模擬數(shù)字化工廠的實(shí)訓(xùn)中心建設(shè)方案研究

武平麗，翟志華

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

0 引言

當(dāng)今社會，技術(shù)的發(fā)展和設(shè)備的更新?lián)Q代日新月異、突飛猛進(jìn)。 基于智能化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化、可視化思想，通過吸收當(dāng)今先進(jìn)技術(shù)，將使企業(yè)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(shí)訓(xùn)中心是集自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)于一體的多專業(yè)知識和技術(shù)的集成。該方案利用相對少量的硬件設(shè)備和強(qiáng)大的工業(yè)控制軟件，模擬數(shù)字化工廠控制工程的設(shè)計(jì)、安裝、仿真調(diào)試和投運(yùn)，以最大限度地發(fā)揮實(shí)訓(xùn)中心的效率，提高學(xué)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(shù)綜合應(yīng)用實(shí)訓(xùn)中心的建設(shè)方案。

1 數(shù)字化工廠概述

一個(gè)現(xiàn)代化的數(shù)字化工廠網(wǎng)絡(luò)，必定是兼顧高可靠性、高速度的網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的選擇都是非常重要的。

1.1 數(shù)字化工廠網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

數(shù)字化工廠網(wǎng)絡(luò)包括企業(yè)資源計(jì)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(shè)備四層[2]。 ERP 系統(tǒng)可以對公司內(nèi)部業(yè)務(wù)流程和管理過程進(jìn)行優(yōu)化，使主要的業(yè)務(wù)流程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 MES 能通過信息傳遞對從訂單下達(dá)到產(chǎn)品完成的整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)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(shè)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(luò)構(gòu)架如圖1 所示[3]。

圖1 數(shù)字化工廠網(wǎng)絡(luò)構(gòu)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(nèi)習(xí)慣稱之為集散控制系統(tǒng)）是以微處理器為基礎(chǔ)，對生產(chǎn)進(jìn)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(chǔ)是4C 技術(shù)，即計(jì)算機(jī)（Computer）、控制（Control）、通信（Communication）和CRT 顯示技術(shù)[4]。

DCS 系統(tǒng)將若干臺微機(jī)分散應(yīng)用于過程控制，全部信息通過通信網(wǎng)絡(luò)由上位管理計(jì)算機(jī)監(jiān)控，實(shí)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(jì)算機(jī)集中控制的優(yōu)點(diǎn)，克服了常規(guī)儀表功能單一、人機(jī)聯(lián)系差，以及單臺微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)危險(xiǎn)性高度集中的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了在線管理、操作、顯示3 方面的集中和功能、負(fù)荷、危險(xiǎn)性3 方面的分散，也為正在發(fā)展的、先進(jìn)的新型控制系統(tǒng)提供了必要的工具和手段[5]。 DCS 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 數(shù)字化工廠DCS 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2 Digital factory DCS system network

從圖2 中可以看出，網(wǎng)絡(luò)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(hù)性。 在控制單元和監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)（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(shí)時(shí)性。

2 模擬生產(chǎn)過程數(shù)字化實(shí)訓(xùn)中心的建設(shè)

過程控制實(shí)訓(xùn)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(shè)備這兩個(gè)層次的自動(dòng)化技能訓(xùn)練目標(biāo)來建設(shè)的。 其布置既要仿照數(shù)字化工廠結(jié)構(gòu)， 建成一個(gè)工業(yè)控制局域網(wǎng)， 又要滿足“教、學(xué)、做”一體化的要求。 生產(chǎn)過程數(shù)字化實(shí)訓(xùn)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(shí)訓(xùn)控制系統(tǒng)（上位控制系統(tǒng)）、多媒體現(xiàn)場教學(xué)設(shè)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(shè)備的實(shí)訓(xùn)控制對象裝置。 要實(shí)現(xiàn)工業(yè)對象的自動(dòng)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(jìn)行調(diào)節(jié)的識讀器。 實(shí)訓(xùn)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(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、投運(yùn)、運(yùn)行與維護(hù)等綜合技能訓(xùn)練。 實(shí)訓(xùn)控制對象系統(tǒng)應(yīng)該滿足以下條件：（1）實(shí)訓(xùn)控制對象應(yīng)該仿照工業(yè)設(shè)備結(jié)構(gòu)而制造，要具有較強(qiáng)現(xiàn)場設(shè)備感、較豐富的設(shè)備種類。 （2）包括工業(yè)生產(chǎn)中常見的某些設(shè)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(shí)現(xiàn)對象間的組合與分隔。 （3）單套實(shí)訓(xùn)對象裝置至少能形成兩個(gè)可同時(shí)運(yùn)行的獨(dú)立控制系統(tǒng)。 （4）具有多種流量檢測儀表，能夠通過調(diào)節(jié)閥、變頻調(diào)速等典型方式實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)。 （5）現(xiàn)場設(shè)備及管路上用于組建聯(lián)合保護(hù)系統(tǒng)的檢測與控制點(diǎn)最好不少于5 點(diǎn)。 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(shí)，可以選購成套產(chǎn)品，如北京華晟高科教學(xué)儀器有限公司、浙江中控科教儀器設(shè)備有限公司、浙江天煌科技實(shí)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(jī)玻璃、不銹鋼板等材料和各種儀表，來制作實(shí)訓(xùn)控制對象系統(tǒng)。 表1 為過程控制對象系統(tǒng)的參考設(shè)備及材料表，可根據(jù)所需對象系統(tǒng)的臺套數(shù)自行進(jìn)行配置。

