羅克韋爾自動化（中國）有限公司

一、概述

上海寶鋼益昌薄板有限公司的雙機架平整機組是1990年從美國Tippins公司引進的，主要用于平 整厚度較薄的普通及深沖低碳鋼和硬度較高的鍍錫原板（含碳量為0.03～0.12%）。平整帶鋼規格為 (0.17～1.0)mm×(770～1020)mm,機組最高速度為1500m/min,年平整量為53×104t。其過程計算機控制系統采用 VME(Versatile Modular Eurocard Bus System)總線，由兩個硬件控制框架構成，VME 1#框架主要用于兩個主機架的AGC(自動厚度控制)和ATC（自動張力控制），VME 2#框架主要用于直流傳動控制。一臺羅克韋爾自動化A-B PLC-3主要用于整套機組的開關量控制、順序控制、定時控制和連鎖控制。一臺A-B PLC-5插在VME 2#框架內，主要負責PLC-3與兩個VME框架之間的數據通訊。

隨著自動化技術的迅猛發展以及現場工作人員對控制系統要求的不斷提高，原有控制系統的部分功能已明顯 不能適應當今現代化工業大生產的要求。其中，由于原監控功能不強而暴露出來的問題最為突出。因此，利用最新的自動化控制技術對其進行改進和完善，構建新型 的SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，監控和數據采集）系統是非常必要的。

二、原系統監控功能的實現形式及其不足

2.1原系統監控功能的實現形式

由于在最初設計和投產時監控技術發展得仍很不完善，原計算機控制系統并沒有建立起一套功能齊備的監控系統，僅是利用一些產品和技術手段實現了部分簡單的監控功能。原系統監控功能的實現主要利用美國DIGITAL公司生產的視頻終端產品VT 320 和VT420 。

1臺VT320通過VME總線直接與VME 1#框架相連接，用以顯示AGC和ATC控制程序中的過程變量；1臺VT420通過VME總線與VME 2#框架相連接，用以顯示傳動控制程序中的過程變量。VT320是一種通用的視頻終端顯示設備，可以通過應用軟件的功能與主計算機系統進行通訊。 VT320與主系統的連接有直接和間接兩種方式，原系統采用電纜直接連接方式。VT320主要由兩部分構成：終端監視器單元和鍵盤。現場人員利用鍵盤鍵入 命令的方式與主系統進行通訊，主系統傳遞給監視器的數據以文本的形式顯示出來。VT320的顯示屏為14 inch，每屏最多可顯示24行132列的文本。屏幕上顯示的內容可以利用打印機打印出來。VT420與VT320是同一系列的產品，在功能上幾乎完全相 同。

VT320與VT420主要用于計算機專業人員查看程序運行和寄存器數值的變化情況、對輸出量進行診斷、對參數進行修改，以及將開發的程序從編程終端裝入到VME系統。

2.2原系統監控功能的不足

1. 不能對工程師感興趣的數據進行存儲；
2. 不能對過程變量進行趨勢顯示和記錄；
3. 不能對故障進行報警和記錄；
4. 操作員終端界面不夠友好，參數含義均以英文變量名的形式顯示，不直觀易懂；
5. 所有操作都需利用鍵盤以命令的形式進行，操作繁瑣復雜；
6. 系統對外通訊能力有限，不利于全廠的信息管理；
7. 軟件部分（操作系統與應用軟件）多為老式的專用系統，不利于技術人員的培訓及將來的工藝改造，系統調試極其困難；
8. 不能根據使用人員的特殊要求進行適當的調整，功能單一，適應性差，開放性差,擴展性差。

三、SCADA系統介紹

SCADA系統是伴隨著DCS（distributed control system, 分散型控制系統）的發展而被廣泛應用起來的。SCADA系統從整體結構上來講是由兩大部分組成：硬件部分和軟件部分。下面介紹SCADA系統一般的組成結構和實現形式。

