武平麗，翟志華

（黃河水利職業(yè)技術學院，河南 開封 475004）

0 引言

當今社會，技術的發(fā)展和設備的更新?lián)Q代日新月異、突飛猛進。 基于智能化、網(wǎng)絡化、集成化、可視化思想，通過吸收當今先進技術，將使企業(yè)實現(xiàn)設計數(shù)字化、制造裝備數(shù)字化、生產(chǎn)過程數(shù)字化、管理數(shù)字化和辦公數(shù)字化[1]。 基于數(shù)字化工廠的過程控制實訓中心是集自動化技術、計算機技術、網(wǎng)絡通信技術、先進制造技術于一體的多專業(yè)知識和技術的集成。該方案利用相對少量的硬件設備和強大的工業(yè)控制軟件，模擬數(shù)字化工廠控制工程的設計、安裝、仿真調試和投運，以最大限度地發(fā)揮實訓中心的效率，提高學生的工程控制能力。 本文主要研究基于生產(chǎn)過程數(shù)字化的過程控制技術綜合應用實訓中心的建設方案。

1 數(shù)字化工廠概述

一個現(xiàn)代化的數(shù)字化工廠網(wǎng)絡，必定是兼顧高可靠性、高速度的網(wǎng)絡，其網(wǎng)絡架構的設計和網(wǎng)絡設備的選擇都是非常重要的。

1.1 數(shù)字化工廠網(wǎng)絡架構

數(shù)字化工廠網(wǎng)絡包括企業(yè)資源計劃系統(tǒng)（ERP）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、過程控制系統(tǒng)（PCS）和現(xiàn)場設備四層[2]。 ERP 系統(tǒng)可以對公司內部業(yè)務流程和管理過程進行優(yōu)化，使主要的業(yè)務流程實現(xiàn)自動化。 MES 能通過信息傳遞對從訂單下達到產(chǎn)品完成的整個生產(chǎn)過程進行優(yōu)化管理。 PCS（Process Cortrol System） 主要指數(shù)字化工廠的現(xiàn)代分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS），包含PLC及FCS，是數(shù)字化工廠的工程控制核心所在。 現(xiàn)場設備主要是變送器（包括傳感器等）和識讀器。 數(shù)字化工廠網(wǎng)絡構架如圖1 所示[3]。

圖1 數(shù)字化工廠網(wǎng)絡構架Fig.1 Digital factory network construction

1.2 數(shù)字化工廠的分布式控制系統(tǒng)DCS

數(shù)字化工廠的核心DCS（國內習慣稱之為集散控制系統(tǒng)）是以微處理器為基礎，對生產(chǎn)進行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制的綜合性控制系統(tǒng)。 它的主要基礎是4C 技術，即計算機（Computer）、控制（Control）、通信（Communication）和CRT 顯示技術[4]。

DCS 系統(tǒng)將若干臺微機分散應用于過程控制，全部信息通過通信網(wǎng)絡由上位管理計算機監(jiān)控，實現(xiàn)最優(yōu)化控制。 該系統(tǒng)繼承了常規(guī)儀表分散控制和計算機集中控制的優(yōu)點，克服了常規(guī)儀表功能單一、人機聯(lián)系差，以及單臺微型計算機控制系統(tǒng)危險性高度集中的缺點，實現(xiàn)了在線管理、操作、顯示3 方面的集中和功能、負荷、危險性3 方面的分散，也為正在發(fā)展的、先進的新型控制系統(tǒng)提供了必要的工具和手段[5]。 DCS 網(wǎng)絡結構如圖2 所示。

圖2 數(shù)字化工廠DCS 系統(tǒng)網(wǎng)絡結構Fig.2 Digital factory DCS system network

從圖2 中可以看出，網(wǎng)絡和總線通信在工廠中非常重要。 在控制單元和現(xiàn)場儀表之間加入現(xiàn)場總線，可大大提高系統(tǒng)的可靠性和可維護性。 在控制單元和監(jiān)控管理計算機（操作員站、工程師站）之間，具有工業(yè)冗余環(huán)網(wǎng)，從而具有極高的可靠性和實時性。

2 模擬生產(chǎn)過程數(shù)字化實訓中心的建設

過程控制實訓中心主要是針對數(shù)字化工廠的過程控制系統(tǒng)（PCS）與現(xiàn)場設備這兩個層次的自動化技能訓練目標來建設的。 其布置既要仿照數(shù)字化工廠結構， 建成一個工業(yè)控制局域網(wǎng)， 又要滿足“教、學、做”一體化的要求。 生產(chǎn)過程數(shù)字化實訓中心包括控制對象系統(tǒng)（控制對象裝置、工業(yè)現(xiàn)場儀表）、實訓控制系統(tǒng)（上位控制系統(tǒng)）、多媒體現(xiàn)場教學設備3 大部分。

