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基于Honeywell的TPS系统的远程控制及串口通讯的设计和应用

供稿:霍尼韦尔中国 2006/10/24 9:08:00

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  • 关键词: 远程控制 ;串口通讯 ;通讯协议;
  • 摘要:本文介绍了一种基于集散控制系统的远程控制和串口通讯的设计。专门对远程控制和以串口通讯作为手段在集散控制系统中的具体实现方法、通讯方式、系统中的组态、技术规范等都分别作了详细介绍和论述。它实现了远程控制和串行通讯技术在氧化铝生产中的成功应用。

引 言
中国铝业中州分公司的选矿拜尔法氧化铝生产线,全部采用Honeywell公司的集散控制系统TPS。氧化铝生产具有工艺分散、复杂的特点。以磨浮车间为例,它覆盖了磨矿分级、浮选、脱水、精矿库、尾矿等若干个工序。每个工序距离远近有别,而且被控设备数量不等。磨浮主工序建立TPS系统是常规一贯的做法。但对于其他几个工序的控制集中到本地控制上来是一个问题。另外每个工序中还有各种大型设备。随着我国工业水平的不断进步和提高,各种大型设备自身的技术配置也具备了智能化以及向大型DCS的通讯能力,实现TPS系统对这些设备的通迅、节约技术资源避免重复开发,是非常有益的。所以我们着重对TPS的远程控制以及TPS和大中型设备串口通讯进行了规划、设计和开发。
1.TPS的远程控制的实现
要实现多个工序的控制,采取长距离拉电缆的方式不科学的。我们要做的是在TPS系统中实现远程控制。在选矿拜尔法磨浮车间,我们是这样总体设计和规划的,以磨浮工序为主做TPS的本地控制,放置NIM和HPM控制器(磨浮本地的TPS系统在这里不再详述,我们要叙述的是在磨浮TPS系统下加装的远程控制的实现),在HPM柜内加装一对冗余本地远传I/O控制卡MC-IOLM02,用以连接远程工作站并进行通讯。并建立三个远程控制站,用光缆与本地HPM控制器相连。也就是说远程控制站和本地HPM控制器都是共用一对冗余的主控制器HPMM。
三个远程控制站的具体情形和做法是这样的,分别放在距离为150米、200米、370米远的脱水工序、精矿工序和尾矿工序。每个远程站I/O点数分别为210点、160点、86点。在每个远程站内配置冗余的远程I/O LINK扩展卡MC-IOLX02以及相应需要的IOP和FTA卡。靠光缆和磨浮本地HPM控制器线连。HONEYWELL的远程I/O LINK扩展卡为我们提供了远程控制通讯功能,但每两个标准的本地远传I/O控制卡MC-IOLM02最多可带6个远程I/O LINK扩展卡MC-IOLX02,传输距离可达1.3公里,而且HPM里的总共的IOP数量最多不能超过40块。我们必须严格按技术规程来做,这里我们共配置了3对远程I/O卡。因为远程控制卡加挂在本地HPM内,所以只要通讯成功,组态时远程的IOP与本地的是没有区别的。下面图一是我们现场实际的冗余的HPM带的三个远程I/O控制站通讯连结示意图:

图1、远程控制接线图
图1、远程控制接线图

2 TPS系统串口通讯的控制方案
2.1方案规划
一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式成为串行通讯方式。该方式需要传输线少,成本低,传输距离可以从几米到几千米。采用这种通讯方式是根据磨浮车间设备的实际情况分析后决定的。
在磨浮车间具有智能串口通讯能力的设备主要有四种:高压励磁系统、加药系统、陶瓷过滤机及浮选液位控制器共有二十九台设备。我们分四条线路皆以串行连接的方式把二十八台设备用DH+电缆连至TPS系统。它们分别由SIMENS S7-200,AB SLC500和HONEYWELL UDC3000控制器来控制和数据通讯。按通讯协议分为两种,一种是MODBUS,一种是Allen-Bradley DF1协议。TPS系统是支持这两种协议的,这四中设备串行通讯的距离TPS分别是50米,280米,250米,180米。刚好在串行通讯所支持的最大距离305米之内。所以该方案是可行的。
采用串行通讯最主要的技术问题,一个是数据传送,一个是数据转换[2]。数据传送主要解决的是数据格式及工作方式等问题。数据转换是指数据的串行转换。具体的说就是在发送时将数据转换为串行数据,而在接受端,却要把接受数据转换为并行数据。
2.2 TPS系统串行通讯
2.2.1 TPS系统串行通讯的物理接口及连接方式
串行通讯的物理接口主要实现数据的格式化,进行串-并转换,控制数据传输速率,进行错误检测,进行TTL与EIA电平转换,提供EIA-RS-232C接口标准所要求的信号线等[1]。物理接口的正确连接才能保障系统数据的传输。
我们在TPS 系统的HPM控制柜内配置MC-TSIM11串行通讯处理器模块,MC-T2PA02 FTA电源适配器以及MC-TSIM12串行通讯接口模块,并通过双绞线或DH+电缆连结。一块串行接口卡可连接一个电源适配器,一个电源适配器可通过专用电缆连接两块FTA卡,两块FTA卡可以不同,FTA卡至设备的连接介质均为普通屏蔽双绞线或DH+电缆。其中MODBUS FTA卡支持两种物理接口:25针标准插座(RS-232连接)和5座接线端子(RS-422/RS-485兼容连接);而A-B的FTA卡只支持25针标准插座(RS-232连接)。标准的RS-232接口连接方式有两种DB25(25针)和DB9(9针),表2给出最简单的三种连接方式,两种接口可以混接,也可以自己制作转换接头。RS-232接口由于先天的缺陷,一方面最长距离受限最多不能超过13米,另一方面只允许一主一从的配置;而采用RS-422/RS-485兼容连接,传输最大距离可达到305米。所以A-B的DF1协议串口通讯需要配置专用的转换器1770-KF2来实现。采用RS-422/RS-485兼容连接时,需注意连接两个以上设备时链路的首端和末端的匹配电阻是必须的。
表2.
表2. RS-232连接方式

