方原柏
（昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院，650051）

摘  要：本文以廈門宇電公司的產(chǎn)品為例，敘述了顯示控制器、手操器、伺服放大器、工控模塊、PLC可編程控制器的性能，介紹了以這些設(shè)備為下位機(jī)的多種類型的AIDCS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：顯示控制儀表   數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)   分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

AIDCS Distributed Control System
FANG Yuan-bai
Abstract: Taking products of Xiamen YuDian company as an example, describes performance of the display and control instrument, manual manipulator, servo amplifier, control module, PLC programmable controller, introduces AIDCS data acquisition system and Artificial intelligence distributed control system formed by these devices.
Key words: Display and control instrument  Data acquisition system   Artificial intelligence distributed control system

1 概述
    就生產(chǎn)過程自動(dòng)化水平而言，大體可以劃分為參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)、參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)幾類。參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)為采用多臺(tái)數(shù)字顯示儀、記錄儀構(gòu)成的系統(tǒng)，生產(chǎn)過程所需要檢測(cè)的參數(shù)由安裝在儀表盤上的多臺(tái)數(shù)字顯示儀或記錄儀分別顯示；參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)與參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)類似，只不過生產(chǎn)過程部分參數(shù)有自動(dòng)控制的要求，因而由帶控制功能的數(shù)字顯示儀或記錄儀來完成；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則有上位機(jī)系統(tǒng)，它采集下位機(jī)或采集系統(tǒng)本身的I/O接口接入的生產(chǎn)過程參數(shù)，然后在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示反映生產(chǎn)過程狀態(tài)的各種參數(shù)、流程圖、報(bào)表等；分布式控制系統(tǒng)則采用系統(tǒng)本身的I/O接口或通過通信方式接入其他系統(tǒng)傳送過來的生產(chǎn)過程參數(shù)，還對(duì)有自動(dòng)控制要求的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制，然后在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示反映生產(chǎn)過程狀態(tài)的各種參數(shù)、流程圖、報(bào)表等。
    數(shù)字顯示儀和無紙記錄儀是一類價(jià)格低廉、功能豐富的儀表，既可在檢測(cè)參數(shù)特別少的場(chǎng)合應(yīng)用，也可在檢測(cè)參數(shù)較多甚至有部分控制回路的場(chǎng)合應(yīng)用。因此由數(shù)字顯示儀和無紙記錄儀構(gòu)成的參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)、參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)隨處可見。但我們現(xiàn)在關(guān)心的是當(dāng)數(shù)字顯示儀和無紙記錄儀具備較強(qiáng)的通信功能時(shí)，怎樣用它們來構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和分布式控制系統(tǒng)。
    顯示控制器的功能以顯示為主，一部分兼具控制功能，這類功能是常規(guī)顯示控制器的通用功能，可分別由多臺(tái)顯示器構(gòu)成常規(guī)數(shù)字化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和由多臺(tái)顯示控制器構(gòu)成常規(guī)數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)。一些公司顯示控制器的通信功能特別強(qiáng)，比如帶RS485通信接口，由此可構(gòu)成以顯示控制器為下位機(jī)的多種類型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。
    以下我們以廈門宇電公司產(chǎn)品為例，著重討論如何選用數(shù)字顯示控制器（包括無紙記錄儀）等儀表組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。
2 單機(jī)小型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
    AI系列分體式無紙記錄儀或人機(jī)界面觸摸屏可選配多種帶RS485通信接口的宇電二次儀表作為下位機(jī)，如單路、多路測(cè)量報(bào)警儀表，智能PID調(diào)節(jié)器/程序溫控器等，這包括盤裝儀表、導(dǎo)軌安裝型儀表、導(dǎo)軌安裝型工控模塊，可按需配置，分別購(gòu)買，自由組合及自由擴(kuò)充（見圖1）。
    分體式無紙記錄儀相當(dāng)于將測(cè)控單元與LCD顯示屏幕分開，由下位機(jī)完成測(cè)控單元功能，無紙記錄儀完成LCD顯示屏幕功能。其檢測(cè)通道數(shù)應(yīng)在訂貨時(shí)注明，如8、10、12、18、24、30、36、48通道，更多的通道數(shù)可與廠方協(xié)商。這一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是擴(kuò)展方便、價(jià)格低廉、無需組態(tài)。

