MASTER 工业控制计算机应用及编程.doc

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1、MASTER工业控制计算机应用及编程华新水泥股份有限公司设计研究院()汤君千,周 斌1 引言 MASTER分布式工业控制计算机系统(DCS)是瑞士ASEA BROWN BOVERI公司(简称ABB公司)设计开发的集散控制系统,它适用范围广泛,既可应用于离散制造业,如:机床、汽车、飞机制造等工业,更可应用于大中小型连续性生产的流程工业,如:石油、化工、火电机组、炼钢、建材等工业。MASTER DCS系统从硬件设计到软件设计,从设计思想到系统结构都不同于老的产品。它的硬件、软件和通信都采用国际标准。MASTER DCS的软件编程语言AMPL(Asea Master Piece Language)是

2、控制系统的一种编程模式,本文介绍MASTER DCS的体系结构、应用实例和AMPL语言编程环境与方法,希望对国内同行了解国外新型DCS和推动我国DCS产业的发展有所帮助。 2 MASTER分布式工业控制计算机系统体系结构 ABB MASTER集散控制系统采用先进的微处理器(33MHz的Motorola 68020和33MHz的Intel80386、80486芯片)、CRT图形显示技术、高速安全通信技术和现代控制理论,形成了以现场控制站(Master Piece系列和本地、远程I/O系列)、操作员站(Master View 系列)、工程师站(Master Aid 系列)、信息管理系统站(Adva

3、nt Station 系列)、计算机和网络接口站(Master Gate 系列)、计算机网络(Master Bus系列)和其它计算机通信设备为基础的,物理位置分散、系统功能分散、控制功能分散以及操作显示管理集中的过程控制、过程决策管理的大型智能网络。ABB的MASTER网络是一个由ABB MASTER DCS中各种结点联结在一起的局域网,MV、MP和MG在ABB MASTER系统中都作为通讯结点。ABB MASTER的通信网络结构分三层:(网络结构如图1所示)。 图1 ABB MASTER DCS工厂网络图 第一层是信息管理网络,可下联9个控制网络,网络由类型为MB300的总线组成,总线传输速

4、率达10Mbps。第二层是控制网络,可由9个类型为MB200或300的总线组成。一个控制网络可包括99个站(包括在局部控制网络中的站)。在控制网络中的每个MP200/1站都可下联一个局部控制网络。一个局部控制网络可包括9个类型为MB200或300的总线。MB300是一个高性能、串行、同步、半双工的大数据量高速总线。它采用IEEE 802.2逻辑链路控制(LLC)协议和IEEE 802.3带冲突检测的载波帧听多路存取(CSMA/CD)的介质存取控制(MAC)协议,属于Ethernet型局域网,总线可带载45个节点。在不使用中继器时,最大通讯节点距离为500m;使用3个同轴段、4个中继器和2个点对

5、点链路时最大通讯节点距离为2500m,总线传输速率为10Mbps。MB200是一个中性能、串行、异步、半双工的标准RS422快速总线,总线可带载10个节点。总线用于多点通讯时的节点距离为1000m,用于点对点通讯时,若用电缆传输最大节点距离为2000m,若用光纤传输则最大节点距离为7000m。总线传输速率为153.6kbps。第三层为现场总线网络,它是MP200/1站和现场远程I/O装置之间的通讯总线。每台MP200/1站可插四块现场总线控制器,一个控制器最多可下联16台远程I/O装置(不包括远程I/O扩展单元,每台远程I/O基本单元可带一台扩展单元)。MP200/1站和远程I/O装置之间通过

6、长总线通讯(一条长总线最多挂10台Modem),使用同轴电缆时最大通讯距离为750m,使用光缆时最大通讯距离为3000m,若用短总线通讯,则最大通讯距离为25m。总线传输速率为2Mbps或375kbps。 3 ABB MASTER工控机在水泥行业的应用 目前,国内新建、扩建的新型干法水泥生产线中有很多选用MASTER集散控制系统。下面以本厂扩建的水泥干法生产线中MASTER DCS的使用为例,介绍MASTER DCS在水泥企业的应用。华新干法生产线的MASTER DCS系统结构如图2所示,其功能如下: 图2 华新MASTER DCS网络结构图 3.1 现场控制站完成功能(1)MP280/1站监

7、控生料制备部分完成:石灰石、江沙和混合材三种原料的给料配比控制,Atox立磨出口温度控制,Atox立磨质量流量控制,生料磨部分电机成组联锁启停和阀门开关控制。(2)MP280/1站监控窑和预热器系列设备完成:窑尾高温风机出口压力控制、入窑喂料量控制、窑尾增湿塔冷却水流量控制、窑头及分解炉喂煤量控制、窑和预热器系列部分电机成组联锁启停和阀门开关控制。(3)MP280/1站监控煤粉制备部分和窑头设备完成:煤磨磨机负荷控制、磨机出口温度控制、煤粉制备系统通风量控制、窑头罩负压控制、冷却机篦下压力控制、冷却机喷水量控制、煤粉制备部分和窑头电机成组联锁启停和阀门开关控制。 MP280/1站的I/O容量为