2.1 模擬控制對象系統(tǒng)

要想模擬工廠的數(shù)字化控制，首先要有仿工業(yè)設備的實訓控制對象裝置。 要實現(xiàn)工業(yè)對象的自動化控制，就要有能夠檢測、傳送工業(yè)生產(chǎn)過程參數(shù)的檢測變送儀表和對物料流、能量流直接進行調節(jié)的識讀器。 實訓控制對象系統(tǒng)包括控制對象裝置和工業(yè)現(xiàn)場儀表，能夠完成過程控制工程設計、安裝、調試、投運、運行與維護等綜合技能訓練。 實訓控制對象系統(tǒng)應該滿足以下條件：（1）實訓控制對象應該仿照工業(yè)設備結構而制造，要具有較強現(xiàn)場設備感、較豐富的設備種類。 （2）包括工業(yè)生產(chǎn)中常見的某些設備（如加熱爐、液位容器、換熱器等）、閥門與管道等，并能利用現(xiàn)場閥門與管路實現(xiàn)對象間的組合與分隔。 （3）單套實訓對象裝置至少能形成兩個可同時運行的獨立控制系統(tǒng)。 （4）具有多種流量檢測儀表，能夠通過調節(jié)閥、變頻調速等典型方式實現(xiàn)控制任務。 （5）現(xiàn)場設備及管路上用于組建聯(lián)合保護系統(tǒng)的檢測與控制點最好不少于5 點。 突出現(xiàn)場檢測變送器和識讀器，能體現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場儀表、信號管線的工業(yè)安裝。

選購控制對象裝置時，可以選購成套產(chǎn)品，如北京華晟高科教學儀器有限公司、浙江中控科教儀器設備有限公司、浙江天煌科技實業(yè)有限公司等單位的產(chǎn)品，都能滿足要求，也可以自己選購不銹鋼管道、閥門、有機玻璃、不銹鋼板等材料和各種儀表，來制作實訓控制對象系統(tǒng)。 表1 為過程控制對象系統(tǒng)的參考設備及材料表，可根據(jù)所需對象系統(tǒng)的臺套數(shù)自行進行配置。

2.2 模擬工廠實訓系統(tǒng)

近年來，占我國市場份額10%以上的DCS 系統(tǒng)有ABB 公司的IndustrialIT 系統(tǒng)、Emerson 公司的Plantweb 系統(tǒng)、和利時公司的HOLLiAS MACS 系統(tǒng)和Honeywell 公司的Experion PKS 系統(tǒng)[6]。 其中，HOLLiAS MACS 系統(tǒng)是具有自主知識產(chǎn)權的國產(chǎn)控制系統(tǒng)，也是我國應用最廣的DCS 控制系統(tǒng)之一，而且與國外自動化產(chǎn)品相比， 具有絕對的價格優(yōu)勢。應該說明的是，不管采用哪一家的產(chǎn)品都要求系統(tǒng)本身為開放式設計，可以接受多種上位控制系統(tǒng)，也可以與其他控制系統(tǒng)進行良好的銜接。

表1 模擬生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的設備及材料Table 1 Equipments and materials of simulation production process control system

在本實訓中心建設方案中，實訓控制系統(tǒng)選用和利時公司的MACS_V 系統(tǒng)。MACS_V 系統(tǒng)的控制器CPU 采用工業(yè)級RISC 芯片，基于實時操作系統(tǒng)，能夠保證控制精確和系統(tǒng)的實時、高效性。 該系統(tǒng)采用網(wǎng)絡冗余、控制器冗余、電源模件冗余、I/O 模件冗余等多種冗余結構形式，安全、穩(wěn)定、可靠。 其開放的網(wǎng)絡系統(tǒng)支持Profibus-DP 現(xiàn)場總線，支持FF、CAN、HART等，還提供ODBC和OPC接口，支持Internet接入，提供標準的RS-485、RS-232、ModBUS 通信協(xié)議接口。 圖3 為MACS_V 系統(tǒng)核心硬件體系結構。

圖3 MACS_V 系統(tǒng)核心硬件體系結構Fig.3 Core hardware system structure of MACS_V system

實訓中心的教師機就是控制系統(tǒng)的工程師站兼服務器，學生機就是操作員站。 控制對象系統(tǒng)模擬工業(yè)現(xiàn)場裝置， 整個實訓中心模擬數(shù)字化工廠，構成一個工業(yè)控制局域網(wǎng)，每臺計算機都可以對控制對象系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)測與控制。

