一、引言
近年來,以PLC為基本控制單元,根據(jù)需要結(jié)合遠(yuǎn)程I/O、現(xiàn)場(chǎng)總線、局域網(wǎng)、上位監(jiān)控PC 機(jī)及相關(guān)系統(tǒng)軟件平臺(tái)與應(yīng)用程序構(gòu)成的自動(dòng)化系統(tǒng),鑒于其硬件可靠性高、伸縮性強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)且維護(hù)方便的特點(diǎn),在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域得到極其廣泛的應(yīng)用。就PLC 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的局域網(wǎng)而言,如Ethernet、Profibus-DP、ControlNet、Genius、RS485 串行通訊主從網(wǎng)絡(luò)等、PLC 之間多采用硬連接實(shí)現(xiàn)通訊,即通訊介質(zhì)為有界介質(zhì)(電纜、光纖)。如果被控制設(shè)備位置分散、信號(hào)采集點(diǎn)相距遠(yuǎn),布線成本將大大提高且不利于維護(hù);或由于設(shè)備相對(duì)環(huán)境復(fù)雜或制度約束,無法進(jìn)行大規(guī)模布線施工;或有移動(dòng)應(yīng)用需求的場(chǎng)合,在這些情形下,使用無界介質(zhì)(微波、紅外技術(shù))進(jìn)行通訊軟連接的無線局域網(wǎng)將是有效的解決方案。微波無線通訊技術(shù),如擴(kuò)頻技術(shù)(直接序列、跳頻),以前還主要用于軍用系統(tǒng),如今已在民用、工業(yè)等諸多領(lǐng)域應(yīng)用開來。本文介紹的攀成鋼建材區(qū)天然氣流量微機(jī)計(jì)量系統(tǒng),就是將利用智能頻譜跳頻擴(kuò)頻技術(shù)的無線通訊裝置與PLC 結(jié)合,而實(shí)現(xiàn)的多站點(diǎn)分布式無線PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
實(shí)施天然氣流量計(jì)量無線網(wǎng)絡(luò),建立無線工作站,各個(gè)站點(diǎn)由PLC完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與控制后,經(jīng)無線傳輸將PLC 數(shù)據(jù)送到中控室上位機(jī)SCADA 系統(tǒng)。這樣一來,不但節(jié)省抄表所需的大量時(shí)間和精力,并且計(jì)量數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確,實(shí)現(xiàn)了高效的現(xiàn)代化管理。同時(shí)具有分散控制、集中管理的優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)包含5 個(gè)無線工作站(1 個(gè)主站、4 個(gè)從站),控制覆蓋成鋼17 處天然氣計(jì)量站點(diǎn),鑒于建立一個(gè)無線工作站一次性投資較多,將工作站與天然氣計(jì)量站點(diǎn)—— 對(duì)應(yīng)是不經(jīng)濟(jì)的。故工作站的確定依據(jù)計(jì)量站點(diǎn)位置相對(duì)不太遠(yuǎn)(小于300米)就集中送PLC的原則。于是,按地理區(qū)域聚類,現(xiàn)場(chǎng)僅設(shè)置了4個(gè)站點(diǎn)。系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

三、系統(tǒng)組成
天然氣流量計(jì)量無線網(wǎng)絡(luò)是能滿足工業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)要求,完成綜合性通信任務(wù)的系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由三大部分組成:無線通訊系統(tǒng);PLC數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng);上位機(jī)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控(SCADA)系統(tǒng)。
1. 無線通訊系統(tǒng)