3.1 SCADA系統的硬件基本結構

SCADA系統的硬件結構與DCS的硬件結構是基本一致的。一般來說，一套完整的SCADA系統的硬件部分主要由以下四個基本要素構成 ：

3.1.1管理級計算機

是一個以較高級的工業計算機為主體所組成的中心控制系統，主要用于生產調度、系統協調和質量控制管理，對各種參數進行收集、分析、修改和設定，制作和管理報表文件，以及通過局域網實現更大范圍的信息通信；

3.1.2 監控級計算機

是幾個由工業計算機為主體所組成的過程監控設備，主要用于對位于其下位的現場控制器進行集中控制、監督控制、最佳控制以及設定和修改參數，并對被監視工藝過程可能出現的緊急情況做出響應；

3.1.3 過程級計算機

是由若干個以PLC為主體（包括直接數字控制裝置、數據采集裝置和多功能控制裝置等在內）的現場控制器所組成的生產過程控制裝置，主要功能是通過各種傳感器和執行機構等進行現場過程參數的采集及處理，實時完成對相應工藝過程的控制；

3.1.4 通信網絡

是以連接電纜為媒介、由若干個獨立的計算機（包括控制器）相互連接構成的通信網，它的主要功能是將全部用于工藝過程控制的設備有機地連接在一起，使它們可以有效地進行數據交換，共同完成對整個工藝過程的監視和控制工作。

SCADA系統的硬件基本結構如圖1所示，其中監控級計算機在SCADA系統中起著承上啟下的關鍵作用。

3.2監控組態軟件

監控組態軟件是面向SCADA系統的軟件平臺工具 ，它在自動監控系統中處于非常重要的地位。處于運行狀態的監控組態軟件是系統的數據收集處理中心、遠程監視中心和數據轉發中心，與各種控制、檢測設備共同構成快速響應/控制中心。

“組態” （configuration）的概念也是伴隨著DCS而發展起來的，其含義是使用軟件工具對計算機及軟件的各種資源進行配置，達到使計算機或軟件按照預 先設置，自動執行特定任務，滿足使用者要求的目的。監控組態軟件就是用于監控生產等自動化過程的組態軟件。監控組態軟件最早出現時，HMI（human machine interface）或MMI(man machine interface)是其主要內涵，即主要解決人機圖形界面問題。隨著監控技術的快速發展，實時數據庫、實時控制、SCADA、通信及聯網、開放數據接 口、對I/O設備的廣泛支持等已成為監控組態軟件的主要內容。

監控組態軟件具有如下基本特點：

1. 實時多任務：這是監控組態軟件最突出的特點。在SCADA系統中，實時多任務主要體現于數據采集與輸出、數據處理與算法實現、圖形顯示及人機對話、實時數據的存儲、檢索管理、實施通信等多個任務要在同一臺計算機上同時運行；
2. 面向自動化工程設計人員：組態軟件使工程設計人員可以方便快捷的設計、編制和修改應用程序而不需要修改軟件程序的源代碼；
3. 高可靠性：在正常情況下，軟件系統應穩定可靠地運行。如果對系統的可靠性要求得更高，可以利用冗余技術構成雙機乃至多機備用系統。

3.3 SCADA系統的功能

SCADA系統的功能是由其硬件、軟件和通信網絡共同決定的。本文將在4.3節中結合益昌廠工程實例詳細闡述SCADA系統的功能。

四、新SCADA系統的設計與實現

針對原監控功能的不足和現場生產的實際情況,采用國際上比較先進的控制技術和硬軟件產品，設計并實現 了功能完備的新SCADA系統。因為管理級計算機的功能可通過多種流行的網絡技術方便的加以實現，所以本文主要介紹在大多數SCADA系統工程項目中處于 核心地位的監控級計算機的硬軟件配置、監控級計算機與過程級計算機之間通信網絡結構和系統的主要功能。

4.1系統的硬件配置和通信網絡

過程監控及數據采集計算機采用羅克韋爾自動化公司的工業PC機,其配置與通用個人計算機基本相當。在 主板上插入一塊1784-KTX網卡，此網卡是IBM計算機與DH＋網的接口模塊，它允許監控計算機的PC總線與DH+網上的PLC-5和PLC-3進行 通訊。DH＋（Data Highway Plus，高速數據通道）也是羅克韋爾自動化公司的產品，是一個設計用來支持工廠現場應用、遠方編程的局域網絡，它在A-B公司的復合型PLC網絡中處于 非常重要的地位。DH＋網位于承上啟下的中間層，向上與管理網相連，向下與現場控制的遠程I/O鏈路相連，實現過程監控級功能 。益昌廠DH+網上所有PLC和工作站的通信速率都設置為57.6kb/s。

