1 引言

　　MASTER分布式工業(yè)控制計算機系統(DCS)是瑞士ASEA BROWN BOVERI公司(簡稱ABB公司)設計開發(fā)的集散控制系統,它適用范圍廣泛,既可應用于離散制造業(yè),如:機床、汽車、飛機制造等工業(yè),更可應用于大中小型連續(xù)性生產的流程工業(yè),如:石油、化工、火電機組、煉鋼、建材等工業(yè)。
　　MASTER DCS系統從硬件設計到軟件設計,從設計思想到系統結構都不同于老的產品。它的硬件、軟件和通信都采用國際標準。MASTER DCS的軟件編程語言AMPL(Asea Master Piece Language)是控制系統的一種編程模式,本文介紹MASTER DCS的體系結構、應用實例和AMPL語言編程環(huán)境與方法,希望對國內同行了解國外新型DCS和推動我國DCS產業(yè)的發(fā)展有所幫助。

2 MASTER分布式工業(yè)控制計算機系統體系結構

　　ABB MASTER集散控制系統采用先進的微處理器(33MHz的Motorola 68020和33MHz的Intel80386、80486芯片)、CRT圖形顯示技術、高速安全通信技術和現代控制理論,形成了以現場控制站(Master Piece<縮寫為MP>系列和本地、遠程I/O系列)、操作員站(Master View 系列)、工程師站(Master Aid 系列)、信息管理系統站(Advant Station 系列)、計算機和網絡接口站(Master Gate 系列)、計算機網絡(Master Bus系列)和其它計算機通信設備為基礎的,物理位置分散、系統功能分散、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絡。

　　ABB的MASTER網絡是一個由ABB MASTER DCS中各種結點聯結在一起的局域網,MV、MP和MG在ABB MASTER系統中都作為通訊結點。

　　ABB MASTER的通信網絡結構分三層:(網絡結構如圖1所示)。

圖1 ABB MASTER DCS工廠網絡圖

　　第一層是信息管理網絡,可下聯9個控制網絡,網絡由類型為MB300的總線組成,總線傳輸速率達10Mbps。

　　第二層是控制網絡,可由9個類型為MB200或300的總線組成。一個控制網絡可包括99個站(包括在局部控制網絡中的站)。在控制網絡中的每個MP200/1站都可下聯一個局部控制網絡。一個局部控制網絡可包括9個類型為MB200或300的總線。

　　MB300是一個高性能、串行、同步、半雙工的大數據量高速總線。它采用IEEE 802.2邏輯鏈路控制(LLC)協議和IEEE 802.3帶沖突檢測的載波幀聽多路存取(CSMA/CD)的介質存取控制(MAC)協議,屬于Ethernet型局域網,總線可帶載45個節(jié)點。在不使用中繼器時,最大通訊節(jié)點距離為500m;使用3個同軸段、4個中繼器和2個點對點鏈路時最大通訊節(jié)點距離為2500m,總線傳輸速率為10Mbps。

　　MB200是一個中性能、串行、異步、半雙工的標準RS422快速總線,總線可帶載10個節(jié)點?？偩€用于多點通訊時的節(jié)點距離為1000m,用于點對點通訊時,若用電纜傳輸最大節(jié)點距離為2000m,若用光纖傳輸則最大節(jié)點距離為7000m?？偩€傳輸速率為153.6kbps。

　　第三層為現場總線網絡,它是MP200/1站和現場遠程I/O裝置之間的通訊總線。每臺MP200/1站可插四塊現場總線控制器,一個控制器最多可下聯16臺遠程I/O裝置(不包括遠程I/O擴展單元,每臺遠程I/O基本單元可帶一臺擴展單元)。MP200/1站和遠程I/O裝置之間通過長總線通訊(一條長總線最多掛10臺Modem),使用同軸電纜時最大通訊距離為750m,使用光纜時最大通訊距離為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工控機在水泥行業(yè)的應用

　　目前,國內新建、擴建的新型干法水泥生產線中有很多選用MASTER集散控制系統。下面以本廠擴建的水泥干法生產線中MASTER DCS的使用為例,介紹MASTER DCS在水泥企業(yè)的應用。華新干法生產線的MASTER DCS系統結構如圖2所示,其功能如下:

圖2 華新MASTER DCS網絡結構圖

3.1 現場控制站完成功能

　　(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立磨質量流量控制,生料磨部分電機成組聯鎖啟停和閥門開關控制。

　　(2)MP280/1站監(jiān)控窯和預熱器系列設備完成:窯尾高溫風機出口壓力控制、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、窯和預熱器系列部分電機成組聯鎖啟停和閥門開關控制。

