基工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成與數(shù)據(jù)交換應(yīng)用設(shè)計(jì)研究

黃海艇 徐東 劉典勇 陳洎 許振乾

摘要：就“信息孤島”現(xiàn)象所造成的有一定價(jià)值性的數(shù)據(jù)信息出現(xiàn)流失與沉淀的結(jié)果，文章基于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成與數(shù)據(jù)交換應(yīng)用設(shè)計(jì)展開了相關(guān)的研究。在對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，以ADAM為例，展開分布式的模擬化監(jiān)控體系研究。闡述該系統(tǒng)的大體情況，包括實(shí)驗(yàn)室提供電源監(jiān)控體系以及遠(yuǎn)程信息搜集和掌控模擬化體系。分析該體系構(gòu)造的設(shè)計(jì)和硬件的匹配情況，分別分析RS-485的規(guī)定和AD-AM的網(wǎng)狀式構(gòu)造狀況，研究核心硬件設(shè)備及其型號(hào)的選擇，指出工業(yè)控制系統(tǒng)集成的發(fā)展走向。

關(guān)鍵詞：工業(yè)控制，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成，數(shù)據(jù)交換，應(yīng)用設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2020）07-0095-05

工業(yè)控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱工控系統(tǒng)）是有機(jī)的集合體，它包括數(shù)個(gè)分體系。如果要能夠盡可能地凸顯出該體系的效能，應(yīng)須對(duì)各個(gè)分體系展開系統(tǒng)的集成處理。系統(tǒng)集成（System?Integration，簡(jiǎn)稱SI）實(shí)質(zhì)上就統(tǒng)籌設(shè)置方面而言，屬于性能最優(yōu)化了的一種技術(shù)層面的行為，其經(jīng)由結(jié)構(gòu)化了的綜合式的布線與計(jì)算機(jī)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)加以聯(lián)系。將多個(gè)處于分離狀態(tài)的體系（主要是各個(gè)工控的分體系）、智能化設(shè)施以及體系數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的信息集成至單個(gè)互相存在著聯(lián)系與統(tǒng)一化協(xié)調(diào)的體系平臺(tái)內(nèi)，目的在于達(dá)到充分地分享數(shù)據(jù)化信息資源的目的，從而達(dá)到便捷化、集中化與高效性的管理效果[1]。系統(tǒng)集成一般采納的技術(shù)包括軟件界面、功能集成與網(wǎng)絡(luò)集成等，其關(guān)鍵之處在于化解體系內(nèi)部的相互關(guān)聯(lián)以及互相操控的問(wèn)題，其需要化解各種設(shè)施與分體系內(nèi)部的協(xié)議、接口、運(yùn)用軟件以及系統(tǒng)平臺(tái)等和全部體系有關(guān)的全部面向于集成方面的難題。本論文針對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)內(nèi)所涉及到的集成與數(shù)據(jù)交換應(yīng)用設(shè)計(jì)展開探討。

1工業(yè)控制系統(tǒng)介紹

信息科技呈現(xiàn)出迅猛發(fā)展的態(tài)勢(shì)，由于普及程度較廣，從而在很大程度上對(duì)社會(huì)的生產(chǎn)和生活的運(yùn)行情況及其效率發(fā)生了極為明顯的影響，同時(shí)也讓各大公司面臨著新一輪發(fā)展的契機(jī)。信息化的格局下，也進(jìn)一步地加速全球經(jīng)濟(jì)一體化的進(jìn)程。當(dāng)我國(guó)成為WTO成員之后，全球經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)程度也更為白熱化，不砂公司的生存處于邊緣化的處境。民眾出于追逐更為可觀的經(jīng)濟(jì)實(shí)效目的，對(duì)于具體的生產(chǎn)流程也提出了更高的高效性、安全性、優(yōu)質(zhì)性以及低能耗的相關(guān)要求。現(xiàn)代化大工業(yè)的生產(chǎn)方式也逐步地過(guò)渡至智能化與信息化的新階段，是加強(qiáng)公司市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)綜合實(shí)力的核心保證。信息交流的范圍正快速地由企業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施覆蓋至管控的各個(gè)領(lǐng)域，包括企業(yè)、工段、工廠以及車間甚至是國(guó)際各個(gè)地區(qū)的市場(chǎng)。建構(gòu)起新式的管控整合化的開放式工業(yè)控制體系，可謂對(duì)現(xiàn)代化公司所提出的新時(shí)代要求，亦為信息發(fā)展流程的產(chǎn)物。

