1 引言

ifix是全球最領(lǐng)先的hmi/scada自動化監(jiān)控組態(tài)軟件，已有超過300，000套以上的軟件在全球運行。intellution公司的ifix作為第三方軟件，具有強大的scada和hmi功能，并且提供了與多種plc進行通訊的i/o驅(qū)動程序，可與多種plc直接接口，在國內(nèi)外其他工業(yè)控制領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。本項目采用ifix作為支撐平臺，充分利用ifix提供的各種服務(wù)和資源，開發(fā)了一個有色金屬冶金熱風爐自動控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)概要

熱風爐自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖 1 熱風爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

plc完成數(shù)據(jù)的采集、處理和控制。plc所要采集的模擬量數(shù)據(jù)包括：熱風爐各位置的溫度、壓力、冷風總支管流量、溫度、壓力，熱風流量、發(fā)生爐煤氣流量、溫度、壓力，助燃風機電流、頻率等等，由變送器輸入；開關(guān)量數(shù)據(jù)為所有熱風爐控制閥門的啟/停狀態(tài)，比如熱風閥開、熱風閥關(guān)、熱風閥集中控制，由繼電器接點輸入。控制功能包括模擬量調(diào)節(jié)和開關(guān)量控制。其中模擬量調(diào)節(jié)包括發(fā)生爐煤氣流量調(diào)節(jié)、空氣流量調(diào)節(jié)以及助燃風機頻率調(diào)節(jié)等，由pid運算實現(xiàn)，輸出控制調(diào)節(jié)閥的開度；開關(guān)量控制包括控制各個閥門的自動啟/停、助燃風機啟/停、緊急休風的閥門閉合。數(shù)據(jù)處理包括：參數(shù)越上限或越下限報警及連鎖，設(shè)備異常報警、電源故障報警等。上位機監(jiān)控系統(tǒng)由ifix軟件實現(xiàn)，包括scada系統(tǒng)和hmi圖形系統(tǒng)。scada系統(tǒng)通過與plc建立通訊關(guān)系，讀取實時數(shù)據(jù)并形成實時數(shù)據(jù)庫；hmi圖形系統(tǒng)顯示實時數(shù)據(jù)和報警信息、記錄歷史數(shù)據(jù)、打印報表、修改設(shè)定參數(shù)以及實現(xiàn)軟手動控制等。本系統(tǒng)選用的plc系統(tǒng)為abb公司的ac300集散控制系統(tǒng)，通訊方式為dcom通訊協(xié)議。

3 scada系統(tǒng)

上位機scada系統(tǒng)的最基本功能就是數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)管理，ifix通過軟件接口i/o驅(qū)毒程序與plc直接建立通訊來讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)管理則通過數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)。

i/o驅(qū)動程序是連接硬件設(shè)備和scada服務(wù)器的通訊程序，它能夠?qū)νㄓ嶅e誤進行自動檢測、報告和恢復(fù)，并且提供對通訊的冗余支持。由于控制設(shè)備多種多樣，而且各自所采用的通訊協(xié)議也各不相同，因此，intellution公司提供了各種與常用控制設(shè)備進行通訊的高性能的i/o驅(qū)動程序。在設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)時，為了使scada服務(wù)器能與硬件設(shè)備建立通訊，首先必須根據(jù)硬件設(shè)備選擇相應(yīng)的i/o驅(qū)動程序并對其進行正確配置。i/o驅(qū)動程序的配置由配置軟件來實現(xiàn)，他設(shè)置通訊口及其參數(shù)，控制器的名稱以及scada服務(wù)器所要訪問的控制器中的i/o地址、數(shù)據(jù)類型等。系統(tǒng)運行時，自動啟動i/o驅(qū)動程序，而且配置文件也將被自動載入運行。

圖 2 數(shù)據(jù)傳輸流程圖1

4 實時數(shù)據(jù)庫“塊”系統(tǒng)設(shè)計

ifix采用面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫設(shè)計方法。數(shù)據(jù)庫中的主要元素是“塊”，不同的塊將完成不同的功能。將多個塊按順序連接起來，就組成了“鏈”。在鏈中，數(shù)據(jù)塊順序傳遞，可實現(xiàn)特定的功能。ifix提供的“塊”，安功能及其在鏈中的位置，可以分為“初級塊”和“次級塊”。“初級塊”直接與i/o驅(qū)動程序交換數(shù)據(jù)，位于鏈的首位，可單獨使用；“次級塊”從“初級塊”或上一級塊獲得數(shù)據(jù)，不能位于鏈的首位，也不能單獨使用。“初級塊”和“次級塊”又分別包含了多種類型的塊。