　　(3)MP280/1站監(jiān)控煤粉制備部分和窯頭設備完成:煤磨磨機負荷控制、磨機出口溫度控制、煤粉制備系統通風量控制、窯頭罩負壓控制、冷卻機篦下壓力控制、冷卻機噴水量控制、煤粉制備部分和窯頭電機成組聯鎖啟停和閥門開關控制。

　　MP280/1站的I/O容量為4096點,本地、遠程I/O裝置完成全廠數據采集與控制輸出功能。在水泥生產工藝中有許多信號需要檢測,如溫度、壓力、流量等模擬信號,電機啟停狀態(tài)和各種開關的狀態(tài)等數字信號,對執(zhí)行機構進行控制的輸出信號以及各種設備的起停信號等。MASTER系統配置了各種本地、遠程I/O裝置,來滿足生產實際的需要。遠程I/O裝置用于離現場控制站較遠設備的監(jiān)控,遠程I/O裝置對現場TC、RTD、脈沖、電流和電壓信號進行采集、數字濾波、線性補償、標度變換等處理后,通過現場總線送到MP280/1站進行數據處理,完成預定的聯鎖啟停和控制功能,又經現場總線送回遠程I/O裝置然后輸出到現場。如:DSAX 452基本單元完成14AI/6AO、DSDX 454L基本單元完成20DI/12DO、DSDI 453擴展單元完成32DI、DSDX 453L擴展單元完成20DI/12DO。而本地I/O板則直接插入MP280/1站中,對離MP280/1站較近的各種現場信號進行采集、變換和輸出。

　　本地、遠程I/O系列與MP系列構成了完整的現場控制站。

3.2 操作員站完成功能

　　ABB MASTER DCS的操作員站由2臺MV830/1組成,每臺MV830/1可接兩臺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表)、20幅遠程顯示(即其它操作員站上存儲定義的過程顯示)、目標顯示、系統網絡狀態(tài)顯示、過程信號和過程目標的狀態(tài)列表、600項事件列表、500項報警列表、100幅歷史趨勢數據顯示、系統報警和各種報表顯示的打印等等,以對整個DCS系統狀況和生產工藝流程狀況了如指掌,進而通過操作員對話來處理各種顯示、修改各種工藝參數、控制過程目標和控制整個生產過程。而軟件編程人員使用顯示設計鍵盤和操作員鍵盤進行各種顯示的設計。

3.3 與其它類型計算機的通訊

　　MASTER DCS實施開放式的系統通訊。MP280/1站可通過DSCS150板(GCOM)與包括SUPERVIEW和MP280/1在內的外部計算機進行通訊,通過DSCA180A板(RCOM)在MASTER站之間進行長距離異步通訊,通過DSCA180B板聯結到MODBUS和MODICON進行通訊,通過DSCA180F板和Siemens 3964?進行通訊,通過異步通訊板DSCA114上的異步串口與打印機、外部計算機、操作員站MV320進行通訊。

　　在1號MP280/1站上插有一塊DSCA114異步通訊板,接收FLS—QCX質量控制系統的HP1000計算機給出的生料喂料配比值,進行三種原材料喂料配比的在線控制。FLS—QCX質量控制系統對原材料、生料和熟料進行九種元素(Si、Fe、Al、Ca、Mg、K、Cl、Na、S)的成分分析,根據生產需要計算出三種原材料(石灰石、江沙和混合材)的配比,然后把配比數據通過HP1000計算機的RS232口輸出經DSCA 114異步通訊板送入1號MP280/1站中,由1號現場控制站完成Atox生料磨的喂料配比控制,從而使率值達到規(guī)定的工藝要求。

4 ABB MASTER工業(yè)控制機的編程

　　目前,國內采用ABB MASTER集散控制系統的企業(yè),都是隨成套設備從國外引進計算機控制硬件和軟件,需要不少外匯。我公司在引進MASTER DCS的同時,消化吸收國外計算機軟硬件資料,自行完成了全部DCS的應用軟件編程,以下介紹MASTER DCS應用軟件的編程環(huán)境、方法和一些體會。整個系統軟件設計編程大體分為兩部分。

4.1 MP280/1現場控制站的控制軟件編程

　　控制軟件的編程可在一臺帶Intel 80386或80486微處理器的IBM PC/AT兼容機(要求4MB內存、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基礎軟件,它是后三者的基礎,簡稱QMA220;(2)面向功能的命令,它可用來編程,但通常在調試時使用,簡稱QMA221;(3)MP200系列功能圖編輯,它是MP200的編程環(huán)境,簡稱QMA222;(4)MP90系列功能圖編輯,它是MP90的編程環(huán)境,簡稱QMA223。而現場調試則必須在工程師站MA上或帶MA工程板的IBM PC/AT兼容機上進行。