通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的問(wèn)世，可以被視作分散掌控體系產(chǎn)生的關(guān)鍵性特點(diǎn)，當(dāng)下，以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線、開放式技術(shù)以及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等為代表的工業(yè)通信互聯(lián)網(wǎng)以及系統(tǒng)集成相關(guān)的技術(shù)，亦加速著工業(yè)控制體系往綜合智能化的方向前進(jìn)，加速工業(yè)公司往信息化的方向發(fā)展。工業(yè)控制通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)集成相關(guān)的技術(shù)，通常被視作公司綜合信息化和智能化的前提條件，是公司達(dá)到集成智能化、流程優(yōu)化、掌控領(lǐng)先、生產(chǎn)管理高效目標(biāo)的技術(shù)性保障，對(duì)于工業(yè)智能化的發(fā)展發(fā)揮著不可小覷的功能。

就集散控制系統(tǒng)分布式控制系統(tǒng)（即DCS）方面而言，引入了計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。由于在工業(yè)控制系統(tǒng)中引入了該技術(shù)，從而引發(fā)了控制體系的一系列改革。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制體系是計(jì)算機(jī)通信技術(shù)和控制技術(shù)二者發(fā)展與融合的結(jié)果，工業(yè)以太網(wǎng)、DCS以及現(xiàn)場(chǎng)總線控制體系均歸屬為網(wǎng)絡(luò)控制體系。它凸顯出流程掌控體系往集成化、網(wǎng)絡(luò)化、分布化以及智能化的趨向發(fā)展。相關(guān)技術(shù)的發(fā)展程度直接地對(duì)工業(yè)控制技術(shù)的前進(jìn)起到重要的影響門。不管是DCS抑或是現(xiàn)場(chǎng)總線掌控體系，均構(gòu)建于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的前提之上。因而，人和機(jī)器之間的交互以及控制和通信等課題被視作現(xiàn)代化控制論的中心。

2基于ADAM展開分布式的模擬化監(jiān)控體系研究

2.1系統(tǒng)的主要情況設(shè)計(jì)

2.1.1電源的監(jiān)督控制體系設(shè)計(jì)

工業(yè)控制的智能化基礎(chǔ)條件是提供必要的電力資源，相應(yīng)的配電體系是其中核心的構(gòu)成部分，它對(duì)于如何有效性地配置電力資源起到重要的作用。同時(shí)，它所面向的用戶為使用電能的工作者。它最為主要的功能在于使得用電盡可能地遠(yuǎn)離危險(xiǎn)。在提供電源的同時(shí)，監(jiān)督和掌控提供電源的體系，亦為工業(yè)智能化體系和樓宇自動(dòng)控制體系的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[4]。實(shí)驗(yàn)室將提供電源體系當(dāng)作背景，構(gòu)建起根據(jù)ADAM所展開的提供電源的模擬化監(jiān)控體系。本論文以此為例，展開工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成與數(shù)據(jù)交換應(yīng)用設(shè)計(jì)的具體分析。

本次實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的配電柜電源電能規(guī)格為低壓型，且主要經(jīng)由戶外的變壓器設(shè)備引進(jìn)的是三相式電源，它的主要功能在于替實(shí)驗(yàn)室中的一系列設(shè)施比如監(jiān)督控制體系、計(jì)算機(jī)、照明、監(jiān)督控制以及空調(diào)等諸多設(shè)備供應(yīng)必要的能源！。根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)以及相應(yīng)環(huán)境等指標(biāo)，所展開的監(jiān)督控制體系設(shè)計(jì)主要需要完成的功能包括以下的3個(gè)部分：①監(jiān)督控制進(jìn)線和出路回路對(duì)應(yīng)開關(guān)的情況;②對(duì)三相式電壓、電流以及功率相關(guān)的數(shù)值加以檢測(cè);③就用電設(shè)施相應(yīng)的一系列主要的用電指標(biāo)的數(shù)值進(jìn)行測(cè)試。

