分利用現(xiàn)有DCS的資源;④系統(tǒng)投資大,適用于新建裝置。

基于混合控制的多軸超聲檢測(cè)系統(tǒng)

多軸超聲檢測(cè)系統(tǒng)要完成的主要功能如下:多軸聯(lián)動(dòng)超聲自動(dòng)掃查檢測(cè);棒材的螺旋面成像、橫截面成像和縱截面成像;鍛件和碳纖維的平面掃描;準(zhǔn)三維掃描成像;A/B/C成像和分析;缺陷定量及其缺陷圖像分析;缺陷定位及標(biāo)記等。

該超聲檢測(cè)系統(tǒng)的各個(gè)I/O組件及各主件內(nèi)部的各模塊之間的數(shù)據(jù)聯(lián)系采用了傳統(tǒng)的并行網(wǎng)絡(luò),系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)引入了CANbus,通過(guò)該總線可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)伺服控制器直接控制,同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)同其他超聲設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換。如果采用多主模式還可以向上融入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。多軸超聲檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4。



為了完成多軸聯(lián)動(dòng)超聲自動(dòng)掃查檢測(cè),采用CAN總線對(duì)多臺(tái)伺服電機(jī)進(jìn)行控制。系統(tǒng)中選用安裝在控制站中的CAN總線適配卡與CAN總線相連,實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線和DCS輸入輸出總線集成,現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)是帶有CAN控制端口的6只伺服控制器,通過(guò)伺服控制器來(lái)完成對(duì)外圍的伺服電機(jī)的控制,實(shí)現(xiàn)各種點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)。采用德國(guó)百格拉公司的TCL6系列控制器,該型控制器除了具有伺服控制器的全部基本功能外,它還內(nèi)置可編程邏輯控制器(PLC),可以編程控制,通過(guò)在TCL6基礎(chǔ)上添加CAN通訊接口,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

基于現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊和控制策略:首先初始化CAN總線適配卡和CAN通訊接口;實(shí)現(xiàn)總線適配卡與控制器之間的通訊。其次,通過(guò)總線傳輸數(shù)據(jù)到控制器中,PC機(jī)先把需要下傳的數(shù)據(jù)按一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)寫(xiě)入PCCAN卡中,PCCAN卡把該數(shù)據(jù)傳送到總線上,當(dāng)與總線數(shù)據(jù)中的包含的目的地址相同的控制器探測(cè)到總線上的該數(shù)據(jù),開(kāi)始接受該數(shù)據(jù)并檢查數(shù)據(jù)在傳送中是否被破壞,如完整將執(zhí)行該指令,同時(shí)向PCCAN傳送肯定的回答信息。當(dāng)通訊建立后,電機(jī)按指令完成動(dòng)作,通過(guò)PLC可以把固定的運(yùn)動(dòng)方式固化在控制器中。為了減輕總線的通訊壓力,通過(guò)PLC編程來(lái)完成主要的運(yùn)動(dòng)控制工作。例如,在已知運(yùn)動(dòng)軌跡的情況下,采用電子齒輪比模式時(shí),把已知運(yùn)動(dòng)軌跡分段并把每段的電子齒輪比一起編入特定的PLC程序段中,完成以主軸電機(jī)為主的隨動(dòng)控制。

實(shí)際運(yùn)用中,只需從總線發(fā)出一個(gè)開(kāi)始的廣播信號(hào),下屬電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制就由PLC單獨(dú)完成,PLC通過(guò)計(jì)算光電編碼器反饋的信號(hào),適時(shí)調(diào)用預(yù)制的電子齒輪比來(lái)完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。這種處理方式就比上位機(jī)通過(guò)總線實(shí)時(shí)訪問(wèn)光電編碼器的信號(hào)來(lái)改變每臺(tái)電機(jī)的電子齒輪要簡(jiǎn)單,總線只需按照監(jiān)視界面讀取電機(jī)位置狀態(tài)即可。采用這樣的設(shè)計(jì)可減少總線50%的通訊任務(wù),也減輕了上位機(jī)的工作強(qiáng)度,以便上位機(jī)有更多的資源解決其它運(yùn)算任務(wù)。

該系統(tǒng)能夠較好完成多功能檢測(cè)系統(tǒng)的要求,由于選擇了總線控制,使系統(tǒng)較以前的控制方式可靠性得到大大提高,同時(shí)還連線簡(jiǎn)化。同時(shí)因?yàn)閮?nèi)置PLC的伺服控制器的運(yùn)用,這使得上位機(jī)的一部分工作移到下位機(jī)處理,上位機(jī)就有了更多的資源來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的圖像處理等工作。

結(jié) 論

根據(jù)測(cè)控系統(tǒng)中FCS與DCS的特點(diǎn),本文分析了FCS與DCS的控制機(jī)理和應(yīng)用現(xiàn)狀,提出了“FCS和DCS輸入輸出總線的集成”、“FCS和DCS網(wǎng)絡(luò)的集成”和“FCS和DCS的集成”三種混合式控制模型,并對(duì)混合式控制模型采用的控制策略和通訊機(jī)理做了研究。通過(guò)多軸超聲檢測(cè)系統(tǒng)項(xiàng)目的研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施驗(yàn)證了FCS和DCS的集成模型的可行性,并對(duì)該模型在項(xiàng)目實(shí)施應(yīng)用過(guò)程遇到的技術(shù)難點(diǎn)作了詳細(xì)闡述。
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