8、4096点,本地、远程I/O装置完成全厂数据采集与控制输出功能。在水泥生产工艺中有许多信号需要检测,如温度、压力、流量等模拟信号,电机启停状态和各种开关的状态等数字信号,对执行机构进行控制的输出信号以及各种设备的起停信号等。MASTER系统配置了各种本地、远程I/O装置,来满足生产实际的需要。远程I/O装置用于离现场控制站较远设备的监控,远程I/O装置对现场TC、RTD、脉冲、电流和电压信号进行采集、数字滤波、线性补偿、标度变换等处理后,通过现场总线送到MP280/1站进行数据处理,完成预定的联锁启停和控制功能,又经现场总线送回远程I/O装置然后输出到现场。如:DSAX 452基本单元完成14

9、AI/6AO、DSDX 454L基本单元完成20DI/12DO、DSDI 453扩展单元完成32DI、DSDX 453L扩展单元完成20DI/12DO。而本地I/O板则直接插入MP280/1站中,对离MP280/1站较近的各种现场信号进行采集、变换和输出。本地、远程I/O系列与MP系列构成了完整的现场控制站。 3.2 操作员站完成功能ABB MASTER DCS的操作员站由2台MV830/1组成,每台MV830/1可接两台Tesselator(彩色图形终端)。在Tesselator上,操作员可使用操作员键盘来得到100幅各种过程显示(包括概貌显示、组显示、工艺流程图显示和报表)、20幅远程显示

10、(即其它操作员站上存储定义的过程显示)、目标显示、系统网络状态显示、过程信号和过程目标的状态列表、600项事件列表、500项报警列表、100幅历史趋势数据显示、系统报警和各种报表显示的打印等等,以对整个DCS系统状况和生产工艺流程状况了如指掌,进而通过操作员对话来处理各种显示、修改各种工艺参数、控制过程目标和控制整个生产过程。而软件编程人员使用显示设计键盘和操作员键盘进行各种显示的设计。 3.3 与其它类型计算机的通讯MASTER DCS实施开放式的系统通讯。MP280/1站可通过DSCS150板(GCOM)与包括SUPERVIEW和MP280/1在内的外部计算机进行通讯,通过DSCA180A

11、板(RCOM)在MASTER站之间进行长距离异步通讯,通过DSCA180B板联结到MODBUS和MODICON进行通讯,通过DSCA180F板和Siemens 3964?进行通讯,通过异步通讯板DSCA114上的异步串口与打印机、外部计算机、操作员站MV320进行通讯。在1号MP280/1站上插有一块DSCA114异步通讯板,接收FLSQCX质量控制系统的HP1000计算机给出的生料喂料配比值,进行三种原材料喂料配比的在线控制。FLSQCX质量控制系统对原材料、生料和熟料进行九种元素(Si、Fe、Al、Ca、Mg、K、Cl、Na、S)的成分分析,根据生产需要计算出三种原材料(石灰石、江沙和混合

12、材)的配比,然后把配比数据通过HP1000计算机的RS232口输出经DSCA 114异步通讯板送入1号MP280/1站中,由1号现场控制站完成Atox生料磨的喂料配比控制,从而使率值达到规定的工艺要求。 4 ABB MASTER工业控制机的编程 目前,国内采用ABB MASTER集散控制系统的企业,都是随成套设备从国外引进计算机控制硬件和软件,需要不少外汇。我公司在引进MASTER DCS的同时,消化吸收国外计算机软硬件资料,自行完成了全部DCS的应用软件编程,以下介绍MASTER DCS应用软件的编程环境、方法和一些体会。整个系统软件设计编程大体分为两部分。 4.1 MP280/1现场控制站

13、的控制软件编程控制软件的编程可在一台带Intel 80386或80486微处理器的IBM PC/AT兼容机(要求4MB内存、40MB硬盘、MSDOS5.0版本)上离线完成,但必须使用工程师站MA的系列软件。MA软件分四部分:(1)MA基础软件,它是后三者的基础,简称QMA220;(2)面向功能的命令,它可用来编程,但通常在调试时使用,简称QMA221;(3)MP200系列功能图编辑,它是MP200的编程环境,简称QMA222;(4)MP90系列功能图编辑,它是MP90的编程环境,简称QMA223。而现场调试则必须在工程师站MA上或带MA工程板的IBM PC/AT兼容机上进行。编程首先要进行数据