通訊網(wǎng)絡(luò)部分采用美國(guó)DATA-LINC GROUP 提供的工業(yè)級(jí)、穩(wěn)定可靠的無線串口電臺(tái),由于它的抗干擾能力超強(qiáng)且構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)是專用無線電網(wǎng),所以能確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定、暢通地通訊,實(shí)現(xiàn)中控室與現(xiàn)場(chǎng)各站點(diǎn)數(shù)據(jù)安全快速地交換。
2. PLC數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)
采用美國(guó)通用公司GE Fanuc推出的通用性強(qiáng)、配置靈活、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的VersaMax Micro PLC 及擴(kuò)展單元,經(jīng)標(biāo)度轉(zhuǎn)換、溫壓補(bǔ)償計(jì)算、累積處理、PLC 故障及I/O 故障控制、累積值清零等編程處理后,實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)精確地采集與控制。
3. 上位機(jī)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控(SCADA)系統(tǒng)
組態(tài)軟件平臺(tái)采用GE 的CIMPLICITY HMI,運(yùn)用該平臺(tái)設(shè)計(jì)、創(chuàng)建工程。在中控室上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)運(yùn)行工程后,可以監(jiān)測(cè)各個(gè)無線工作站的通訊狀態(tài)、顯示PLC 有無故障,當(dāng)有故障時(shí)畫面會(huì)及時(shí)提示并彈出清除故障按鈕。
監(jiān)測(cè)與記錄天然氣流量瞬時(shí)值、累積值及管道壓力、環(huán)境溫度等相關(guān)參數(shù),統(tǒng)計(jì)生成報(bào)表,提供趨勢(shì)分析和報(bào)警等。
四、系統(tǒng)硬、軟件配置
1. 系統(tǒng)硬件配置
● 通訊網(wǎng)絡(luò)
DATA - L INC GROUP 公司提供的無線數(shù)傳電臺(tái)( 包含SRM6100 無線串口調(diào)制解調(diào)器、12VDC直流穩(wěn)壓電源、全向天線及接地套件等附件)。每站一套,共5 套。
● 控制器PLC
GE公司提供的VersaMax Micro PLC主單元(CPU模塊),型號(hào)為IC200UAL006;擴(kuò)展單元(I/O擴(kuò)展模塊),型號(hào)為IC200UEX636。分別用于4 個(gè)從站,其中1#-3# 從站均為1 個(gè)主單元帶1個(gè)擴(kuò)展單元,4#從站則為1 個(gè)主單元帶3 個(gè)擴(kuò)展單元。
● 上位機(jī)PC
DELL 商務(wù)機(jī)210L(CPU 2.8GHZ、內(nèi)存512MB、硬盤80GB)。
五、系統(tǒng)主要硬件特性
1. 所選無線通訊設(shè)備的主要特點(diǎn)
系統(tǒng)所選DATA-LINC GROUP 的SRM6100 無線電調(diào)制解調(diào)器能提供最可靠和最高性能的串行無線通訊方案。通過在2.4GHz -2.483GHz 頻段應(yīng)用先進(jìn)的智能頻譜跳頻技術(shù),SRM6100 可提供最可靠和有力的通訊。2.4GHZ 頻段在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中為免除頻率使用許可證的公用頻段,不需要FCC點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)許可證。在無阻擋物的情況下,兩調(diào)制解調(diào)器之間的通訊距離可達(dá)32.18 公里(20 英里)。最大程度的抗干擾可用于高噪聲環(huán)境,所以適用于鋼鐵業(yè)等惡劣環(huán)境,SRM6100 應(yīng)用跳頻,擴(kuò)頻和32 位誤碼矯正技術(shù)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?BR>
