摘 要：針對目前燃氣行業(yè)的現(xiàn)狀，提出了一種基于Fieldbus網(wǎng)絡(luò)的低成本、高可靠性的計算機監(jiān)控方案。深入探討了此方案的原理、構(gòu)成與實現(xiàn)方法，并通過與傳統(tǒng)方案的對比分析，深刻揭示了此方案的穩(wěn)定性與廣泛適用性。 關(guān)鍵詞：Fieldbus網(wǎng)絡(luò)；計算機監(jiān)控系統(tǒng)；DCS系統(tǒng)；人機界面；智能儀表 1、引言 由于燃氣生產(chǎn)行業(yè)工況復(fù)雜，環(huán)境溫度較高，導(dǎo)致以往采用的人工參與的調(diào)節(jié)系統(tǒng)既不安全也不可靠。因此，在目前的燃氣生產(chǎn)行業(yè)中，多采用計算機監(jiān)控系統(tǒng)來替代傳統(tǒng)的人工監(jiān)控。這樣既提高了測量精度，也增加了安全性和可靠性。一個完整的計算機監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)包括硬件和軟件兩大部分，其中，硬件系統(tǒng)的實現(xiàn)主要涉及到了工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)集成與架構(gòu)設(shè)計工作，而軟件系統(tǒng)則主要是系統(tǒng)監(jiān)控軟件的編制，這其中包括軟件的設(shè)計、開發(fā)、調(diào)試與測試。在實際使用過程中，軟、硬件系統(tǒng)必須緊密結(jié)合，協(xié)同工作，只有這樣才能實現(xiàn)真正意義上的計算機監(jiān)控。 Fieldbus是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場，在微機化測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)的雙向、串行、多節(jié)點數(shù)字通信系統(tǒng)，也稱為開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。它將專用微處理器置人傳統(tǒng)的測量控制儀表，使它們各自都具有數(shù)字計算機和數(shù)字通信能力，采用可進行簡單連接的雙絞線等作為總線，把多個測量控制儀表連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并按公開、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于現(xiàn)場的多個微機化測量控制設(shè)備之間以及現(xiàn)場儀表與遠程監(jiān)控計算機之間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，形成了各種適應(yīng)實際需要的自動控制系統(tǒng)。 在燃氣生產(chǎn)行業(yè)的現(xiàn)行計算機監(jiān)控系統(tǒng)中采用Fieldbus網(wǎng)絡(luò)及其智能儀表組成的控制系統(tǒng)，將比采用傳統(tǒng)技術(shù)的控制系統(tǒng)（DCS系統(tǒng)）具有一些固有的技術(shù)優(yōu)勢。首先，F(xiàn)ieldbus網(wǎng)絡(luò)是一個全數(shù)字化的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)，其采用數(shù)字信號代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬信號，使其測量精度高，抗干擾性強。其次，它實現(xiàn)了控制功能的徹底分散，把控制下放到底層的智能化現(xiàn)場設(shè)備，既降低了成本又增加了安全性和可靠性。另外，基于總線的智能化現(xiàn)場儀表，可以對量程和零點進行遠方設(shè)定，具有儀表工作狀態(tài)自診斷功能，因此能進行多參數(shù)測量和對環(huán)境影響的自動補償。 綜上所述，在現(xiàn)行燃氣生產(chǎn)行業(yè)中采用基于Fieldbus網(wǎng)絡(luò)的計算機監(jiān)控系統(tǒng)能取得較好的測量效果與控制效果。 2 系統(tǒng)監(jiān)控方案： 在現(xiàn)場監(jiān)控層：智能化儀表和I／O模塊通過Fieldbus網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控機實時通信，操作員可通過監(jiān)控機實現(xiàn)對它們所有參數(shù)的設(shè)定與數(shù)據(jù)的采集。具體過程為：系統(tǒng)通過模擬量采集模塊（NIFP—AI—loo）或智能儀表采集到參數(shù)信息后，發(fā)送到總線上，然后總線信息通過現(xiàn)場總線接口卡采集到現(xiàn)場監(jiān)控計算機中，之后現(xiàn)場監(jiān)控機調(diào)用SQL SERVER數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲，并調(diào)用監(jiān)控軟件進行實時數(shù)據(jù)及歷史曲線的顯示。同時，在生產(chǎn)管理層，工廠管理級PC可通過NE2000網(wǎng)卡與監(jiān)控機相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和生產(chǎn)管理集成功能。 3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計： 在實際組網(wǎng)時，考慮到目前燃氣生產(chǎn)行業(yè)中現(xiàn)存有大量的模擬儀表，如果全部改成數(shù)字儀表進行網(wǎng)絡(luò)集成，勢必會造成現(xiàn)有設(shè)備的大量浪費，同時也會導(dǎo)致相應(yīng)成本的大幅提高，因此在設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時采取了兩種形式儀表共存的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，對部分不參與控制的、實時性要求較差的參數(shù)，如煙道溫度、煤氣氧含量參數(shù)，是通過原有模擬儀表進行采集，然后經(jīng)過模擬量采集模塊（NIFP—AJ—100）進行轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字信號發(fā)送到Fieldbus網(wǎng)絡(luò)上，而對于那些參與控制的、實時性要求較高的參數(shù)，如煤氣主管壓力、煙道吸力控制參數(shù)，則是直接通過智能化儀表（Sn LD302）進行采集，因采集到的信號已是數(shù)字信號，所以無需進行轉(zhuǎn)換，達到了快速顯示與控制的目的。 此套監(jiān)控系統(tǒng)采用總線式結(jié)構(gòu)，由監(jiān)控機（研華IPC610），8通道數(shù)據(jù)采集／輸出 模塊（FP—AI—100，F(xiàn)P—AO—200），和NI公司的數(shù)據(jù)通信模塊（NI FP—3000），光纖 收發(fā)器（LANTECH 10M）以及智能化儀表（SmarLD302）組成。