2.2.1 TPS系统串行通讯组态及其数据类型
Honeywell公司的TPS系统对于串口通讯的组态是通过建立数组点定义的。一个数组点定义了一组数据变量,对应通讯子设备中的一段连续的寄存器地址,它可以是一组整形数或实数,也可以是一组布尔变量。数据通过这些变量采集上来以后就可以直接对它操作和编程。需要特别指出的是对于不同的通信协议,不同的起始地址,不同的数据类型,数据的组态都是不同的。例如:对通讯协议为Modbus RTU的数组点的组态中要设置AUXDATA3为485.000,AUXDATA4为9600.00。对于通信协议为A-B DF1的数组点的组态中参数AUXDATA3和AUXDATA4就不用设置。但要根据不同的传输数据类型分别设置不同的参数A-B PLC TYPE, A-B PLC FILE#, AB-DATA TYPE和A-B SCAN PER参数。
对方寄存器地址可以根据协议自动映射到系统内部寄存器的地址,一旦起始地址确定,传递的数据类型也就确定了。TPS系统组态的一个数组点只能容纳一种数据类型。如果有布尔变量和模拟量两种传输的数据,那么需要建立两个数组点,除非有特殊的约定。相同的数据可以从同类的起始地址读出,例如,同样是十进制数据,从40001~4999地址段读出时,返回的是有符号的单整形数。而从90001~99999地址读出时,返回的是无符号的单整形术。Honeywell的TPS系统只识别单整形数,对双整形数只能以两个单整形数读出,类似的情况还有双精度浮点数。2.3 TPS支持的两种技术协议
所谓的通信协议是指通信双方的一种约定。约定包括对数据格式、同步程度、传送步骤、检纠错方式以及控制字符定义等问题做出同一规定[3]。
TPS支持的两种技术协议,一种是Modicon 公司的Modbus 协议,一种是Allen-Bradley(以下简称A-B)协议。该协议是由HoneyWell公司和AB公司合作开发的一种串行通讯接口,专用于各自的控制器之间的通讯,设备端需配置支持AB公司全双工DF1协议接口。Modicon 公司的Modbus 协议可以在不同网络之间通信,支持的网络包括Modicon的Modbus、Modbus+工业以太网,以及标准网络例如:MAP和以太网。网络间通过设备的内置端口或者网落适配器等来相互访问。各设备通信使用的标准语言即为Modbus协议。这种协议定义了设备通信时所使用和可识别的消息结构。基于Modbus协议的各设备采用主从技术通信。网络中某一台机器作为主机发请求,其他及其机器作为从机做出应答。主机可以寻址个独立从机,也可以向所有从机广播,被寻址的从机向主机返回一个消息。Modbus协议建立了主机发出查询请求的格式,包括从机地址、功能码、数据、校验;从机响应消息的格式为从机地址、确认功能码、数据、校验。如果发生错误,从机将返回一条出错消息。常用的MODBUS 通讯规约有两种,一种是MODBUS ASCII,一种是MODBUS RTU。一般来说,通讯数量少且要以文本为主的通讯采用MODBUS ASCII规约。通讯数量大且是二进制数值时则多采用MODBUS RTU规约。使用RTU模式通信,消息中的每个字节包含两个十六进制数。TPS系统采用的是MODBUS RTU规约,一条MODBUS网络中可以容纳16个节点,但只允许存在一个主设备即DCS控制器。
3 结束语
中国铝业中州分公司的选矿拜尔法二期工程项目已在2005年元月份全面建成并投入使用。远程控制的实现和串行通讯的应用使磨浮车间在工艺流程和设备极其分散的情况下系统实现了集中控制的目标,而且非常有利于整体系统的优化和先进控制策略的实现。使得各项生产技术指标都能够达到甚至优于原设计标准,取得了良好的经济效益。远程控制和串行通讯在这特殊的领域发挥极大的作用使磨浮集散控制系统具有自己的特色和优越性,它成为Honeywell的该项技术在中国最成功的案例。

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