2.2 模擬工廠實(shí)訓(xùn)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(shí)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(quán)的國產(chǎn)控制系統(tǒng)，也是我國應(yīng)用最廣的DCS 控制系統(tǒng)之一，而且與國外自動(dòng)化產(chǎn)品相比， 具有絕對的價(jià)格優(yōu)勢。應(yīng)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(shè)計(jì)，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(jìn)行良好的銜接。

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

在本實(shí)訓(xùn)中心建設(shè)方案中，實(shí)訓(xùn)控制系統(tǒng)選用和利時(shí)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，能夠保證控制精確和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)、高效性。 該系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)形式，安全、穩(wěn)定、可靠。 其開放的網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)。

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

實(shí)訓(xùn)中心的教師機(jī)就是控制系統(tǒng)的工程師站兼服務(wù)器，學(xué)生機(jī)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(gè)實(shí)訓(xùn)中心模擬數(shù)字化工廠，構(gòu)成一個(gè)工業(yè)控制局域網(wǎng)，每臺計(jì)算機(jī)都可以對控制對象系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測與控制。

2.3 多媒體現(xiàn)場教學(xué)設(shè)備

實(shí)訓(xùn)中心的多媒體現(xiàn)場教學(xué)設(shè)備包含投影儀、計(jì)算機(jī)、中央控制臺、無線領(lǐng)夾麥克、臺式麥克、擴(kuò)音設(shè)備、實(shí)物視頻展臺和電動(dòng)屏幕、學(xué)生桌椅等。

3 工業(yè)控制軟件在實(shí)訓(xùn)中心使用

3.1 工業(yè)控制軟件的安裝

實(shí)訓(xùn)控制系統(tǒng)采用了和利時(shí)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(shí)，應(yīng)按照默認(rèn)路徑，依次安裝光盤上前5 項(xiàng)，即依次進(jìn)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(wù)器安裝，最后再進(jìn)行系統(tǒng)補(bǔ)丁的安裝。 在安裝過程中，計(jì)算機(jī)要求重新啟動(dòng)的一定要重新啟動(dòng)，裝完SQL 數(shù)據(jù)庫后一定要重新啟動(dòng)。

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(gè)通用的系統(tǒng)組態(tài)和運(yùn)行控制平臺，應(yīng)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(gè)能完成特定要求的應(yīng)用系統(tǒng)。 系統(tǒng)組態(tài)后，將產(chǎn)生應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫、控制運(yùn)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(bào)表[7]。 特別是MACS_V 工業(yè)控制軟件的離線實(shí)時(shí)調(diào)試和仿真功能，可以對控制方案進(jìn)行離線實(shí)時(shí)調(diào)試，檢查控制方案的執(zhí)行順序和執(zhí)行結(jié)果，驗(yàn)證方案的正確性；能夠模擬真實(shí)的生產(chǎn)裝置，再現(xiàn)真實(shí)生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)特性；能夠以具體工程項(xiàng)目的中央控制室為核心進(jìn)行仿真，把一個(gè)連續(xù)的生產(chǎn)過程移入教學(xué)過程，使學(xué)生在逼真的操作環(huán)境中取得良好的操作技能訓(xùn)練效果。

4 實(shí)訓(xùn)中心可開展專業(yè)課程訓(xùn)練

4.1 可開展的專業(yè)課程

以該方案建成的實(shí)訓(xùn)中心，可服務(wù)于過程控制自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)、電氣自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)、樓宇自動(dòng)化技術(shù)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(dòng)檢測技術(shù)、自動(dòng)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(yù)算、工控網(wǎng)絡(luò)組建與調(diào)試、自動(dòng)化儀表的選擇、DCS 系統(tǒng)配置、組態(tài)與調(diào)試、DCS 系統(tǒng)的安裝與維護(hù)等課程。

4.2 可開展的訓(xùn)練項(xiàng)目

模擬實(shí)際工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的實(shí)訓(xùn)中心是自動(dòng)化技術(shù)相關(guān)專業(yè)的綜合技能實(shí)訓(xùn)場所，主要適用的教學(xué)訓(xùn)練項(xiàng)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(shè)備的選型、標(biāo)定與安裝；（3） 過程控制自動(dòng)化儀表管路的安裝；（4）儀表輔助設(shè)備的制作、安裝與工程驗(yàn)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(yùn)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(diào)試、投運(yùn)與運(yùn)行、維護(hù)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(jié)語

綜上所述，模擬數(shù)字化工廠實(shí)訓(xùn)中心的建設(shè)方案具有先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、 先進(jìn)的管控一體化系統(tǒng)、先進(jìn)的冗余技術(shù)、先進(jìn)的監(jiān)控技術(shù)。 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(gòu)架，能夠體現(xiàn)出現(xiàn)代化工廠的特點(diǎn)。 使用這樣的實(shí)訓(xùn)中心，即使是在學(xué)校的實(shí)訓(xùn)室里，也能讓學(xué)生感受到真實(shí)工廠的氛圍。

[1] 湯偉. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展及行業(yè)應(yīng)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(xué)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(xué)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(yīng)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(yīng)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(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社，2004:74-85.