系統硬件配置和通信網絡的整體連接框圖如圖2所示。從圖2中可以清楚的看到，系統數據傳遞的流程非常 簡單明了，監控計算機通過KTX網卡可直接與掛在DH+網上的PLC-5和PLC-3進行點對點的通訊，以得到所需要的PLC-5和PLC-3中的過程變 量。另外通過PLC-5的中間傳送作用，VME總線上的任意邏輯量和模擬量均可傳送至監控計算機。這樣，平整機自動控制系統中所有的變量均可被SCADA 系統獲得。

4.2監控組態軟件RSView32的應用

監控組態軟件應用羅克韋爾自動化公司的產品RSView32。RSView32是基于Windows操作系統的應用軟件，可在微軟公司WIN9x以上的任意版本下運行，益昌廠的工程實踐證明其在英文版的WIN2000 下運行最為穩定。

RSView32是用來開發并運行MMI項目的集成軟件包，可以有效地幫助工程師來監視和控制工業自動化系統。為更好的實現MMI的功能，RSView32采用了許多先進有效的手段，主要包括如下三部分：

1. 開放的工業標準：OLE(Object Linking and Embedding，對象的連接與嵌入)、Active X控件、ODBC(Open Database Connectivity，開放數據庫互連)、.dbf(dBASEIV)文件格式等技術的廣泛應用使RSView32具有很強開放性；
2. 高效的應用工具：項目管理器（Project Manager）、PLC數據庫瀏覽器（PLC Database Browser）、命令奇才（Command Wizard）等應用工具使工程技術人員可以非常方便快捷的創建應用程序；
3. 尖端的科技：動畫控制、趨勢顯示、事件探測等功能中都包含了最先進的計算機技術。

RSView32組態軟件包中還包含有羅克韋爾自動化公司另外一套重要的應用軟件RSLinx。 RSLinx也是基于Windows操作系統的網絡通信驅動軟件，主要功能是為A-B公司的PLC提供一個軟件的通訊接口，以實現OPC（OLE for process control, OLE應用于工業控制領域）、DDE（dynamic data exchange,動態數據交換）和Custom C/C++接口功能。其中DDE接口支持處理器可以與人機界面軟件進行通訊，并且可以方便的與Microsoft Excel等應用軟件配合使用。

RSView32和RSLinx為SCADA系統的數據采集、控制及通訊傳輸提供了完善的軟件支持。監控組態軟件的構成及通信框圖如圖3所示。

4.3系統功能

通過硬件的配置和軟件的應用，益昌廠平整機監控系統不僅達到了通用人機界面的功能，而且針對現場的實 際情況和操作人員的具體要求做了特殊技術處理，可以幫助工作人員更有效的監視和控制平整軋制自動化系統，對生產過程的改善起到了良好的效果，有效地彌補了 原系統的不足。其主要功能介紹如下：
 

• 4.3.1可用動態圖畫表示生產設備和過程，監視和控制實時數據

例如在平整機監控系統的主畫面（圖4）中，雙機架平整機的整個生產過程一目了然。其中軋輥轉動、開卷 機和卷取機的卷徑變化等動態過程均可用動畫表示，形象生動。工程師所關心的速度、電流、軋制力、張力、延伸率等過程變量的數值均可實時顯示在畫面上。所有 畫面均可實現全中文顯示，點擊鼠標即可完成所有操作。前臺掃描和后臺掃描時間根據變量的不同性質分別設定為1秒和0.1秒。