4.1 塊類型的選擇

在熱風爐自動控制系統(tǒng)設(shè)計中，為了讀寫plc中設(shè)備的參數(shù)值，采用了“初級塊”中的ai塊(模擬量輸入塊)，ar(模擬量寄存器)塊，ao(模擬量輸出)塊，di(數(shù)字量輸入)塊，dr(數(shù)字量寄存器)塊，do(數(shù)字量輸出)塊。ai塊和di塊在每一個掃描周期，當sac(掃描、報警、控制)程序掃描該塊時，都會向i/o驅(qū)動程序發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)傳輸流程如圖2所示。

ar塊和dr塊也能從i/o驅(qū)動程序讀或者寫數(shù)據(jù)，但它們不需要sac程序的支持，而且只是在引用該數(shù)據(jù)塊的畫面打開時才傳輸數(shù)據(jù)，因此，該塊占用的內(nèi)存最小且可以提高sac程序的運行性能。數(shù)據(jù)傳輸流程如圖3所示。

圖 3 數(shù)據(jù)傳輸流程圖2

在數(shù)據(jù)庫設(shè)計時，靜態(tài)數(shù)據(jù)(如：pid控制的設(shè)定值、參數(shù)報警極限、連鎖控制限制、計數(shù)器定值等)采用寄存器塊，以提高系統(tǒng)的運行性能；而測量參數(shù)則采用參數(shù)輸入塊，以保證實時性。

4.2 塊的參數(shù)配置

數(shù)據(jù)庫塊具有多種屬性參數(shù)，有的是只讀參數(shù)，有的可以讀/寫，對其參數(shù)的不同設(shè)置將影響到數(shù)據(jù)的準確性。

(1)i/o地址(a_ioad)的設(shè)定。塊參數(shù)a_ioad(i/o地址)指定該塊讀取數(shù)據(jù)的地址，以ascii碼表示，設(shè)置格式為：device：address，其中，device為i/o驅(qū)動程序中配置的控制器的名稱；address表示i/o點的地址，與i/o驅(qū)動程序中配置的i/o點的地址具有相同的格式。

(2)標度轉(zhuǎn)換(a_iosc)的設(shè)定。對于模擬量數(shù)據(jù)來說，從控制器中讀取的原始數(shù)據(jù)往往是以數(shù)字形式表示的，如以無符號整數(shù)表示，但對于操作人員，需要知道的確是以工程單位表示的具有實際物理意義的數(shù)，如以mpa表示的壓力值，因此，需要對原始數(shù)據(jù)進行交換。塊的a_iosc參數(shù)的選擇綜合考慮了i/o點原始數(shù)據(jù)的類型、取值范圍及是否進行范圍超限監(jiān)測、報警等因素。

(3)掃描時間(a_scant)的設(shè)定。定時掃描的數(shù)據(jù)塊，掃描時間的設(shè)定格式為time：phase，time為sac掃描時間的間隔，phase為在該時間間隔內(nèi)，掃描該塊的起始時間。例如，設(shè)定block1塊的掃描時間為5:1，則sac每隔5秒執(zhí)行一次掃描，每個掃描周期開始后1秒掃描block1塊。對于具有相同掃描時間的數(shù)據(jù)塊，為其分配不同的掃描起始時間，可以避免cpu同時處理太多數(shù)據(jù)，從而提高系統(tǒng)的運行性能，這對大型系統(tǒng)尤為重要。

5 上位機hmi的實現(xiàn)

利用ifix提供的各種圖形對象、控件和內(nèi)嵌的vba，設(shè)計開發(fā)了圖形化的人機交互界面。

5.1 實時數(shù)據(jù)顯示

scada服務(wù)器是后臺運行的，在運行模式下，其數(shù)據(jù)庫參數(shù)對用戶是不可見的，因此，使用大量的圖形對象直觀地顯示實時數(shù)據(jù)，對模擬量參數(shù)，采用“數(shù)據(jù)連接(datalink)”對象，它與數(shù)據(jù)庫的連接如下：
picture.datalink1.format1.source=fix32.thisnode.tag.fcv，格式中，picture為顯示圖形對象的畫面名稱，thisnode為本監(jiān)控系統(tǒng)的名稱，tag為數(shù)據(jù)庫塊的名稱，fcv為該數(shù)據(jù)庫塊的當前值。對于重要的控制參數(shù)(煤氣流量、冷風流量、助燃空氣流量、總管壓力等)，分別采用實時曲線顯示一個小時內(nèi)參數(shù)的變化趨勢，以了解控制器的條件品質(zhì)，實時曲線通過調(diào)用“chart”對象實現(xiàn)。

對數(shù)字量參數(shù)，采用“shape”類對象前景色的變化來模擬其狀態(tài)的變化，它與數(shù)據(jù)庫的連接方式如下：

picture.oval1.aninatedforegroudcolor.source=fix32.thisnode.tag.fcv.

