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一种节省组态软件i/o点数的方法及实现

作者: 来源: 发布时间:2018-2-11 16:12:47  点击数:332
1前言
人—机界面(hmi)是各种控制系统中重要的一环,在windows环境下运行的工控组态软件提供的图形界面形象、直观,深受操作者与工程技术开发人员的喜爱,在国内自动控制系统的上位机中得到了广泛应用。但出于销售策略上的考虑,几乎所有的工控组态软件在销售时都按不同的输入、输出(i/o)点数划分定价,例32点学习版,64点、128点、256点、512点、1024点、不限点工程版等,价格相差较大,并且不同的组态软件在定义i/o点数时略有不同,有的定义为数据采集点与中间动画控制变量之和,有的定义为上位机数据库中与下位机通讯的变量之和等,在多级分布式控制系统中,一般认为i/o点数为上位机组态软件与下位机(plc、数据采集插卡、智能仪表等)通讯的数据变量之和。
很显然,降低所使用的组态软件i/o点数,可降低整个工程成本,有很大的现实意义。在对某啤酒厂发酵车间实施dcs控制系统过程中,上位机组态软件使用美国iconics公司genesisfor windows 3.0版(简称gfw3.0),下位机使用英国欧陆公司t103系列t921 cpu plc,通过对系统构成、组态软件、通讯协议、信号特点等进行综合分析,通过编写少量的上、下位机通讯程序,降低了所使用组态软件的i/o点数,达到了节省工程费用目的。
2控制系统构成
发酵车间控制系统由两台上位机组成(见图2—1),一台为lin上位机(上位机2),通过s9565卡与下位机构成lin网,下位机程序通过此台计算机下载到下位机中,同时计算机中插有modicon公司的sa85卡,运行自编的在dos下运行的控制软件;上位机1运行工控组态软件gfw30开发版,计算机中插有modicon公司的sa85卡;两台宿主计算机1与2通过sa85卡与modicon公司的bm85网桥构成发酵车间上位计算机网络modbus plus网中的3个网点(地址6、8、9),上位机网络通讯速率为1mbps。modbus plus网通过bm85网桥从下位机获得数据,网桥同下位机以modbus网络协议交换数据。其它车间上位机也可通过modbus plus网获取发酵车间下位机数据。
下位机采用英国欧陆公司的t103(单cpu,t921),它在底板上集成了modbus及lin网络接口,它的modbus最高通讯速率为38 400bps。有两台下位机,其间的数据可通过lin网共享。


