基于现场总线技术的冷站CIMS系统设计与集成

1  引言
      cims系统是一个以企业网络为基础把企业经营决策、管理、计划、调度、过程优化、故障诊断、现场控制等信息统一进行优化处理的系统。文章以某卷烟厂动力车间冷站cims系统改造设计为例，就该冷站cims系统实现的相关技术作了比较深入的讨论。

2  cims系统集成的实现技术
      在构建cims系统时，控制与信息网络互联具有重要意义，在该冷站cims系统设计中以支持opc技术的组态软件为纽带，实现控制与信息网的集成。
2.1  opc技术
      opc是实现控制系统现场设备级与过程监控级间信息互联的关键技术[4][5]。它以微软的（分布式）组件对象模型为基础，采用客户/服务器模式，按照面向对象的原则，将一个应用程序（opc服务器）作为一个对象封装起来，只将接口方法暴露在外面，客户以统一的方式去调用，使用户从低层的开发中脱离出来。opc可实现远程调用，使应用程序的分布与系统硬件的分布无关，便于系统硬件配置，从而使系统的应用范围更广。实际上，opc是提供了一种机制，使系统能够以标准的方式从数据源获取数据并将其传递给任何客户程序。
      opc服务器是数据的供应方，负责为 opc客户端提供所需的数据;opc客户端是数据的使用方，opc服务器作为现场总线体系结构的中间层，将现场信号按照统一的标准与 scada、hmi等软件无缝连接起来，把硬件和应用软件有效地分开. opc服务器对下层设备提供接口，使现场的各种过程信息能够进入opc服务器，从而实现向下互联;opc服务器还对上层设备提供标准的接口，使上层信息网络（intranet）设备能够取得 opc服务器中的数据，从而实现向上互联，这两种互联都是双向的。通过opc接口就能访问所有提供了opc服务器的现场设备,实现与现场设备的通信。

2.2  监控组态软件
      为设备配套方便，系统使用rsview32组态软件。该组态软件通过其绘图工具可生成各种图形对象或文本，提供了大量的工业设备图形、仪表符号，还提供趋势图、历史曲线、组数据分析图等图形库，可以直接使用其它绘图软件包如autocad、coreldraw等生成的对象。它提供的图形化用户界面gui友好，包括一整套windows风格的窗口、弹出菜单、按钮、消息区、工具栏、滚动条和监控画面等，其动画控制功能画面丰富多彩，可以激活图形对象以使它反映出过程变化，为设备的正常运行、操作人员的集中监控提供了极大的方便。此外，其重要的特点是具有强大的通信功能、良好的开放性以及数据库资源共享[6]。
（1） 数据库资源共享
      开放式设计可以很容易地与microsoft产品共享信息，其实时标签数据库是odbc[7]兼容数据库，可以利用其它数据库工具如:microsoft access、sybase、sql server等浏览并管理标签，实现本地控制单元与上位机之间数据和信息共享，为用户提供更为集中的数据操作环境，实现信息集中管理。
（2） 强大的通信功能
　　该组态软件能与多种通信协议互联，支持多种硬件设备，如allen-bradley、modicon、siemens、omron等公司的各种型号plc，适应各类测控硬件设备，可以满足不同测点的要求。向下可以通过rslinx、opc等与数据采集硬件通信;向上可以通过tcp/ip，ethernet与高层管理网互联。opc使rsview32可以作为一个客户端或服务器，允许在不同的rsview32站以及其它opc服务器之间进行点对点通讯。
（3） 组态软件在监控系统中的地位
　　在监控系统中，投入运行的监控组态软件是系统的数据采集处理中心、远程监视中心和数据转发中心[8]。如图2所示，它处于运行状态的监控组态软件与各种控制、检测设备（如挂接在现场总线上的工控计算机、plc）等共同构成快速响应/控制中心。监控组态软件投入运行后，操作人员可以在其支持下完成以下各项任务:

      查看生产现场的实时数据及流程画面，浏览各实时/历史趋势画面;
　　自动打印各种实时/历史生产报表;
　　及时得到各种过程报警和系统报警;
　　在需要时，可人为干预生产过程，修改生产过程参数和状态;
　　与管理部门的计算机联网，为管理部门提供生产实时数据。
　　rsview32支持opc技术，是连接控制网络与信息网络的桥梁。通过opc接口，它不仅能连接从现场设备传送来的信息，而且可以与其它应用软件交换数据;通过opc接口，可以实现信息网络与控制网络实时数据库的互联，即实现控制网络与信息网络的集成。

3  基于controlnet的冷站cims系统
3.1  冷站cims体系构建
　　为了实现底层控制网络与工厂信息网络的连接，将车间层的现场设备信息及生产过程数据实时传输到工厂管理层，实现控制网络与信息网络的集成，构建了基于controlnet现场总线技术的cims系统:设计中采用了车间过程监控级、工厂管理级二层网络结构,结构图如图3所示。
3.2  系统软件架构
　　为实现控制网络与信息网络数据的链接、交换与融合，构建了如图4所示的软件架构。在监控层，rsview32利用实时数据库对现场实时数据进行存储;在管理层，rsview32可实现与监控层数据的链接与交换。实现控制网络与信息网络集成，要解决的核心问题有:

（1） 如何实现实时数据的采集，将其写入组态软件实时数据库;
（2） 如何实现管理监控机与中间监控上位机间组态软件内部实时数据信息的交换，并实现远程监控。
　　在冷站控制系统中，监控层组态软件既是opc客户端，又作为opc服务器端。在实现现场设备实时数据的采集时，组态软件作为opc客户端，制冷机可编程控制器plc作为opc服务器。每个opc服务器都被作为一个外部设备，可以进行定义、增加或删除。在系统运行中，opc服务器对下层设备提供接口，使得现场控制层的各种过程信息能够进入opc服务器; rsview32和每个opc服务器建立连接，自动完成和opc服务器之间的数据交换，把各子系统的数据采集到组态软件的实时数据库中。同时，监控层上位机组态软件rsview32又作为opc服务器端，管理层监控软件rsview32作为其opc客户端，通过对客户端与服务器端的通讯配置，实现控制网络与信息网络的数据交换与集成。

4  冷站控制网络监控操作平台的组态设计
4.1  实现冷站系统的控制功能软件组态设计的主要内容
　　（1） 人机界面。在人机界面上显示冷站工艺流程图，也即模拟显示现场系统及其环境;显示现场设备操作方式、控制开关及运行状态等;显示系统运行环境和工作的说明信息;显示类似于其它windows应用软件界面弹出式菜单，以便供操作人员调用非主界面信息，如各种现场设备的历史运行曲线图、生产报表、二级显示监控界面和报警记录等。
　　（2） 实时和历史数据的管理。包括对各种实时数据的响应和处理方式的设计，对历史数据的筛选和存储管理的设计，实时和历史数据的显示设计（如采用动态显示曲线图、历史趋势图、报表等），实时和历史数据的输出设计（如打印方式、与其它应用软件程序的数据交换协议以及网络发布方式等等）。
　　（3） 报警和事件管理。对现场事故和故障信息予以记录，使相应的报警信息显示到监控界面或传送给其它声、光报警装置，同时也将报警信息传送给相应的控制处理单元;对现场生产事件和操作信息进行记录，以图表形式提供查询系统的运行操作情况。
4.2  创建项目
　　rsview32组态软件主要包括系统、图形显示、警报、数据记录设置、逻辑和控制等组件，运用这些基本组件可方便地开发出监控系统的上述功能。首先在rsview32中创建这个项目:某卷烟厂冷站控制系统。先打开rsview32，单击工具栏“文件”菜单里的“新建”按钮，在“创建项目”对话框的“项目名”里填写本项目名称，图5所示，然后单击“打开”，就完成了项目的创建。一旦创建了项目，即可看到项目管理器（project manager）,就可以在系统通讯配置后进行图形、报警或趋势等的画面组态。
4.3  通道节点组态
　　rsview32通过附带的rslinx与挂接在controlnet上的可编程控制进行通讯，所以在启动rsview32之前要先打开rslinx。启动rsview32后，双击项目编辑器里的“系统”组件，出现通道和节点等编辑器。在通道编辑器里选择节点所连接的网络controlnet。由于本系统采用的可编程控制器是omronplc、control logix5555，在节点编辑器中:数据源选择“opc服务器”，rsview32通过rslinx与omronplc、controllogix5555进行通信，各制冷机节点为opc服务器，组态软件则为opc客户端。在节点名中输入自定义的可编程控制器的节点名，冷却塔的节点名为opcnode_cooltower。选中“启用”，单击“接受”保存节点定义，单击“下一个”，然后定义另一个节点，或选择“关闭”命令，退出节点编辑。
4.4  标记数据库组态
　　标记数据库是由称为标记的记录组成。系统内各部分都可以使用标记值。图形显示使用标记值来控制动画对象或更新趋势图形;警报系统监视标记值并把它们与“可接受”范围进行比较;“数据记录”则存储标记值并创建历史记录。但标记值存储在数值表格里，而不是在数据库里。可通过把标记的数值记录到数据文件里，使标记值永久地记录在磁盘里。要创建一个标记，需要指定它的名字、键入它的数据、以及它的数据源。在标记数据库编辑器里设置单个标记的警报，可以在添加标记时设置，或以后编辑标记时添加这个信息。
      在创建本项目时，rsview32将创建系统标记。若标记数据库需监视标记参数值的变化过程以产生报警信息时，就必须进行报警信息组态，指定哪些标记需要监视报警信息。在标记数据库编辑器里选择一个标记，然后选择“alarm”警报框启动警报编辑器。本程序带报警的标记都为开关量标记，即如果该标记的值为1则触发报警。
　　标记数据库创建好之后，就可将标记参数与趋势或历史报表建立联系，使系统可以以曲线或表格的形式向用户显示实时数据的变化过程。rsview32的趋势、历史报表都是以标准图形的形式给出的，开发者需要对相应的参数进行设置。趋势中的参数包括时间范围、扫描周期、数值范围、数据源等，历史报表中的参数则包括报表的起始时刻、时间范围、时间间隔、数据源、变量等。
4.5  画面组态
　　图形编辑器中提供了大量的图形对象，利用这些基本图形对象以及插入外部位图，可以组态设计出冷站控制系统流程图画面和各工况画面，监控主画面是缺省的主画面，需要时可切换到各工况画面。
　　冷站控制系统的监控主画面由操作参数、工程参数、状态显示、历史曲线、历史报警、通讯测试、报表打印等组成。在主画面中通过选择各菜单项，可以执行窗口的切换。状态显示的是整个冷站监控系统的设备、管道、阀门的连接情况和运行原理，当系统没有启动时，整个画面是静态的。一旦系统进入运行，画面将显示当前的工况、相应设备和阀门开启，管道内的介质不停地流动，同时从现场检测的温度、压力、流量显示在对应位置。上述的动画是通过图形编辑器中的动画连接功能实现的。冷站控制系统监控界面如图5和图6所示。