圖1  單機(jī)小型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
3 分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)
    廈門宇電公司推出的AIDCS智能分布式控制系統(tǒng)（Artificial Intelligence Distributed Control System）是一種建立在工控網(wǎng)絡(luò)上的工業(yè)過程控制系統(tǒng)，“智能分布式”概念是指控制系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)下位機(jī)單元都具有微處理芯片和足夠功能的智能軟件來實(shí)現(xiàn)獨(dú)立工作的能力，并且可以隨意分散布置，但對(duì)于管理者（上位機(jī)）而言，一個(gè)設(shè)備或一個(gè)工序（工段、車間、工廠）所有的下位機(jī)又可透過網(wǎng)絡(luò)集成為一個(gè)整體進(jìn)行操作和監(jiān)控。
    目前市場(chǎng)使用的DCS（Distributed Control System）集散控制系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)非網(wǎng)絡(luò)化二次儀表的進(jìn)步主要在于重視了“集中”，即全部系統(tǒng)透過網(wǎng)絡(luò)集中為一個(gè)整體系統(tǒng)，這大大方便了對(duì)生產(chǎn)工藝的監(jiān)控、操作，無疑是工業(yè)自動(dòng)化的一大進(jìn)步，但現(xiàn)有DCS系統(tǒng)卻丟失了*初的“分布”（Distributed）理念，下位機(jī)無法脫離上位機(jī)和網(wǎng)絡(luò)工作，系統(tǒng)存在**隱患。并且DCS因高度集成而不是一個(gè)開放的系統(tǒng)，并不利于產(chǎn)業(yè)的良性競(jìng)爭(zhēng)和技術(shù)升級(jí)，無法實(shí)現(xiàn)客戶利益*大化，F(xiàn)CS現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)相對(duì)DCS而言實(shí)現(xiàn)了開放性，但其下位機(jī)仍無法脫離網(wǎng)絡(luò)工作，并沒有真正實(shí)現(xiàn)“分布式”的理念，而且由于FCS采用了昂貴的高速、多主機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致其成本反而比DCS更高。
    AIDCS像DCS和FCS一樣，具有系統(tǒng)集中為一個(gè)整體的優(yōu)點(diǎn)，而對(duì)DCS及FCS改進(jìn)的是，AIDCS每臺(tái)下位機(jī)自身集成了模擬量、開關(guān)量的輸入輸出，以及PID調(diào)節(jié)和復(fù)雜調(diào)節(jié)算法功能，即使脫離了上位機(jī)甚至網(wǎng)絡(luò)仍可以獨(dú)立完成現(xiàn)場(chǎng)需要的控制功能，并且可以分散布置甚至能透過面板或操作器直接現(xiàn)場(chǎng)人工操作。
    AIDCS系統(tǒng)由AI系列二次儀表、組態(tài)軟件、上位計(jì)算機(jī)及通信線路組成，系統(tǒng)中每項(xiàng)產(chǎn)品，客戶都可以自由選擇不同廠家的產(chǎn)品。AIDCS是一個(gè)完全開放的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，既實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控與操作的集中，下位機(jī)又可自由分散布置，在脫離網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)環(huán)境條件下仍能保持正常工作。AIDCS在成本控制方面，AIDCS采用速度較低、但可靠性高且通信距離長(zhǎng)的RS485通信接口，由于采用了AIBUS高效通信協(xié)議，并且下位機(jī)實(shí)時(shí)控制并不依賴于網(wǎng)絡(luò)，采用RS485數(shù)據(jù)刷新時(shí)間亦小于1s，保證了監(jiān)控及操作的實(shí)時(shí)性，并可組建大型系統(tǒng)。
     AIDCS可提供與DCS及FCS一樣的集中監(jiān)控與操作的功能，基于AI系列二次儀表帶有的OPC驅(qū)動(dòng)，有眾多進(jìn)口及國(guó)產(chǎn)軟件可供選擇，如組態(tài)王、WinCC、Ifix、華富、MCGS、宇電AIDCS、三維等各種國(guó)產(chǎn)及進(jìn)口軟件，功能方面比如流程圖、實(shí)時(shí)曲線、歷史記錄、報(bào)表、配方管理等等，可以做到應(yīng)有盡有，比系統(tǒng)封閉的DCS具有更高的性價(jià)比及更豐富的功能。
    AIDCS智能分布式控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)FCS或DCS結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、更**、成本更低，是工業(yè)過程控制發(fā)展的方向之一。