系統(tǒng)總體控制結(jié)構(gòu)如圖1所示： 管理層PC通過網(wǎng)絡(luò)可實時對現(xiàn)場生產(chǎn)參數(shù)進行監(jiān)測。由圖可見，此套監(jiān)控系統(tǒng)是由現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)、控制層網(wǎng)絡(luò)與上層管理層網(wǎng)絡(luò)所組成的三級網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹、控制方便，能夠較好的實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與控制。 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計： FP—3000以及FP—AI—100、FP—AO—200的組態(tài)軟件選用NI公司的NI Configrator軟件。系統(tǒng)監(jiān)控程序采用Visualbasic6．0開發(fā)，以形象的人機界面形式供用戶對現(xiàn)場設(shè)備信息進行監(jiān)視、設(shè)置等操作，提供各種實時、歷史曲線顯示，實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的管理并具有顯示參數(shù)實時列表，打印報表等功能。 4．1 軟件功能塊結(jié)構(gòu)圖： 各功能塊所承擔(dān)的具體任務(wù)如下： 1．工藝流程顯示主要生產(chǎn)流程畫面及相關(guān)參數(shù)。 2．趨勢記錄以曲線圖形式顯示現(xiàn)場數(shù)據(jù)趨勢，可查看六天以內(nèi)的歷史紀(jì)錄。 3．參數(shù)列表以表格形式顯示所有參數(shù)，其中包括參數(shù)名、參數(shù)類型與相關(guān)量程等項目并可根據(jù)指定時間打印報表。 4．控制系統(tǒng)以圖形方式設(shè)置相應(yīng)PID控制參數(shù)。其中主要涉及比例帶、積分時間、微分時間等相關(guān)參數(shù)。 5．報警模塊顯示相關(guān)參數(shù)的報警信息。其中主要涉及報警時間、報警類型、故障來源等參數(shù)。 在實現(xiàn)時由主界面來統(tǒng)一調(diào)度各功能模塊來完成相應(yīng)的顯示與操作。 4．2 開發(fā)過程中涉及到的主要問題： 1．監(jiān)控程序與數(shù)據(jù)I／0之間的通信機制工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)多是實時的、動態(tài)的數(shù)據(jù)，因此，監(jiān)控系統(tǒng)如果要實現(xiàn)動態(tài)的數(shù)據(jù)采集與處理，如果采用傳統(tǒng)的單線程程序設(shè)計方式，往往不能很好的協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理模塊之間的通信。Windows是一個支持多任務(wù)的操作系統(tǒng)，一個Windows下的應(yīng)用程序（進程）可同時并發(fā)多個任務(wù)（即線程）。在我們的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計過程中，充分利用了Windows系統(tǒng)的多線程技術(shù)，為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理設(shè)置專門的線程，通過異步I／O和事件驅(qū)動I／0結(jié)合的方式處理數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理線程之間的通信。以下是兩個線程的不同分工： ①控制線程（主線程）：用于對通信線程中接受的數(shù)據(jù)進行計算、存儲和顯示，并可以通過用戶交互，設(shè)置現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)的控制參數(shù)，向其發(fā)送命令，改變其相應(yīng)的運行狀態(tài)。 ②通信線程（輔助線程）：負責(zé)監(jiān)聽串口狀態(tài)，處理監(jiān)控系統(tǒng)與底層網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)和指令的通信；將上傳的數(shù)據(jù)存放在指定的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，并發(fā)送消息給控制線程通知采集數(shù)據(jù)到達；通信超時探測。 綜上所述，通過使用多線程技術(shù)，在輔助線程中監(jiān)視串口，有數(shù)據(jù)到達時依靠事件驅(qū)動，讀人數(shù)據(jù)并向主線程報告，在主線程中發(fā)送控制命令，并使異步I／O技術(shù)依靠（overlapped）操作讓串口讀寫在后臺運行，通過I／0事件驅(qū)動和線程間的快速切換。監(jiān)控系統(tǒng)在實際應(yīng)用中可以達到接近實時的效果。 2．實時數(shù)據(jù)庫引擎的選擇 監(jiān)控系統(tǒng)的具體實現(xiàn)中。采用了高效的、基于多任務(wù)的OPC內(nèi)部實時數(shù)據(jù)庫引擎，OPC接口是一個統(tǒng)一規(guī)范。是基于OLE的由獨立銷售商制定的軟件接口。該接口在微軟的支持下。被自動化領(lǐng)域中的各大公司發(fā)展為一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。一個OPC服務(wù)器是為各生產(chǎn)廠商的應(yīng)用程序提供標(biāo)準(zhǔn)OPC接口的程序。不管使用何種通訊網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議。通過OPC接口訪問過程數(shù)據(jù)總是統(tǒng)一的。 一個OPC服務(wù)器構(gòu)成中間層。該層介于允許訪問被處理的過程數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序和允許訪問該數(shù)據(jù)的各網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與接口之間。從而在保證了系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)快速采集的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了對異種系統(tǒng)的開放支持。 4、結(jié)束語： 本文所介紹的應(yīng)用方案適用性較廣?？梢员粦?yīng)用在燃氣行業(yè)中的諸多領(lǐng)域。比如：在罐站管理、煉焦制氣監(jiān)測以及外網(wǎng)監(jiān)控管理中。都可以采取本方案。在提高安全性和可靠性的同時。達到理想的監(jiān)測效果。 原文請點擊下載：基于Fieldbus網(wǎng)絡(luò)的計算機監(jiān)控系統(tǒng)在燃氣行業(yè)中的應(yīng)用.pdf