自动化数据采集平台构想

近段时间,在一个国有大型铁矿企业做自动化工程。经过一些项目的总结,并根据客户的需要,提出一个数据采集平台的基本框架。希望能把在纯软件系统结构中的经验也应用到自动化中,还有部分没有完成。不足之处还请各位指教。 


第1章          
概述

1.1      概述

(删去)

1.2      现状

(删去)

1.3      参考资料

n        《基于Modbus协议的工业自动化网络规范》中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 中国国家标准化管理委员会

n        Data Access Custom Interface StandardOPC FOUNDATION

n        Alarms and Events Custom Interface Standard OPC FOUNDATION

 

第2章           平台描述

2.1      平台构架

 

网络结构

 

l         所有PLC主站通过以太网进行数据传输,这样厂区内只需布一套网,降低成本,配置更加灵活

l         PLC主站通过基于TCP/IPModbus协议,实现与中转服务器的通讯

l         中转服务器接收PLC数据后,提供OPC接口

l         组态软件通过OPC接口与中转服务器通讯

l         建立一个工业数据存储中心,外围的ERP,成本管理等系统从中只读数据,进行分析统计

l         希望可以建立一个类似组态软件的平台,使得用户可以方便的自定义和组合监控的方式。我们通过这个通用的,标准化的数采平台可以兼容各个厂家的采集设备,通过标准的传输协议进行汇集,并经过处理。

 

整个系统层次如下所示:


对于系统层次,下面加以详细的说明。

对于一次或二次仪表,通过AI/AODI/DO以及其他电气信号将采集控制信号传输至PLC或其他专业采集设备。

对于某些支持Modbus的一次或二次仪表以及PLC,专业数据采集器等数据采集设备,通过Modbus over TCP/IP协议与上位的OPC Server进行数据交换,这样就实现仪表,PLC,数据采集器数据传输的一致性及与上位机的无关性。

 

下图是整个系统的拓扑结构:

2.2      Modbus

 

Why Modbus over TCP/IP

 

Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它,不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络,进行集中监控。 此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了控制器请求访问其它设备的过程,如果回应来自其它设备的请求,以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。当在Modbus网络上通信时,此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址,识别按地址发来的消息,决定要产生何种行动。如果需要回应,控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其它网络上,包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。

在德国汉诺威工业展览会上,施耐德电气宣布将Modbus所有权转于Modbus-IDA 一个非赢利性组织,建立于2002年,一直致力于发展工业通信技术。Modbus最初由莫迪康公司于1979年开发,莫迪康后并入施耐德自动化。现在,Modbus是业内最流行的工业通信协议之一。

通过Modbus工业总线,上位机可能跟任何支持Modbus总线的设备互连,从而节约各种设备将来互联互通时的成本。

 

具体参见

《基于Modbus协议的工业自动化网络规范》中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 中国国家标准化管理委员会

Modbus与其他工业总线相比有哪些好处?

l        首先这是一个开放性的工业总线,并不属于某一家专门的公司。

l        其次,Modbus可以Over TCP/IP协议上,这对成本的降低以及配置难度的降低有着极大的作用

l        第三,目前大部分的仪表以及工业设备都支持Modbus协议

2.3      OPC

 

Why OPC

 

OPC (用于过程控制的OLE)是一个工业标准,管理这个标准国际组织是OPC基金会,OPC基金会现有会员已超过220家。遍布全球,包括世界上所有主要的自动化控制系统、仪器仪表及过程控制系统的公司。

基于微软的OLE (现在的Active X)COM (部件对象模型)DCOM (分布式部件对象模型)技术。OPC包括一整套接口、属性和方法的标准集,用于过程控制和制造业自动化系统。

Active X/COM技术定义各种不同的软件部件如何交互使用和分享数据。不论过程中采用什么软件或设备,OPC为多种多样的过程控制设备之间进行通信提供了公用的接口。

 

具体请参见

http://www.opcchina.org/

http://www.opcfoundation.org/

简单的说,通过使用OPC作为中转服务,只要组态软件支持OPC协议(一般来说,组态软件都支持OPC),就可以实现多个组态软件对同一个PLC进行控制,即使这些组态软件不属于同一厂家。可以把OPC Server比喻成一个水管上的三通,四通,任何的水龙头可以往上接。

2.4      安全控制

安全控制是整个自动化系统中最重要的部分之一,除了在工艺设备上要做好安全性防护之外,对于网络、计算机系统等也要做好安全性防护,否则出现误操作,数据泄露情况,后果不堪设想。