圖2  AIDCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
    圖2中，來自工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各類檢測(cè)信號(hào)和執(zhí)行器信號(hào)通過作為下位機(jī)的盤裝型儀表、導(dǎo)軌安裝型儀表、導(dǎo)軌安裝型工控模塊，采用RS485通訊接口的AIBUS協(xié)議后，再通過RS232/RS485轉(zhuǎn)換器傳送到上位機(jī)，上位機(jī)通常采用安裝組態(tài)軟件的工控機(jī)或普通計(jì)算機(jī)。用戶還可選擇通過局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，連接管理層計(jì)算機(jī)，以便為管理人員提供工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及報(bào)表。
    值得注意的是，在我們的印象中，數(shù)字顯示控制器是用于模擬量測(cè)量參數(shù)的，那么AIDCS系統(tǒng)是否只能接入模擬量輸入?yún)?shù)呢？從圖2的中下部我們可以看到輸入?yún)?shù)既包括模擬量輸入，也包括去執(zhí)行器的模擬量輸出，還包括開關(guān)量輸入和開關(guān)量輸出/報(bào)警輸出。模擬量輸入?yún)?shù)可通過常見的數(shù)字顯示控制器或工控模塊接入；去執(zhí)行器的模擬量輸出可通過AI-708J手操器、伺服放大器接入；開關(guān)量輸入和開關(guān)量輸出/報(bào)警輸出可通過工控模塊或PLC可編程控制器接入。所以在接入?yún)?shù)上，它是與DCS、PLC一致的。
    通常可采用工業(yè)專用帶屏蔽的雙絞線連接50~60臺(tái)儀表，通訊距離1.2km。AIBUS通訊協(xié)議簡(jiǎn)單高效又功能齊全。高精度型儀表在19.2k波特率下讀取3個(gè)常用變量及1個(gè)參數(shù)的速度僅為20ms，經(jīng)濟(jì)型儀表亦只需要50ms，比常用如MODBUS協(xié)議快2～10倍，采用AIBUS協(xié)議的系統(tǒng)，無論組建小系統(tǒng)還是大、中型系統(tǒng)均可達(dá)到與DCS幾乎同等的使用效果，而一般儀表通訊效率低，超過一定數(shù)量則數(shù)據(jù)更新慢、顯示效果差，只能應(yīng)用于小型的系統(tǒng)。
    當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)溫度參數(shù)程序控制應(yīng)用時(shí)，可能有圖3中的兩個(gè)實(shí)施方案：方案A是利用上位機(jī)組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)改寫下位機(jī)AI-719型儀表（不帶程序控制功能）的給定值SV，方案B則選取自身帶程序控制功能的AI-719P型儀表，程序是在儀表自身內(nèi)設(shè)置的，即使脫離了網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)，系統(tǒng)依舊可以正常工作。雖然二者使用的硬件和通訊協(xié)議基本一致，但按照宇電公司關(guān)于AIDCS系統(tǒng)定義，一旦脫離了網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)，方案A中下位機(jī)AI-719即無法自我進(jìn)行程序控制，而方案B在脫離了網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)后，下位機(jī)AI-719P仍然可以自我進(jìn)行程序控制，因此只有方案B才符合宇電公司關(guān)于AIDCS系統(tǒng)功能的定義。

圖3  溫度參數(shù)程序控制的應(yīng)用方案
    據(jù)介紹，自1997年推出頭個(gè)基于WINDOWS與AI儀表的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)以來，在各行業(yè)中累計(jì)成功運(yùn)用的項(xiàng)目已超過1萬個(gè)，早期系統(tǒng)一直正常運(yùn)行至今，證明智能分布式控制系統(tǒng)的可靠性是經(jīng)受檢驗(yàn)的。
    在一家聚氨酯生產(chǎn)工藝的反應(yīng)釜批料定量控制過程中，雖然只有3臺(tái)反應(yīng)釜定量加料流量積算儀設(shè)備及其控制電磁閥、2點(diǎn)反應(yīng)釜溫度顯示控制儀及2臺(tái)10路開關(guān)量輸入、1臺(tái)8路開關(guān)量輸出的導(dǎo)軌安裝型工控模塊，再加上宇電公司的工控組態(tài)軟件及計(jì)算機(jī)，就可以實(shí)現(xiàn)3套反應(yīng)釜定量加料設(shè)備控制、反應(yīng)釜溫度顯示記錄及聚氨酯的反應(yīng)情況顯示，可提供實(shí)時(shí)曲線、實(shí)時(shí)報(bào)警、記錄并保存所有數(shù)據(jù)。對(duì)于這樣一個(gè)只有5個(gè)模擬量、二十多個(gè)開關(guān)量的單一設(shè)備的監(jiān)測(cè)控制來說，采用DCS、PLC之類控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上述功能肯定沒問題，但是投資可能太大了，而采用AIDCS計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可能是性能價(jià)格比*高、應(yīng)用*靈活的系統(tǒng)。
4 結(jié)束語(yǔ)
    對(duì)于用戶來說，只要性能和價(jià)格適合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的儀表和系統(tǒng)，那就是*好的儀表和系統(tǒng)。特別是針對(duì)單臺(tái)設(shè)備、簡(jiǎn)單的工藝和需要實(shí)現(xiàn)溫度控制的場(chǎng)合，或許AIDCS計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)就是*好的選擇。

參考資料：
[1] 宇電公司.產(chǎn)品選型手冊(cè).2017.
[2] 宇電公司.宇電應(yīng)用案例專集.2012.

作者簡(jiǎn)介：
方原柏，1942年生，男，湖北黃岡人，昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院電氣自動(dòng)化分院教授級(jí)**工程師，昆明儀器儀表學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)，中國(guó)衡器協(xié)會(huì)技術(shù)專家委員會(huì)顧問，衡器、冶金自動(dòng)化、儀表世界、儀器儀表與自動(dòng)化等雜志編委，主要從事儀器儀表、控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究，曾出版“電子皮帶秤的原理及應(yīng)用”（1994年，冶金工業(yè)出版社）、“電子皮帶秤”（2007年，冶金工業(yè)出版社）“工業(yè)無線通信技術(shù)及應(yīng)用”（2015年化學(xué)工業(yè)出版社）、“有色金屬生產(chǎn)過程自動(dòng)化”（2015年，人民郵電出版社）四本專著，發(fā)表論文310篇。