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(guī)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(tǒng)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(nèi)，主要負責PLC-3與兩個VME框架之間的數(shù)據(jù)通訊。

隨著自動化技術的迅猛發(fā)展以及現(xiàn)場工作人員對控制系統(tǒng)要求的不斷提高，原有控制系統(tǒng)的部分功能已明顯 不能適應當今現(xiàn)代化工業(yè)大生產(chǎn)的要求。其中，由于原監(jiān)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(jiān)控和數(shù)據(jù)采集）系統(tǒng)是非常必要的。

二、原系統(tǒng)監(jiān)控功能的實現(xiàn)形式及其不足

2.1原系統(tǒng)監(jiān)控功能的實現(xiàn)形式

由于在最初設計和投產(chǎn)時監(jiān)控技術發(fā)展得仍很不完善，原計算機控制系統(tǒng)并沒有建立起一套功能齊備的監(jiān)控系統(tǒng)，僅是利用一些產(chǎn)品和技術手段實現(xiàn)了部分簡單的監(jiān)控功能。原系統(tǒng)監(jiān)控功能的實現(xiàn)主要利用美國DIGITAL公司生產(chǎn)的視頻終端產(chǎn)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(tǒng)進行通訊。 VT320與主系統(tǒng)的連接有直接和間接兩種方式，原系統(tǒng)采用電纜直接連接方式。VT320主要由兩部分構成：終端監(jiān)視器單元和鍵盤。現(xiàn)場人員利用鍵盤鍵入 命令的方式與主系統(tǒng)進行通訊，主系統(tǒng)傳遞給監(jiān)視器的數(shù)據(jù)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(nèi)容可以利用打印機打印出來。VT420與VT320是同一系列的產(chǎn)品，在功能上幾乎完全相 同。

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

2.2原系統(tǒng)監(jiān)控功能的不足

1. 不能對工程師感興趣的數(shù)據(jù)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(shù)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(tǒng)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(tǒng)與應用軟件）多為老式的專用系統(tǒng)，不利于技術人員的培訓及將來的工藝改造，系統(tǒng)調(diào)試極其困難；
8. 不能根據(jù)使用人員的特殊要求進行適當?shù)恼{(diào)整，功能單一，適應性差，開放性差,擴展性差。

三、SCADA系統(tǒng)介紹

SCADA系統(tǒng)是伴隨著DCS（distributed control system, 分散型控制系統(tǒng)）的發(fā)展而被廣泛應用起來的。SCADA系統(tǒng)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(tǒng)一般的組成結構和實現(xiàn)形式。

3.1 SCADA系統(tǒng)的硬件基本結構

SCADA系統(tǒng)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(tǒng)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(yè)計算機為主體所組成的中心控制系統(tǒng)，主要用于生產(chǎn)調(diào)度、系統(tǒng)協(xié)調(diào)和質(zhì)量控制管理，對各種參數(shù)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(wǎng)實現(xiàn)更大范圍的信息通信；

3.1.2 監(jiān)控級計算機

是幾個由工業(yè)計算機為主體所組成的過程監(jiān)控設備，主要用于對位于其下位的現(xiàn)場控制器進行集中控制、監(jiān)督控制、最佳控制以及設定和修改參數(shù)，并對被監(jiān)視工藝過程可能出現(xiàn)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(shù)字控制裝置、數(shù)據(jù)采集裝置和多功能控制裝置等在內(nèi)）的現(xiàn)場控制器所組成的生產(chǎn)過程控制裝置，主要功能是通過各種傳感器和執(zhí)行機構等進行現(xiàn)場過程參數(shù)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(wǎng)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(wǎng)，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(shù)據(jù)交換，共同完成對整個工藝過程的監(jiān)視和控制工作。