除了普通的操作上做安全提示外,我们还针对网络实际的应用情况,使用更加灵活和强壮的安全控制方式,比如:

l        每台上位机只能与指定的OPC Server通讯,这样可以做到既每台上位机只能连接特定的自动化控制器(PLC),又可以在需要的时候切换到另外的系统上

l        上位机监控实现权限分级控制,根据用户的不同,实现操作的功能不同,比如操作工级只能进行监视,管理员级的可以进行参数设定

l        如需要更加严格的控制方式,可以使用USB Key进行系统登录及操作,使用者必须拥有含有唯一身份证书的USB Key,并将其插入上位机USB接口中,方可登录,系统将根据其身份证书进行身份识别,并赋予响应的操作权限。

 

2.5      标准化平台与其他组态方式的比较


1


2

目前这种工业总线方式(图1),彼此不兼容,如果需要在网间进行数据互传是一件比较复杂的事情,而且成本相对来说较高。我们举个例子,如果一台上位机想同时与SiemensOmron PLC进行数据交换,那么在这台上位机上可能需要插两块通讯卡以便同不同的网进行通讯,成本大大增加。即使可以通过Industry Ethernet(工业以太网)进行通讯,那么在这台上位机上也要针对不同厂家的PLC进行通讯组态,系统的稳定性受到影响。

如果按图2的方式进行工业总线布置,SiemensOmron都可以通过Ethernet使用Modbus协议将数据与OPC Server进行交换,而各上位机只需支持TCP/IP协议的网卡就可以与OPC Server通讯,系统的配置非常的简单和灵活。有了OPC Server,不再局限于某一种组态软件,只要支持OPC协议的组态软件,都可以直接使用,从另外一个角度来说,整个工业网络更加的稳定和具有冗余性。

2.6      实例描述

下图拿八系列作为例子,来具体说明标准化在实际中的应用。

八系列作为选厂产量最大的一个系列,自动化控制其中一个控制点是对矿浆池的液位进行控制。整个控制回路是通过超声波液位仪获取当前矿浆液位高度,通过PID算法调节补水阀开度进行补水,使得矿浆池液位基本稳定在一定高度。液位高度的获取及补水阀开度的控制在PLC中运算控制,上位机需要做的是:

l        显示液位高度

l        根据工艺条件设定标准液位高度,

l        显示补水阀的开度情况

整个控制流程如下:

l        PLC通过AI/AO模块与液位仪及补水阀进行通讯控制(红色线表示)

l        PLC通过ModbusOPC Server进行通讯,将液位高度值、补水阀开度值和液位给定值映射至OPC Server(桔色线表示)

l        上位机通过OPC协议与OPC Server通讯,读取和修改液位高度值、补水阀开度值和液位给定值(绿色线表示)

l        上位机将所需数据通过固定格式存入工业数据存储数据库(蓝色线表示)

l        成本管理应用服务器从工业数据存储数据库获取所需数据,并进行成本业务计算(棕色线表示)

l        成本管理系统与成本管理应用服务交互,进行成本管理系统数据交互(蓝绿色线表示)

至此,基于数据采集标准平台的流程全部结束。

 

目前在25尾矿传输系统中,已经采取了PLCOPC服务器,OPC服务器至上位机的构架方式,在半年多的实际运行中,实践证明这是一个非常先进,稳定和灵活的自动化控制构架,如果需要将此系统上联至总控制系统,例如DCS,实施将非常容易。

 

 


 


 

2.7      协议格式

2.7.1           Modbus数据传输使用标准

2.7.1.1     地址分配规则

{PLC站或采集器的IP地址分配规则}

2.7.1.2     设备命名规则

2.7.2           OPC Item 格式标准

2.7.2.1     Item命名规则

 

第3章           工业数据存储中心

鉴于这一部分涉及到具体的编码设计,数据库设计,需要等整个系统正式确定下来方可实施,所以此处仅列出将来需要做的设计工作

建立一个中心数据库,存放采集上来的生产系统的数据,对外部系统提供只读功能,便于数据调用和分析。

对于中心数据库,需要一个详细的规划和设计,并且使用统一的函数进行数据的存储。各组态软件或中间件通过OPC Server取出的值进行处理以后再调用共用函数把数据存入数据库。

3.1      数据库设计规范

3.1.1           数据存储表

3.1.2           系统表

3.2      数据库备份

3.2.1           备份规则

3.3      数据存储函数

posted on 2005-12-24 23:51  kane  阅读(...)  评论(... 编辑 收藏

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