系統(tǒng)測(cè)試控制的原理圖示可參見上圖1。上述測(cè)控點(diǎn)的信號(hào)源自于現(xiàn)場(chǎng)的所涉及到的上述3個(gè)指標(biāo)，同時(shí)也聯(lián)系到電動(dòng)的操控設(shè)備，其中，測(cè)試控制的點(diǎn)數(shù)可以展開如下步驟的統(tǒng)計(jì)。①模擬量的輸人和輸出（統(tǒng)共15點(diǎn)）主要測(cè)試的指標(biāo)包括如下的幾類：配電.相關(guān)設(shè)備的常規(guī)型一系列指標(biāo)（電壓、電流、頻率、功率因數(shù)、有功/無(wú)功功率、控制數(shù)據(jù)）及其輸出的相關(guān)數(shù)據(jù)（變信號(hào)1與變信號(hào)2）。②數(shù)字量相關(guān)的輸入、輸出（統(tǒng)共6點(diǎn)）與配電斷路器相關(guān)的掌控（閉合/斷開掌控以及狀況反饋）、變頻器處電源掌控（閉合/斷開掌控以及狀況反饋）。

2.1.2遠(yuǎn)程信息搜集和掌控模擬化體系

出于對(duì)工業(yè)掌控體系內(nèi)信息遠(yuǎn)程搜集和掌控的目的，將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)為背景，建立起遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)搜集和掌控的模擬體系。用熱電阻傳感器來(lái)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的溫度，經(jīng)由ADAM4000板塊搜集熱電阻的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)RS-485互聯(lián)網(wǎng)和上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換處理。再者，對(duì)其他的模擬量與數(shù)字量AD-AM4000板塊展開有關(guān)試驗(yàn)的探討。本次試驗(yàn)所關(guān)涉到的主要功能指標(biāo)涉及到以下的2點(diǎn)：①對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的溫度進(jìn)行監(jiān)督和控制;②對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)字量所相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)狀況進(jìn)行監(jiān)視。

2.2設(shè)計(jì)體系的構(gòu)造以及對(duì)硬件的配置

2.2.1設(shè)計(jì)體系的構(gòu)造

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)主要的依據(jù)是RS485總線以及ADAM相關(guān)的模板，把低壓類型的配電體系與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的環(huán)境溫度監(jiān)督和測(cè)試當(dāng)作背景，從而構(gòu)建起分布式的信息監(jiān)督控制和掌控模擬體系，該體系整體性構(gòu)造可參見下圖2所示。

上述的計(jì)算機(jī)所采取的是工控機(jī)（其本身附帶RS232相關(guān)總線的接口），并安置了組態(tài)的相關(guān)軟件以及與ADAM的模板相配置的軟件，對(duì)應(yīng)規(guī)格為AD-AM-4520RS232/RS485的轉(zhuǎn)換器把則將相關(guān)的設(shè)備接入至到RS485的相關(guān)設(shè)備之中。而現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)施經(jīng)由ADAM-5000所對(duì)應(yīng)的信息進(jìn)行信息的輸進(jìn)或輸出，而ADAM-4000所對(duì)應(yīng)的板塊則接入至RS485的內(nèi)部，從而和相關(guān)的設(shè)備進(jìn)行通信[7]。通過(guò)以上的一系列處理，目的在于使得現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)施和工控機(jī)監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)內(nèi)部互相通信并聯(lián)系的目的。

基于測(cè)試控制點(diǎn)數(shù)和相應(yīng)模擬試驗(yàn)所提出的規(guī)格，針對(duì)提供電源體系挑選使用2臺(tái)ADAM-5056D規(guī)格體系，依次配置ADAM-5017、ADAM-5024、ADAM-5051D、ADAM-5056D等1/O板塊。再者，挑選使用數(shù)若千臺(tái)ADAM-4000規(guī)格的板塊，主要將其應(yīng)用在分布式的信息搜集和掌控試驗(yàn)中運(yùn)用。