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

3.2監(jiān)控組態(tài)軟件

監(jiān)控組態(tài)軟件是面向SCADA系統(tǒng)的軟件平臺工具 ，它在自動監(jiān)控系統(tǒng)中處于非常重要的地位。處于運行狀態(tài)的監(jiān)控組態(tài)軟件是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集處理中心、遠程監(jiān)視中心和數(shù)據(jù)轉發(fā)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(tài)” （configuration）的概念也是伴隨著DCS而發(fā)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(zhí)行特定任務，滿足使用者要求的目的。監(jiān)控組態(tài)軟件就是用于監(jiān)控生產(chǎn)等自動化過程的組態(tài)軟件。監(jiān)控組態(tài)軟件最早出現(xiàn)時，HMI（human machine interface）或MMI(man machine interface)是其主要內(nèi)涵，即主要解決人機圖形界面問題。隨著監(jiān)控技術的快速發(fā)展，實時數(shù)據(jù)庫、實時控制、SCADA、通信及聯(lián)網(wǎng)、開放數(shù)據(jù)接 口、對I/O設備的廣泛支持等已成為監(jiān)控組態(tài)軟件的主要內(nèi)容。

監(jiān)控組態(tài)軟件具有如下基本特點：

1. 實時多任務：這是監(jiān)控組態(tài)軟件最突出的特點。在SCADA系統(tǒng)中，實時多任務主要體現(xiàn)于數(shù)據(jù)采集與輸出、數(shù)據(jù)處理與算法實現(xiàn)、圖形顯示及人機對話、實時數(shù)據(jù)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(tài)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(tǒng)應穩(wěn)定可靠地運行。如果對系統(tǒng)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(tǒng)。

3.3 SCADA系統(tǒng)的功能

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

四、新SCADA系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

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

4.1系統(tǒng)的硬件配置和通信網(wǎng)絡

過程監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集計算機采用羅克韋爾自動化公司的工業(yè)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(wǎng)卡，此網(wǎng)卡是IBM計算機與DH＋網(wǎng)的接口模塊，它允許監(jiān)控計算機的PC總線與DH+網(wǎng)上的PLC-5和PLC-3進行 通訊。DH＋（Data Highway Plus，高速數(shù)據(jù)通道）也是羅克韋爾自動化公司的產(chǎn)品，是一個設計用來支持工廠現(xiàn)場應用、遠方編程的局域網(wǎng)絡，它在A-B公司的復合型PLC網(wǎng)絡中處于 非常重要的地位。DH＋網(wǎng)位于承上啟下的中間層，向上與管理網(wǎng)相連，向下與現(xiàn)場控制的遠程I/O鏈路相連，實現(xiàn)過程監(jiān)控級功能 。益昌廠DH+網(wǎng)上所有PLC和工作站的通信速率都設置為57.6kb/s。

系統(tǒng)硬件配置和通信網(wǎng)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(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞的流程非常 簡單明了，監(jiān)控計算機通過KTX網(wǎng)卡可直接與掛在DH+網(wǎng)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(jiān)控計算機。這樣，平整機自動控制系統(tǒng)中所有的變量均可被SCADA 系統(tǒng)獲得。

4.2監(jiān)控組態(tài)軟件RSView32的應用

監(jiān)控組態(tài)軟件應用羅克韋爾自動化公司的產(chǎn)品RSView32。RSView32是基于Windows操作系統(tǒng)的應用軟件，可在微軟公司W(wǎng)IN9x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(wěn)定。

RSView32是用來開發(fā)并運行MMI項目的集成軟件包，可以有效地幫助工程師來監(jiān)視和控制工業(yè)自動化系統(tǒng)。為更好的實現(xiàn)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(yè)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(chuàng)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(tài)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(tǒng)的網(wǎng)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(xiàn)OPC（OLE for process control, OLE應用于工業(yè)控制領域）、DDE（dynamic data exchange,動態(tài)數(shù)據(jù)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(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、控制及通訊傳輸提供了完善的軟件支持。監(jiān)控組態(tài)軟件的構成及通信框圖如圖3所示。