      rsview32还可以用报警图形对象来组态设备或工艺参数的报警画面，设备的故障报警由自身所带的控制器判断并执行相应保护动作，但其报警信息可通过通信接口上传，显示在设备报警画面上;工艺参数的报警根据数据库组态时设定的报警参数，当有报警发生时，在报警画面上显示报警产生的时间、报警位号、报警类别、报警当前值以及是否被确认等信息，同时发出声音报警，关闭相关设备，用户可以通过确认按钮对当前报警进行确认后，进行故障的排除。

5  信息网络的组态设计
5.1  opc远程通讯设计
　　现场上位监控站采用opc与远动生产管理中心的监控站进行通讯。opc使rsview32可以作为一个客户端或服务器，允许在不同的rsview32站以及其它opc服务器之间进行点对点通讯。本系统以现场的rsview32上位监控机作为服务器，远动管理中心的rsview32监控机作为客户端，客户端通过以太网用服务器的rsview32命令rtdataserveron来读取服务器的实时标记值，用命令rtdatawriteenable来写服务器的实时标记值。设置方案如下:对于服务器，选择“启动”编辑器里“启动”页上的“opc/dde server”复选框，发出rtdata serveron命令;对于客户端，把服务器设置成一个opc节点，指定opc服务器名，在标记数据库定义一个以设备为数据源的标记，并为该标记选择opc节点，指定opc条目提供标记数值。
5.2  在主站的操作系统中配置dcom
　　由于opc是根据microsoft的ole/com和dcom技术要求功能制定的一个开放和互用式的用户界面标准，所以必须先在主站的操作系统中配置dcom（分布式com配置属性），步骤如下:
　　（1） 在windows2000操作界面上单击“开始”，选“运行”，键入dcomcnfg，然后单击“确定”，进入“分布式com配置属性”，进行“应用程序”的设置;
　　（2） 进行“默认属性”的设置;
　　（3） 进行“默认安全机制”的设置。
5.3  服务器和客户端的rsview32通讯设置
　　rsview32服务器的计算机名为coldstation，上位监控程序名为jyc，客户端的计算机名为remote，上位监控程序名为rmjyc1。首先对服务器rsview32进行通讯设置，再对客户端的rsview32进行通讯配置.
　　在程序rmjyc1运行后，rmjyc1的标记就可读取jyc的标记值，实现远程实时监控。

6  系统监控软件的操作实现
6.1  现场上位监控程序的操作实现
　　冷站控制系统现场上位机进入rsview32上位监控平台，打开名为“jyc”的上位监控程序，在项目管理器里，单击选项卡“运行模式”，再单击状态栏“运行项目”，现场上位监控程序运行后，程序就按启动序列预先设置的运行步骤运行。程序运行后立即出现主监控界面，如图7所示。主画面除标题和日期时间外，主要包括9个按钮图标，它们分别代表9个主功能模块，这些按钮也称为系统的一级菜单，通过点击相应按钮即可进入对应功能模块。由于启动宏“st”里面设有命令“set autocontrol 0”，所以此时泵站处于人工控制状态，值班人员可以在人工控制运行和自动控制运行之间进行切换。
6.2  远程上位监控程序的操作实现

      远程监控机进入 rsview32上位监控平台，打开名为“rmjyc1”的上位监控程序，在项目管理器里，单击选项卡“运行模式”，再单击状态栏“运行项目”，远程监控程序运行后，就按照启动序列的设置，出现主监控界面。由于现场监控程序jyc在启动时就执行了命令rtdataserveron和rtdatawriteenable，使远程监控程序rmjyc1能实时读取现场监控程序的标记值，并组态成与现场监控程序相同的各级监控界面。若需要进行远程管理，远动的值班人员和现场的值班人员一样，可以通过人工控制冷站运行的相关操作，进入有关操作界面，控制制冷机组的启停，实现远程管理。

7  结束语
　　文章基于controlnet总线技术的冷站系统集成设计，构建了冷站的cims系统。在对opc技术和组态软件分析基础上，构建了整个冷站控制系统集成的软件架构，用rsview32组态软件对冷站控制网络和信息网络进行了组态设计，实现了对控制网络与信息网络的集成。