2.3 多媒體現(xiàn)場教學設備

實訓中心的多媒體現(xiàn)場教學設備包含投影儀、計算機、中央控制臺、無線領夾麥克、臺式麥克、擴音設備、實物視頻展臺和電動屏幕、學生桌椅等。

3 工業(yè)控制軟件在實訓中心使用

3.1 工業(yè)控制軟件的安裝

實訓控制系統(tǒng)采用了和利時的MACS_V 系統(tǒng)，需要安裝MACSV_v1.1.0+SP2 工業(yè)控制軟件。 在安裝時，應按照默認路徑，依次安裝光盤上前5 項，即依次進行CodeSys2.3 安裝、SQL 數(shù)據(jù)庫安裝、 工程師組態(tài)程序安裝、 操作員站安裝和服務器安裝，最后再進行系統(tǒng)補丁的安裝。 在安裝過程中，計算機要求重新啟動的一定要重新啟動，裝完SQL 數(shù)據(jù)庫后一定要重新啟動。

3.2 工業(yè)控制軟件的使用

MACS 系統(tǒng)軟件給用戶提供了一個通用的系統(tǒng)組態(tài)和運行控制平臺，應用系統(tǒng)需要通過工程師站軟件組態(tài)產(chǎn)生，即把通用系統(tǒng)提供的模塊化的功能單元按一定的邏輯組合起來，形成一個能完成特定要求的應用系統(tǒng)。 系統(tǒng)組態(tài)后，將產(chǎn)生應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫、控制運算程序、歷史數(shù)據(jù)庫、監(jiān)控流程圖，以及各類生產(chǎn)管理報表[7]。 特別是MACS_V 工業(yè)控制軟件的離線實時調試和仿真功能，可以對控制方案進行離線實時調試，檢查控制方案的執(zhí)行順序和執(zhí)行結果，驗證方案的正確性；能夠模擬真實的生產(chǎn)裝置，再現(xiàn)真實生產(chǎn)過程的實時動態(tài)特性；能夠以具體工程項目的中央控制室為核心進行仿真，把一個連續(xù)的生產(chǎn)過程移入教學過程，使學生在逼真的操作環(huán)境中取得良好的操作技能訓練效果。

4 實訓中心可開展專業(yè)課程訓練

4.1 可開展的專業(yè)課程

以該方案建成的實訓中心，可服務于過程控制自動化技術專業(yè)、電氣自動化技術專業(yè)、樓宇自動化技術專業(yè)、發(fā)電廠及電力系統(tǒng)專業(yè)。 主要適用于化工工藝、傳感器與自動檢測技術、自動控制原理、檢測儀表與變送器、過程控制系統(tǒng)、自控系統(tǒng)安裝施工圖識圖與預算、工控網(wǎng)絡組建與調試、自動化儀表的選擇、DCS 系統(tǒng)配置、組態(tài)與調試、DCS 系統(tǒng)的安裝與維護等課程。

4.2 可開展的訓練項目

模擬實際工業(yè)控制網(wǎng)絡建設的實訓中心是自動化技術相關專業(yè)的綜合技能實訓場所，主要適用的教學訓練項目有（1）分布式控制系統(tǒng)的硬件集成和軟件集成；（2）現(xiàn)場級儀表與設備的選型、標定與安裝；（3） 過程控制自動化儀表管路的安裝；（4）儀表輔助設備的制作、安裝與工程驗收；（5）傳感器及取源部件的識讀與安裝；（6） 常用控制系統(tǒng)的投運和參數(shù)整定；（7） 控制方案的建立及控制系統(tǒng)組態(tài)與仿真；（8）系統(tǒng)的調試、投運與運行、維護等。 除此之外，還可完成化工儀表維修中、高級職業(yè)資格鑒定和化工總控工職業(yè)資格鑒定。

5 結語

綜上所述，模擬數(shù)字化工廠實訓中心的建設方案具有先進的網(wǎng)絡技術、 先進的管控一體化系統(tǒng)、先進的冗余技術、先進的監(jiān)控技術。 通過對現(xiàn)代化數(shù)字工廠的仿真模擬，體現(xiàn)了最具代表性、清晰、完整的工廠構架，能夠體現(xiàn)出現(xiàn)代化工廠的特點。 使用這樣的實訓中心，即使是在學校的實訓室里，也能讓學生感受到真實工廠的氛圍。

[1] 湯偉. 計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展及行業(yè)應用 [EB/OL]. [2009-06-16] http://www.xyinfo.gov.cn.

[2] 樂嘉謙. 化工儀表維修工[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社，2005: 55-58.

[3] 武平麗，高國光. 流程工業(yè)工程控制[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社，2008:1-2.

[4] 張德泉. 集散控制系統(tǒng)原理及其應用[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社，2007:1.

[5] 趙眾，馮曉東. 集散控制系統(tǒng)原理及其應用[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社，2007:2-7.

[6] MIR 睿工業(yè)，2009 中國DCS 市場分析[EB/OL].[2010-08-21] http//:www.ruigongye.com.

[7] 王常力，羅安. 分布式控制系統(tǒng)（DCS）設計與應用實例[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社，2004:74-85.