圖4 雙機架平整機SCADA系統主畫面

4.3.2 查看過程數據的實時或歷史趨勢圖

現場工程師可隨時觀看所關心數據的實時趨勢圖和棒狀圖，并可方便的以趨勢圖的形式調出以往任意時間的歷史數據。趨勢圖操作簡便，功能強大。平整生產中最重要的性能指標就是延伸率，而對延伸率的顯示、記錄和控制一直是平整機控制系統中的重要 課題。在本系統中，延伸率的實時趨勢曲線可以非常清楚、完整、準確地顯示在畫面上，而且可以根據需要進行縮放或坐標軸調整。另外，與延伸率密切相關的控制 參數，如機架間張力、前張力、后張力和兩個主機架的軋制力等，均可與延伸率曲線同步顯示在畫面上，這對于廠方進行技術分析和改造、提高產品質量、尤其是對 現場實時動態調試具有極其重要的意義。機架間張力與延伸率的關系趨勢圖如圖5所示。

4.3.3 獲取并記錄報警信息

本系統的報警信息分為系統報警和過程報警兩個部分。系統報警是直接接收VME過程控制計算機的報警信 息。VME主控制框架的系統軟件中已對大量重要參數做了報警設置，并以數字信號的形式傳送給PLC-5。過程報警是利用RSView32軟件的功能，根據 現場生產的實際需要，對一些重要過程變量（如主軋機電流等）進行報警設置。根據不同的報警級別，界面顯示不同的顏色提示現場人員。報警信息（如時間、內 容、等級等）均可自動記錄并保存下來。VME系統報警界面見圖6。

4.3.4 在記錄文件中收集數據

現場工程師關心的所有變量，均可以Microsoft Excel文件的形式保存在計算機的硬盤里。根據對變量的不同要求，數據存儲的觸發方式有三種：根據周期(Periodic)、根據變化(On Change)

圖5 機架間張力與延伸率的關系趨勢圖

和根據需要（On demand）。其中根據周期方式中又有多種時間類型可供選擇。存儲文件的管理. 也很方便，操作人員可選擇文件生成的間隔時間并自動刪除過期文件。益昌廠系統中設定每小時生成一個存儲文件，根據變量的不同性質觸發存儲周期為1秒或0.1秒。生成存儲文件的類型為.dbf(dBASEIV)，根據文件名即可獲知文件的生成時間（年、月、日、小時）。

4.3.5 數據錄入功能

現場人員可根據需要進行數據錄入，如對軋制表的設定和修改等。

4.3.6 通過加密手段對重要過程的權限進行限制

不同權限的管理人員以鍵入密碼的形式行使不同的權利、使用不同的功能。

4.3.7 擴展性強

不但多種硬件設備可以接入系統，在軟件應用程序上也可根據實際需要增加畫面和顯示變量，這樣就可滿足將來工藝技術改造后對系統控制性能進一步提高的要求。

4.3.8 開放的網絡接口

可以便捷的用多種網絡形式與上級管理計算機進行接口，實現完善的廠區綜合控制。

4.3.9 打印

可以對任何現場工程師關心的數據、圖形、趨勢曲線、歷史報表等進行實時或屏拷打印；

圖6 VME系統報警界面

4.3.10 技術培訓

現場技術人員不但能快速的學會應用系統，而且可以在短時期內達到自行設計、修正和完善系統的水平，這對于在長時期內最大限度的發揮系統的功效具有非常重要的意義。

五、結論

SCADA系統作為一項技術完善、功能齊備的監控實現手段，在現階段的自動化系統中占有十分重要的地 位，也必將會有更為廣泛和光明的應用前景。益昌廠新構建的SCADA系統幾個月來在現場實際運行的結果表明，該系統設計合理，運行穩定，有效彌補了原有監 控功能的不足，達到了預期的目的，是一個實用且有效的計算機監控和數據采集系統。

參考文獻

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2. Digital Equipment Corporation, Installing and Using The VT420 Video Terminal, 1989
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8. Rockwell Automation. RSLinx Getting Results Guide, 1999
9. Rockwell Software. RSView32 User’s Guide, 1998

作者簡介

楊兆暉，男，1977年生，2003年畢業于東北大學研究生院，工學碩士。現工作于北京金自天正智能控制股份有限公司，主要從事工業自動化和直、交流電氣傳動的研究與工程應用。