　　編程首先要進行數據庫元素的定義,連接到系統的所有過程信號必須被預先定義,因此當我們開發(fā)應用程序時,可使用信號名對信號進行連接。

　　每臺MP280/1中應用程序的個數(即PCPGM的個數)最多為99個,按照功能分為兩大類:一類是電機、閥門的成組啟停聯鎖程序(由GENUSD元素控制本程序組的電機、閥門成組啟停和現場起動的允許),另一類是PID調節(jié)、比例調節(jié)、手動調節(jié)控制程序。

　　通常按照控制任務的結構來劃分控制程序,將控制任務劃分成單獨啟停和修改相互無關的程序段,以使系統的調試、開發(fā)和維護都極其方便。

　　用AMPL語言所寫的程序結構可用結構樹表示,通過編程輔助的直接對話進行設計。結構單元(PCPGM、CONTRM、MASTER、SLAVEM、BLOCK、FUNCM、STEP、SEQ)可象控制模塊那樣被插入程序中,以概括或控制一個或多個控制功能。PCPGM用于鑒定和啟動整個程序,CONTRM則限制和運行程序,在繼續(xù)向下分層的結構中,順序/步位、主/從功能模塊也可實現。

　　經過多次調試比較及對MASTER系統中數據庫元素、PC元素和功能單元的實際運用,我們根據建材工業(yè)自動控制的特點,制定出使用AMPL語言編制MASTER控制程序的標準模式,也為今后的進一步開發(fā)打下基礎。

　　在控制程序的調試過程中,我們用MA220決定啟動哪一部分,按照在一定控制規(guī)則下一步一步啟停的方法來對全廠進行調試,如果全廠的運行不符合預想的情況,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:實時動態(tài)顯示所有功能元素的端子值和符號變量值等。并且逐步翻閱程序,以跟隨信號和跟蹤不滿意的邏輯條件直至找到錯誤。

4.2 MV830/1操作員站的過程顯示設計與應用組態(tài)

　　整個MV830/1操作員站的工作根據性質分為兩類:

　　第一類是工藝流程圖顯示設計,設計步驟依次為靜態(tài)顯示設計、動態(tài)顯示設計和顯示集成(編譯)。

　　靜態(tài)顯示設計是從一個符合國際標準的符號庫或由我們自己建立的符號中選擇工藝設備符號和劃線來設計工藝流程畫面。我們可以隨意選擇顏色和大小。

　　動態(tài)顯示設計是在靜態(tài)畫面基礎上,在屏幕任意光標處定義可以動態(tài)顯示相應信號或目標類型(AI、AO、PIDCON等)的動態(tài)點。

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

　　完成的顯示以PROC.01～PROC.100的名字存在系統顯示文件中。

　　在顯示設計中,避免使用紅、黃、綠和白色,這些顏色已被報警等功能占用。經常使用的結構復雜的圖形應當被設計作為符號(使用符號編輯功能)。設計不要占用系統報警行、對話行和系統信息行。
第二類是各種應用組態(tài),包括趨勢記錄組態(tài)、趨勢顯示組態(tài)、多趨勢組態(tài)、狀態(tài)列表組態(tài)、過程段的分配和顯示選擇鍵的定義。

　　趨勢記錄組態(tài)的步驟依次為:(1)定義占用內存空間的大小;(2)記錄的建立、參數設置和填充;(3)系統日期和時間的設置;(4)趨勢記錄的組態(tài);(5)趨勢顯示的組態(tài)。

　　通常趨勢記錄的裝載不影響系統的控制功能,然而一個過高的裝載將導致未完成的記錄,這時必須重新修改數據庫元素TTDLOG的參數值:(1)盡可能選較大采樣延時;(2)盡可能選較長采樣間隔(特殊的記錄要求短的采樣間隔);(3)用置TOT_VAR為構造變量的數值來刪除一些空余變量。如果裝載要求進一步減少,那么:(1)選較長的記錄間隔;(2)分布全體變量到幾個記錄中;(3)減少變量數。

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

　　過程段的分配是把過程信號和目標分或不分到幾類中,以使它們的報警和列表分配到不同的Tesselator和打印機中,并且在不同的Tesselator上定義不同的操作員權限,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過程顯示在操作員鍵盤上有10個動態(tài)鍵可直接進入10個其他任選的顯示,這10個顯示可以是100個過程顯示和100個趨勢顯示中任一個。

　　最后三種組態(tài)只要在系統提示下正確會話即可完成。

5 結語

　　我們在分布式工業(yè)控制系統的應用軟件編程中做了一些探索,并在現有的生產線上應用,取得了一定的成績,愿這將對我國較大型工業(yè)控制系統應用軟件逐步走向國產化起到積極的作用。