S RM6 1 0 0 支持多種組態(tài), 包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊和多點(diǎn)通訊。點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通訊方式采用輪詢。點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通訊時(shí),對(duì)從站數(shù)目無限制,所以將來在任意地點(diǎn)均可無限增加站點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)。并且SRM6100 可做為中繼器工作,以達(dá)到擴(kuò)展通訊距離或克服阻擋物通訊的目的。其工作模式設(shè)置靈活。SRM6100 在系統(tǒng)中,無論是作為主站、從站中繼站或是從站/ 中繼站,無論是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式還是點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)方式,它們?cè)谟布隙际且粯拥?,只是?nèi)部工作參數(shù)設(shè)置不同。只需使用bbbbbbs 操作系統(tǒng)所包含的“超級(jí)終端”,就可以方便地對(duì)系統(tǒng)的各臺(tái)站進(jìn)行維護(hù)。
系統(tǒng)無線通訊設(shè)備選用S R M 6 1 0 0 這一工業(yè)級(jí)無線Modem 從根本上保障了系統(tǒng)可靠性、可用性、易擴(kuò)充和長(zhǎng)期可重用性。
2. 所選PLC的主要特點(diǎn)
VersaMax Micro PLC 是美國(guó)通用電氣GE Fanuc 推出的新一代體積小、功能強(qiáng)大的一體化微型PLC,其緊湊的物理設(shè)計(jì), 節(jié)省空間的簡(jiǎn)易安裝方式和強(qiáng)大的控制功能,使之非常適合于低成本、安裝空間有限、處理速度要求又高的應(yīng)用場(chǎng)合,為用戶提供更經(jīng)濟(jì)且功能更強(qiáng)的解決方案。
天然氣流量計(jì)量系統(tǒng)各個(gè)從站均選用2 3 點(diǎn)VersaMaxMicro PLC( IC200UAL006)作控制,此Micro PLC 內(nèi)嵌兩路模擬量輸入,但可以連接4個(gè)擴(kuò)展單元。所以系統(tǒng)各個(gè)從站根據(jù)需要增加模擬量擴(kuò)展單元以擴(kuò)充模擬量輸入通道。此Micro PLC 的主要技術(shù)參數(shù)如下:
● 接口
提供兩個(gè)串口。串口1(RS232)支持SNP/SNPX 協(xié)議從模式;串口2(RS485)支持SNP/SNPX 和RTU 主、從模式及序列I/O 通訊協(xié)議。
● 輸入
13 點(diǎn)24VDC離散輸入(正/ 負(fù)邏輯);2 通道模擬量輸入(支持0-20mA、4-20mA、0-10V)。
● 輸出
1 0 點(diǎn)離散輸出;1 通道模擬量輸出( 支持0 - 2 0mA 、4-20mA、0-10V)。
● 供電電源
100-240VAC
● CPU特性
[1] 18K字節(jié)內(nèi)存
[2] 1us 每布爾指令
[3] 配置與用戶程序可選存儲(chǔ)于RAM或Flash
[4] 實(shí)時(shí)時(shí)鐘
[5] 可以串接4個(gè)任意類型的擴(kuò)展單元
[6] 可選梯形圖(LD)或指令表(IL)編程
[7] 內(nèi)嵌高速計(jì)數(shù)器功能、支持浮點(diǎn)運(yùn)算、PID 控制
[8] 支持4個(gè)10KHz高速計(jì)數(shù)器輸入,5Kz 脈沖/PWM輸出等
模擬量擴(kuò)展單元IC200UEX636 可提供6路模擬量擴(kuò)展(4路輸入、2路輸出)。供電電源100240VAC。
天然氣流量計(jì)量系統(tǒng)中,之所以微PLC及擴(kuò)展單元均選用交流供電類型,是由于該系統(tǒng)所有輸入都為變送器輸出的4-20MA 標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號(hào)。而所需的離散量控制不用物理I/O,而用虛擬寄存器形式與上位機(jī)通訊,在畫面上進(jìn)行遠(yuǎn)程控制與顯示。這樣就可以不用供給微PLC離散I/O的24VDC電源,從而節(jié)約設(shè)備投資。
六、系統(tǒng)軟件特性
1. PLC編程工具M(jìn)E5.5
CIMPLICITY Machine Edition 是GE Fanuc 推出的一個(gè)可以在統(tǒng)一的工作平臺(tái)下同時(shí)開發(fā)多目標(biāo)邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制等的新一代軟件。它提供一個(gè)公共的環(huán)境用于配置、編程、調(diào)試和維護(hù)用戶應(yīng)用軟件。其強(qiáng)大功能可以大大縮短應(yīng)用軟件開發(fā)、調(diào)試時(shí)間。主要特點(diǎn)如下:
● 統(tǒng)一的用戶界面