3i/o点数分析与统计
文中发酵车间的主要控制目标为24只发酵罐,每个发酵罐的输入、输出点数与性质如下:
(1)上、中、下3个冷媒开关电磁阀(3 do);
(2)上、中、下3个温度(3 ai);
(3)发酵罐料位信号(1 ai);
(4)发酵罐压力信号(1 ai);
(5)一个罐顶压力释放电磁阀(1 do);
(6)每个发酵罐共计9路:4路do,5路ai;
24只发酵罐“硬”i/o点数为:24×9=216点,理论上选购256点的组态软件即可满足要求。gfw 3.0软件的i/o点数定义为上、下位机通讯参数点数之和,因此要购买的上位机组态软件gfw3.0的i/o点数为:下位机plc“硬”i/o点数(216)+上、下位机其它通讯参数点数,在本例中上、下位机其它通讯参数点数主要为模拟信号的定标与校正参数,简要分析如下:
发酵罐中温度传感器使用pt100铂测温电阻,变送器测温范围-50℃~130℃,实际使用中发现存在如下问题:
①理论上pt100铂测温电阻在0℃时电阻值为100ω,但实际上存在一定的阻值偏差,例为99.5ω,从而给温度测量带来误差,称为铂电阻0℃偏差,不同厂家、同一厂家不同批次的铂电阻,偏差大小不尽相同,有必要在下位机中校正,按传统做法,相当于增加了一个上、下位机的通讯参数,应计入上位机组态软件的i/o点数;
②温度变送器偏差。在冰水混合物中测量出pt100测温电阻的阻值,记下铂电阻0℃偏差(转换成温度数值),然后通过温度变送器测量出此时温度,两个温度间的差值即为温度变送器0℃偏差。同理在下位机中校正这一偏差,相当于增加了一个上、下位机的通讯参数,应计入上位机组态软件的i/o点数;
③非线性校正参数。在-50℃~130℃温度范围内,如果对温度测量精度要求不高,可近似认为铂测温电阻特性为线性,但发酵罐为大惯性缓变系统,在降温期温度变化速率为0.1~0.2℃/h,对温测精度要求非常高,因此引入3个校正系数,校正非线性的影响,相当于增加了3个上、下位机的通讯参数,应计入上位机组态软件的i/o点数。
从上面可以看出,即使不计入非线性校正的3个系数,每个发酵罐的i/o通讯参数为:9(硬i/o)+3×(1+1)(软i/o)=15,上位机组态软件的i/o点数为15×24=360点,大大超出256点。
通过进一步的分析,可以发现“硬”i/o与“软”i/o之间存在的差异。
①“硬”i/o点数为下位机plc实际输入输出i/o点数。例本例中温度、压力、料位、开关阀等,这类i/o点数的数值与状态要经常发生变化,有必要放入上位机实时数据库中,实时地与下位机交换数据;
②“软”i/o点数为各类控制策略、校正、定标等辅助上、下位机通讯参数。这类i/o点数的数值与状态平时很少发生变化,有的只是在硬件更换情况下才有必要调整,例文中更换pt100测温电阻。从控制角度看没有必要将这类i/o点放入上位机实时数据库,但这类数据也存在变化的可能,需要提供修改手段。一般可通过如下方法修改:
(1)购买较多i/o点数的上位机软件。将“软”i/o点放入上位机实时数据库,由于这类数据较重要,有必要建立一定的安全保护措施;缺点为成本较高;
(2)停机启动另一数据库。要修改这类参数时,退出正常运行程序,通过另一数据库启动组态软件,修改参数;缺点为要停机(上位机)处理,有时实际情况不允许;
(3)直接修改下位机程序。这是最全面的解决手段,缺点为对操作人员有较高素质要求,存在一定的风险,不满足程序保密需要,同时需要停机(上、下位机)处理;
(4)自编程序处理。
正是基于上面的分析,笔者针对文中控制系统网络的构成与特点,开发了上、下位机的通讯程序,不仅降低了上位机软件的i/o通讯点数,节省了工程费用,同时还可作为上位机组态软件故障时应急处理程序。
4网络寻址
控制系统上位机网络为modbus plus,通过bm85

网桥与下位机用modbus协议交换数据,各装置在网络中地址分配见图2—1。
modbus plus网络寻址路由路径由5个字节构成,通过bp85网桥可以联接多个modubs plus网,构成复杂的网络寻址方式,从其它车间可得到发酵车间下位机数据。本例中从上位机2寻址下位机1数据的寻址字节见图4—1,表示为91100,同理,91200为上位机1或2寻址下位机2中数据的寻址字节表示。
每个下位机plc作为一个modbus slave装置,有一个slave号,在每一个下位机中,还相应定义了通讯速率、奇偶位、停止位、超时时间等参数。本文下位机中有3种类型的modbus表:①register类型,为16 bit的模拟量;②digital类型,为1 bit的开关量;③diagnostic类型,用来诊断下位机database在运行过程中的状况,为16 bit的模拟量。下位机最多支持16个modbus表,表中的地址用户可定义。在同一个modbus表中不能混用这3种类型。

知道了怎样在网络中寻址及下位机modbus表,就可以编写通讯程序。
5结束语
上位机组态软件的i/o点数可分为“硬”i/o点数与“软”i/o点数两大类,上、下位机通讯总i/o点数为两者之和,在工程中可通过多种方法降低上位机组态软件的i/o点数,既可节省工程费用,又可方便用户使用。用文中介绍的方法和方案开发的程序经过较长时间运行,证明其稳定、可靠,达到了预期目的。

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