4.3系統(tǒng)功能

通過硬件的配置和軟件的應用，益昌廠平整機監(jiān)控系統(tǒng)不僅達到了通用人機界面的功能，而且針對現(xiàn)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(jiān)視和控制平整軋制自動化系統(tǒng)，對生產(chǎn)過程的改善起到了良好的效果，有效地彌補了 原系統(tǒng)的不足。其主要功能介紹如下：
 

• 4.3.1可用動態(tài)圖畫表示生產(chǎn)設備和過程，監(jiān)視和控制實時數(shù)據(jù)

例如在平整機監(jiān)控系統(tǒng)的主畫面（圖4）中，雙機架平整機的整個生產(chǎn)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(tài)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(shù)值均可實時顯示在畫面上。所有 畫面均可實現(xiàn)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(jù)變量的不同性質(zhì)分別設定為1秒和0.1秒。

圖4 雙機架平整機SCADA系統(tǒng)主畫面

4.3.2 查看過程數(shù)據(jù)的實時或歷史趨勢圖

現(xiàn)場工程師可隨時觀看所關心數(shù)據(jù)的實時趨勢圖和棒狀圖，并可方便的以趨勢圖的形式調(diào)出以往任意時間的歷史數(shù)據(jù)。趨勢圖操作簡便，功能強大。平整生產(chǎn)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(tǒng)中的重要 課題。在本系統(tǒng)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(jù)需要進行縮放或坐標軸調(diào)整。另外，與延伸率密切相關的控制 參數(shù)，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(chǎn)品質(zhì)量、尤其是對 現(xiàn)場實時動態(tài)調(diào)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(tǒng)的報警信息分為系統(tǒng)報警和過程報警兩個部分。系統(tǒng)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(tǒng)軟件中已對大量重要參數(shù)做了報警設置，并以數(shù)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(jù) 現(xiàn)場生產(chǎn)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(jù)不同的報警級別，界面顯示不同的顏色提示現(xiàn)場人員。報警信息（如時間、內(nèi) 容、等級等）均可自動記錄并保存下來。VME系統(tǒng)報警界面見圖6。

4.3.4 在記錄文件中收集數(shù)據(jù)

現(xiàn)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(jù)對變量的不同要求，數(shù)據(jù)存儲的觸發(fā)方式有三種：根據(jù)周期(Periodic)、根據(jù)變化(On Change)

圖5 機架間張力與延伸率的關系趨勢圖

和根據(jù)需要（On demand）。其中根據(jù)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(tǒng)中設定每小時生成一個存儲文件，根據(jù)變量的不同性質(zhì)觸發(fā)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(jù)文件名即可獲知文件的生成時間（年、月、日、小時）。

4.3.5 數(shù)據(jù)錄入功能

現(xiàn)場人員可根據(jù)需要進行數(shù)據(jù)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(tǒng)，在軟件應用程序上也可根據(jù)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(tǒng)控制性能進一步提高的要求。

4.3.8 開放的網(wǎng)絡接口

可以便捷的用多種網(wǎng)絡形式與上級管理計算機進行接口，實現(xiàn)完善的廠區(qū)綜合控制。

4.3.9 打印

可以對任何現(xiàn)場工程師關心的數(shù)據(jù)、圖形、趨勢曲線、歷史報表等進行實時或屏拷打�。�

圖6 VME系統(tǒng)報警界面

4.3.10 技術培訓

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

五、結論

SCADA系統(tǒng)作為一項技術完善、功能齊備的監(jiān)控實現(xiàn)手段，在現(xiàn)階段的自動化系統(tǒng)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(tǒng)幾個月來在現(xiàn)場實際運行的結果表明，該系統(tǒng)設計合理，運行穩(wěn)定，有效彌補了原有監(jiān) 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(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

參考文獻

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9. Rockwell Software. RSView32 User’s Guide, 1998

作者簡介

楊兆暉，男，1977年生，2003年畢業(yè)于東北大學研究生院，工學碩士�，F(xiàn)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(yè)自動化和直、交流電氣傳動的研究與工程應用。