● 一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)(交叉參考、變量表等)
● 符號(hào)編程
● 即拖即放功能
● Test 修改編輯模式
● 強(qiáng)大的在線幫助窗口
天然氣流量計(jì)量系統(tǒng)中,4 個(gè)從站PLC 的配置組態(tài)和邏輯程序用ME 5.5 可以一次完成。因ME5.5 支持多目標(biāo)邏輯控制,只需創(chuàng)建一個(gè)新工程,在該工程中插入4 個(gè)目標(biāo),分別對(duì)應(yīng)4個(gè)從站,創(chuàng)建與每個(gè)從站對(duì)應(yīng)的PLC硬件及編寫PLC邏輯程序,設(shè)置4 個(gè)PLC 的通訊方式,由于每個(gè)PLC 串口1 要連接SRM6100,要注意其通訊參數(shù)必須與SRM6100 設(shè)置的一致。由于系統(tǒng)采用點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)模式,上位機(jī)為MODBUS RTU 主站,4 個(gè)PLC 通訊協(xié)議均為MODBUS RTU 從模式,設(shè)置不同的站號(hào)分配給它們。利用ME5.5 提供的“Validate All”,校驗(yàn)整個(gè)工程,無錯(cuò)誤和警告后,分別激活各目標(biāo)將配置和邏輯程序下裝到4個(gè)從站PLC裝置中。
2. 上位機(jī)SCADA系統(tǒng)軟件
主站上位機(jī)SCADA是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的終端環(huán)節(jié)。SCADA監(jiān)控軟件程序使用CIMPLICITY HMI PE 6.0開發(fā)。CIMPLICITY HMI 軟件是GE Fanuc 在數(shù)十年工業(yè)自動(dòng)化經(jīng)驗(yàn)積累基礎(chǔ)上,與微軟Microsoft 合作開發(fā)的業(yè)界最優(yōu)秀的人機(jī)界面軟件之一,它功能強(qiáng)大并易于使用,可運(yùn)行于 bbbbbbsNT/2000/XP 環(huán)境,采用 Win32 標(biāo)準(zhǔn)和32 位代碼,是真正的客戶/ 服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)。其主要特點(diǎn)如下:
● 易學(xué)易用的監(jiān)控畫面編輯功能
● 支持拖放和動(dòng)態(tài)測(cè)試
● 內(nèi)嵌3000 多種常用圖庫(kù)
● 允許導(dǎo)入OLE、bbbbfile、ActiveX 對(duì)象
● 支持OPC、ODBC 開放數(shù)據(jù)庫(kù)連接、DDE
● 豐富的報(bào)警功能
● 強(qiáng)大的日志功能
● 同類產(chǎn)品無法比擬的開放性,可以與數(shù)千種第三方廠家的PLC、DCS、儀表等互連
在天然氣流量計(jì)量系統(tǒng)主站監(jiān)控P C 機(jī)上, 使用CIMPLICITY HMI PE6.0 創(chuàng)建新工程,定義工程屬性(協(xié)議與選項(xiàng));定義資源、角色、用戶;使用協(xié)議的端口以及系統(tǒng)占用端口的設(shè)備;系統(tǒng)點(diǎn)標(biāo)識(shí)(設(shè)備點(diǎn)或虛擬點(diǎn));編輯系統(tǒng)畫面。利用VB(工程屬性Basic Control 選項(xiàng))或?qū)ο髮傩皂?yè)創(chuàng)建動(dòng)態(tài)事件與連接。系統(tǒng)畫面包括主畫面、管道圖、數(shù)顯圖、趨勢(shì)圖、報(bào)表、報(bào)警等。由于在每個(gè)畫面中,必須對(duì)4 個(gè)從站的數(shù)據(jù)都能實(shí)時(shí)監(jiān)控。將端口協(xié)議定為MODBUS RTU,創(chuàng)建4 個(gè)RTU 從站與 4個(gè)GE PLC 相對(duì)應(yīng)。運(yùn)行工程后,調(diào)用系統(tǒng)各個(gè)畫面,能夠監(jiān)視到各個(gè)工作站的運(yùn)行狀態(tài)、各種檢測(cè)值及相關(guān)參數(shù),提供實(shí)時(shí)及歷史數(shù)據(jù)分析、報(bào)表、報(bào)警等。
● PLC編程軟件工具
ME5.55(GE CIMPLICITY Machine Edition)。
● 上位機(jī)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控SCADA軟件平臺(tái)
PE6.0(GE CIMPLICITY HMI Plant Edition)。