2.2.2RS-485的規(guī)定和ADAM的網(wǎng)狀式構(gòu)造

1）RS-485的規(guī)定

RS485通常在工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)是最為常見的一種具有通信功能的接口，其所采納的是平衡型的傳送模式，同時(shí)采用差分型的接收方式進(jìn)行總線傳遞，可以達(dá)到數(shù)點(diǎn)與雙向式信號(hào)的傳遞目的心。RS-485所采用的通信渠道為半雙式以及全雙工2類。它具有優(yōu)質(zhì)的性能，組網(wǎng)比較地簡(jiǎn)易化，通常廣泛地運(yùn)用于集中式控制以及分布式的控制體系內(nèi)。

RS-485傳遞的最大距離大概是1220m，傳遞速度的max值是10Mbps。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的研究可知，平衡式雙絞線在長(zhǎng)度與傳輸?shù)乃俾手笜?biāo)之間存在著反比例的規(guī)律。同時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，若速率數(shù)值不足100kbps的時(shí)候，才可以使得電纜的長(zhǎng)度處于max值。同時(shí)，僅僅當(dāng)間距不長(zhǎng)時(shí)才可以使得傳遞的速度最快。通常不足100m的長(zhǎng)雙絞線的最大傳遞速度只有1Mbps。RS-485所應(yīng)匹配的終端電阻數(shù)量為2個(gè)，它的阻值一般和傳遞電纜特性的阻抗數(shù)值相匹配！。如果間距較短，那么在傳遞時(shí)則不需要終端電阻設(shè)備，也就是通常不足300m時(shí)，無(wú)需配置電阻設(shè)備，一般在傳遞總線的兩端處接上電阻設(shè)備。

2）ADAM的網(wǎng)狀式構(gòu)造

RS-485-般可以在ADAM環(huán)境中進(jìn)行傳遞，單臺(tái)或是數(shù)臺(tái)監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)能夠與數(shù)臺(tái)ADAM聯(lián)合RS-485整合為數(shù)工設(shè)備的網(wǎng)狀式構(gòu)造。ADAM模塊處在基本上隔離的狀態(tài)，通過(guò)雙絞線（即DATA+聯(lián)合DATA-）即能夠進(jìn)行傳遞信息。不同的節(jié)點(diǎn)加以并行式相連，從而它們的功能不會(huì)受到某個(gè)節(jié)點(diǎn)處于閉合或是斷開狀態(tài)的消極影響。ADAM進(jìn)行組網(wǎng)的過(guò)程中，使用的結(jié)構(gòu)通常是級(jí)聯(lián)為主，星形式其次，而互聯(lián)網(wǎng)所允許的能夠?qū)ひ挼鼐W(wǎng)址的ADAM板塊個(gè)量為256，每一段所能夠相連的AMAM個(gè)數(shù)為32。如果要遞增傳遞的間距或者是網(wǎng)絡(luò)狀的拓?fù)湟髸r(shí)，則須采納ADAM-4510中繼器[10]ADAM-4000與ADAM-5000二者混合式運(yùn)用的網(wǎng)狀式構(gòu)造可具體參見下圖3所示。

2.2.3關(guān)鍵硬件設(shè)施的型號(hào)選擇簡(jiǎn)介

1）工控計(jì)算機(jī)

監(jiān)控站計(jì)算機(jī)所采納的是“研華”型工控機(jī)IPC610Pentium?IV，基礎(chǔ)的配置規(guī)格為CPU2.8CHz/512M，其內(nèi)存為80G的硬盤，和運(yùn)作組態(tài)軟件以及編程軟件的相關(guān)要求相吻合，性能比較地可靠，可以在較長(zhǎng)的時(shí)間中即使是處于不利的狀態(tài)時(shí)，亦能夠維持正常的運(yùn)作狀態(tài)。

2）ADAM4520

此硬件設(shè)施歸為不同模塊內(nèi)部的轉(zhuǎn)變，可以把RS-232的相關(guān)信息轉(zhuǎn)變?yōu)镽S-485信息，達(dá)到2個(gè)ADAM-5000體系經(jīng)由RS-485網(wǎng)狀式和監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)通信的目標(biāo)。

