一、引言
近年來,以PLC為基本控制單元,根據(jù)需要結(jié)合遠程I/O、現(xiàn)場總線、局域網(wǎng)、上位監(jiān)控PC 機及相關系統(tǒng)軟件平臺與應用程序構(gòu)成的自動化系統(tǒng),鑒于其硬件可靠性高、伸縮性強、編程簡單、系統(tǒng)容易實現(xiàn)且維護方便的特點,在工業(yè)自動化控制領域得到極其廣泛的應用。就PLC 網(wǎng)絡構(gòu)成的局域網(wǎng)而言,如Ethernet、Profibus-DP、ControlNet、Genius、RS485 串行通訊主從網(wǎng)絡等、PLC 之間多采用硬連接實現(xiàn)通訊,即通訊介質(zhì)為有界介質(zhì)(電纜、光纖)。如果被控制設備位置分散、信號采集點相距遠,布線成本將大大提高且不利于維護;或由于設備相對環(huán)境復雜或制度約束,無法進行大規(guī)模布線施工;或有移動應用需求的場合,在這些情形下,使用無界介質(zhì)(微波、紅外技術(shù))進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)等諸多領域應用開來。本文介紹的攀成鋼建材區(qū)天然氣流量微機計量系統(tǒng),就是將利用智能頻譜跳頻擴頻技術(shù)的無線通訊裝置與PLC 結(jié)合,而實現(xiàn)的多站點分布式無線PLC網(wǎng)絡系統(tǒng)。
二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
實施天然氣流量計量無線網(wǎng)絡,建立無線工作站,各個站點由PLC完成基礎數(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SCADA 系統(tǒng)。這樣一來,不但節(jié)省抄表所需的大量時間和精力,并且計量數(shù)據(jù)更加準確,實現(xiàn)了高效的現(xiàn)代化管理。同時具有分散控制、集中管理的優(yōu)勢。該系統(tǒng)包含5 個無線工作站(1 個主站、4 個從站),控制覆蓋成鋼17 處天然氣計量站點,鑒于建立一個無線工作站一次性投資較多,將工作站與天然氣計量站點—— 對應是不經(jīng)濟的。故工作站的確定依據(jù)計量站點位置相對不太遠(小于300米)就集中送PLC的原則。于是,按地理區(qū)域聚類,現(xiàn)場僅設置了4個站點。系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。
三、系統(tǒng)組成
天然氣流量計量無線網(wǎng)絡是能滿足工業(yè)實時監(jiān)控系統(tǒng)要求,完成綜合性通信任務的系統(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)絡部分采用美國DATA-LINC GROUP 提供的工業(yè)級、穩(wěn)定可靠的無線串口電臺,由于它的抗干擾能力超強且構(gòu)建的網(wǎng)絡是專用無線電網(wǎng),所以能確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定、暢通地通訊,實現(xiàn)中控室與現(xiàn)場各站點數(shù)據(jù)安全快速地交換。
2. PLC數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)
采用美國通用公司GE Fanuc推出的通用性強、配置靈活、經(jīng)濟實用的VersaMax Micro PLC 及擴展單元,經(jīng)標度轉(zhuǎn)換、溫壓補償計算、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,實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)精確地采集與控制。
3. 上位機數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控(SCADA)系統(tǒng)
組態(tài)軟件平臺采用GE 的CIMPLICITY HMI,運用該平臺設計、創(chuàng)建工程。在中控室上位監(jiān)控計算機運行工程后,可以監(jiān)測各個無線工作站的通訊狀態(tài)、顯示PLC 有無故障,當有故障時畫面會及時提示并彈出清除故障按鈕。
監(jiān)測與記錄天然氣流量瞬時值、累積值及管道壓力、環(huán)境溫度等相關參數(shù),統(tǒng)計生成報表,提供趨勢分析和報警等。
四、系統(tǒng)硬、軟件配置
1. 系統(tǒng)硬件配置
● 通訊網(wǎng)絡
DATA - L INC GROUP 公司提供的無線數(shù)傳電臺( 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),型號為IC200UAL006;擴展單元(I/O擴展模塊),型號為IC200UEX636。分別用于4 個從站,其中1#-3# 從站均為1 個主單元帶1個擴展單元,4#從站則為1 個主單元帶3 個擴展單元。
● 上位機PC
DELL 商務機210L(CPU 2.8GHZ、內(nèi)存512MB、硬盤80GB)。
五、系統(tǒng)主要硬件特性
1. 所選無線通訊設備的主要特點
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 頻段應用先進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 頻段在國際標準中為免除頻率使用許可證的公用頻段,不需要FCC點現(xiàn)場許可證。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 應用跳頻,擴頻和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), 包括點對點通訊和多點通訊。點對多點通訊方式采用輪詢。點對多點通訊時,對從站數(shù)目無限制,所以將來在任意地點均可無限增加站點與測點。并且SRM6100 可做為中繼器工作,以達到擴展通訊距離或克服阻擋物通訊的目的。其工作模式設置靈活。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,無論是點對點方式還是點對多點方式,它們在硬件上都是一樣的,只是內(nèi)部工作參數(shù)設置不同。只需使用Windows 操作系統(tǒng)所包含的“超級終端”,就可以方便地對系統(tǒng)的各臺站進行維護。
系統(tǒng)無線通訊設備選用S R M 6 1 0 0 這一工業(yè)級無線Modem 從根本上保障了系統(tǒng)可靠性、可用性、易擴充和長期可重用性。
2. 所選PLC的主要特點
VersaMax Micro PLC 是美國通用電氣GE Fanuc 推出的新一代體積小、功能強大的一體化微型PLC,其緊湊的物理設計, 節(jié)省空間的簡易安裝方式和強大的控制功能,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用場合,為用戶提供更經(jīng)濟且功能更強的解決方案。
天然氣流量計量系統(tǒng)各個從站均選用2 3 點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個擴展單元。所以系統(tǒng)各個從站根據(jù)需要增加模擬量擴展單元以擴充模擬量輸入通道。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24VDC離散輸入(正/ 負邏輯);2 通道模擬量輸入(支持0-20mA、4-20mA、0-10V)。
● 輸出
1 0 點離散輸出;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于RAM或Flash
[4] 實時時鐘
[5] 可以串接4個任意類型的擴展單元
[6] 可選梯形圖(LD)或指令表(IL)編程
[7] 內(nèi)嵌高速計數(shù)器功能、支持浮點運算、PID 控制
[8] 支持4個10KHz高速計數(shù)器輸入,5Kz 脈沖/PWM輸出等
模擬量擴展單元IC200UEX636 可提供6路模擬量擴展(4路輸入、2路輸出)。供電電源100240VAC。
天然氣流量計量系統(tǒng)中,之所以微PLC及擴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 標準模擬量信號。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通訊,在畫面上進行遠程控制與顯示。這樣就可以不用供給微PLC離散I/O的24VDC電源,從而節(jié)約設備投資。
六、系統(tǒng)軟件特性
1. PLC編程工具ME5.5
CIMPLICITY Machine Edition 是GE Fanuc 推出的一個可以在統(tǒng)一的工作平臺下同時開發(fā)多目標邏輯控制、運動控制等的新一代軟件。它提供一個公共的環(huán)境用于配置、編程、調(diào)試和維護用戶應用軟件。<