14、库元素的定义,连接到系统的所有过程信号必须被预先定义,因此当我们开发应用程序时,可使用信号名对信号进行连接。 每台MP280/1中应用程序的个数(即PCPGM的个数)最多为99个,按照功能分为两大类:一类是电机、阀门的成组启停联锁程序(由GENUSD元素控制本程序组的电机、阀门成组启停和现场起动的允许),另一类是PID调节、比例调节、手动调节控制程序。通常按照控制任务的结构来划分控制程序,将控制任务划分成单独启停和修改相互无关的程序段,以使系统的调试、开发和维护都极其方便。用AMPL语言所写的程序结构可用结构树表示,通过编程辅助的直接对话进行设计。结构单元(PCPGM、CONTRM、MASTE

15、R、SLAVEM、BLOCK、FUNCM、STEP、SEQ)可象控制模块那样被插入程序中,以概括或控制一个或多个控制功能。PCPGM用于鉴定和启动整个程序,CONTRM则限制和运行程序,在继续向下分层的结构中,顺序/步位、主/从功能模块也可实现。经过多次调试比较及对MASTER系统中数据库元素、PC元素和功能单元的实际运用,我们根据建材工业自动控制的特点,制定出使用AMPL语言编制MASTER控制程序的标准模式,也为今后的进一步开发打下基础。 在控制程序的调试过程中,我们用MA220决定启动哪一部分,按照在一定控制规则下一步一步启停的方法来对全厂进行调试,如果全厂的运行不符合预想的情况,通常从

16、MV操作员站上可查出毛病所在;若不能,则必须使用MA220面向功能的命令来跟踪。如:实时动态显示所有功能元素的端子值和符号变量值等。并且逐步翻阅程序,以跟随信号和跟踪不满意的逻辑条件直至找到错误。 4.2 MV830/1操作员站的过程显示设计与应用组态整个MV830/1操作员站的工作根据性质分为两类:第一类是工艺流程图显示设计,设计步骤依次为静态显示设计、动态显示设计和显示集成(编译)。静态显示设计是从一个符合国际标准的符号库或由我们自己建立的符号中选择工艺设备符号和划线来设计工艺流程画面。我们可以随意选择颜色和大小。动态显示设计是在静态画面基础上,在屏幕任意光标处定义可以动态显示相应信号或目

17、标类型(AI、AO、PIDCON等)的动态点。动态点定义的显示元素的名字共由七个字符组成:前两个字符由功能单元派生出来,也包括几个特殊的应用(DR、DB=DAT通讯元素,RE=REPORTS报告,GA=GROUP ALARMS组报警,ST=STATUS LIST状态列表,TD=TEXT HANDLING文本处理);接下来的两个指明使用的过程目标的类型(如泵、阀门);随后给出显示元素的颜色;最后两个指明显示元素的大小。 完成的显示以PROC.01PROC.100的名字存在系统显示文件中。在显示设计中,避免使用红、黄、绿和白色,这些颜色已被报警等功能占用。经常使用的结构复杂的图形应当被设计作为符号

18、(使用符号编辑功能)。设计不要占用系统报警行、对话行和系统信息行。第二类是各种应用组态,包括趋势记录组态、趋势显示组态、多趋势组态、状态列表组态、过程段的分配和显示选择键的定义。趋势记录组态的步骤依次为:(1)定义占用内存空间的大小;(2)记录的建立、参数设置和填充;(3)系统日期和时间的设置;(4)趋势记录的组态;(5)趋势显示的组态。通常趋势记录的装载不影响系统的控制功能,然而一个过高的装载将导致未完成的记录,这时必须重新修改数据库元素TTDLOG的参数值:(1)尽可能选较大采样延时;(2)尽可能选较长采样间隔(特殊的记录要求短的采样间隔);(3)用置TOT_VAR为构造变量的数值来删除一

19、些空余变量。如果装载要求进一步减少,那么:(1)选较长的记录间隔;(2)分布全体变量到几个记录中;(3)减少变量数。状态列表是对不同过程信号、目标和中间变量状态的摘录。过程段的分配是把过程信号和目标分或不分到几类中,以使它们的报警和列表分配到不同的Tesselator和打印机中,并且在不同的Tesselator上定义不同的操作员权限,确切的说,这也就是显示功能和操作功能在Tesselator上的分配。显示选择键的定义意味着每个过程显示在操作员键盘上有10个动态键可直接进入10个其他任选的显示,这10个显示可以是100个过程显示和100个趋势显示中任一个。最后三种组态只要在系统提示下正确会话即可完成。 5 结语 我们在分布式工业控制系统的应用软件编程中做了一些探索,并在现有的生产线上应用,取得了一定的成绩,愿这将对我国较大型工业控制系统应用软件逐步走向国产化起到积极的作用。