3）ADAM-5000體系

該體系屬于信息搜集與控制體系，其可以經(jīng)由數(shù)個(gè)途徑的I0板塊展開信息的控制、監(jiān)督與搜集工作。其外殼屬于較為堅(jiān)固態(tài)的工業(yè)等級(jí)塑料。體系的主要組成部分如下：電源板和CPU板各1個(gè)、RS232/485以及4槽或8槽的底座等。CPU在整個(gè)體系中處于核心的地位，其任務(wù)在于實(shí)現(xiàn)ADAM-5000體系的一系列基本功能。該體系可以提供自動(dòng)化數(shù)據(jù)的調(diào)控功能、模擬量I/0、數(shù)字量I/O、RS-232以及RS-485通信。ADAM-5000/485所包括的插槽數(shù)量為4個(gè)，支持1/0板塊的數(shù)量為4個(gè)。其中，I/O板塊所能夠支持的功能類型包括DI/DOIAIAO/Counter等。該系列能夠經(jīng)由ADAM-4000-5000Utility展開匹配與檢測(cè)，提供DLL的相關(guān)函數(shù)庫(kù)，目的在于為用戶進(jìn)行編程時(shí)調(diào)用。同時(shí)，提供OPCServer，目的在于應(yīng)用在與其他的軟件展開整合式運(yùn)用。

2.2.4硬件設(shè)備和組態(tài)的安置

1）硬件設(shè)備的安置和最初狀態(tài)設(shè)備的安置

硬件設(shè)備的安置不單單包括各類模塊，同時(shí)還應(yīng)配置+24V規(guī)格的電源設(shè)備，串口為直連線和RS-485規(guī)格的雙絞線，另外，須根據(jù)相關(guān)的要求展開接地式的相連。若通訊的間距比較遙遠(yuǎn)之際，須于RS-485的通訊線處的首尾處將終端的電阻設(shè)備加以并聯(lián)處理。圖4所表示的是ADAM的網(wǎng)狀形態(tài)和若千電源接線的示意圖。

在安置且接線好硬件設(shè)備之后，就各個(gè)ADAM板塊，同時(shí)還須設(shè)置好具體的網(wǎng)址，ADAM-5000網(wǎng)址經(jīng)由DIP的開關(guān)進(jìn)行8楨數(shù)據(jù)的設(shè)置，相應(yīng)的網(wǎng)址發(fā)生有效的范疇處于0～255（00H～FFH），開關(guān)處在ON方位時(shí)屬于二進(jìn)制1，而處于OFF方位時(shí)等于0。ADAM-4000地址采納的是專用型工具軟件加以安置。

接著，使用的程序?yàn)锳DAM4000/5000Setup/Utility?Program。當(dāng)處在INIT*情況時(shí)，匹配的參量主要是ADAM相應(yīng)的網(wǎng)址、輸入/輸出的范疇、波特率以及協(xié)議。

亞當(dāng)板塊通電以后，INIT*端子與GND端子進(jìn)行短接時(shí)的板塊命名為INIT*狀態(tài)。其缺省值分別如下：波特率：9600;網(wǎng)址：00H;校驗(yàn)和：無(wú)。具體設(shè)置的匹配頁(yè)面可參見下圖5所示。

2）I/O的接線分析

本論文將ADAM-5017中的8通道輸人的模擬量板塊作為例子，推介10的接線和網(wǎng)址的配置情況，具體可參見下圖6所示。

3結(jié)語(yǔ)

在智能化技術(shù)迅猛發(fā)展的背景下，智能化軟件和硬件設(shè)施的類型越來(lái)越為多元化，更新的周期也越來(lái)越短。借助于ADAM等新型技術(shù)所展開的規(guī)范化產(chǎn)品能夠達(dá)到工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)集成以及數(shù)據(jù)交互運(yùn)用，從而使得現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)控制設(shè)備達(dá)到當(dāng)場(chǎng)插和使用的目標(biāo)，也能夠使得配備ADAM技術(shù)的軟件和硬件設(shè)備產(chǎn)品顯現(xiàn)出實(shí)際的工程運(yùn)用效果。

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