5.2 歷史數(shù)據(jù)記錄與報表打印

歷史數(shù)據(jù)庫的形成由后臺運行程序“htc.exe”完成，該程序以定時存儲的方式記錄了最近30天內(nèi)的一些重要的運行參數(shù)(煤氣流量、壓力、冷風流量、壓力、熱風流量、溫度、總管壓力等)，以備今后查看或進行故障分析。歷史數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)文件的形式存儲，通過“chart”對象顯示30天內(nèi)任一天的參數(shù)變化曲線，同時，也可以用報表的形式打印出來。打印程序由vba編程實現(xiàn)，它通過sql語言查詢數(shù)據(jù)庫，并調(diào)用excel形成指定格式的報表。

5.3 故障報警

系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)異常情況是，通過報警提醒操作人員。報警采用三種方式：改變“數(shù)據(jù)連接”對象的顏色、彈出報警畫面、聲光報警。三種方式都是通過編寫事件驅(qū)動的后臺運行的調(diào)度程序(scheduler)來實現(xiàn)，數(shù)據(jù)顏色的變化通過改變圖形對象的前景色屬性來實現(xiàn)，例如，正常運行時，閥門的顏色用綠色顯示，閥門關(guān)到位是用紅色顯示，閥門故障時用黃色閃爍顯示，閥門中間狀態(tài)用藍色顯示。報警畫面采用“報警總匯(alarm summary)”圖形對象，該對象顯示報警的參數(shù)、類別、狀態(tài)等。聲光報警通過報警事件觸發(fā)儀表柜上的聲光報警器實現(xiàn)。

5.4 設(shè)定參數(shù)修改

系統(tǒng)在運行過程中，隨著運行工況的變化，可能需要對各種閥門開度的設(shè)定值、壓力、溫度報警上/下限、設(shè)備連鎖上/下限等過程控制參數(shù)進行修改。對這些參數(shù)的修改將會影響到系統(tǒng)的性能和設(shè)備的安全，因此，為了保證系統(tǒng)的安全，設(shè)置了兩個操作權(quán)限，即操作員和管理員級。當操作權(quán)限為操作員級時，只能對參數(shù)進行查看，修改部分參數(shù)，但不能退出系統(tǒng)；為管理員級時，能執(zhí)行所有才做。系統(tǒng)啟動時，缺省的操作權(quán)限為操作員級，若想修改程序或退出系統(tǒng)，則需要按照用戶名和密碼登陸為管理員。另外，根據(jù)操作安全的需要，對系統(tǒng)設(shè)置了環(huán)境保護，啟動時自動全屏顯示，并屏蔽了可能導(dǎo)致誤操作的組合鍵，使系統(tǒng)運行更加安全、可靠。

6 結(jié)束語

項目已在韶關(guān)冶煉廠熱風爐系統(tǒng)中獲得應(yīng)用。該系統(tǒng)采用abb公司的ac800m系列plc，上位機采用dell工業(yè)服務(wù)器，下位機與上位機通過abb的網(wǎng)卡相連，i/o驅(qū)動采用dcom通訊協(xié)議，利用ifix的opc驅(qū)動。運行結(jié)果表明，熱風爐各個閥門開/關(guān)全部實現(xiàn)自動控制；調(diào)節(jié)參數(shù)波動小，連鎖程序穩(wěn)定有效。上位機系統(tǒng)運行穩(wěn)定，使用方便，操作簡單；整套系統(tǒng)具有較高的自動化水平，達到了設(shè)計目的。

利用ifix提供的scada組件，采用i/o驅(qū)動程序與不同廠家的plc進行接口以獲取數(shù)據(jù)，用數(shù)據(jù)庫來管理數(shù)據(jù)；利用hmi提供的圖形對象顯示和監(jiān)控數(shù)據(jù)，保證的數(shù)據(jù)高度的完整性。實踐表明，本系統(tǒng)運行穩(wěn)定，自動化程度高，具有較好的應(yīng)用前景。