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Honeywell TPS系统与第三方系统的通信策略

Honeywell TPS系统与第三方系统的通信策略

2007/11/12 9:52:00
0. 引言 现代化电厂自动化水平的发展,存在几大特点: 第一、随着4C技术(即控制技术:CONTROL,计算技术:COMPUTER,通信技术:COMMUNICATION,图像显示技术:CRT)不断地发展和延伸,控制系统的功能越来越强大; 第二、自动化产品应用的范围越来越广,几乎延伸到了电厂的各个部分; 第三、随着ERP(即企业资源计划:Enterprise Resource Planning)在电力系统的普及,电厂管理网需要从控制系统获得几乎所有的生产数据,同样的,控制系统也要具备向管理网(如SIS)提供各种数据的能力; 第四、越来越多的设备和产品集成了更多的控制和通信功能,为现代化总线控制系统提供了接口。 DCS系统作为电厂自动化的核心部分,其任务已不仅仅是完成控制和操作那么简单,在很大程度上还要整合其它各辅助系统和设备装置的运行信息和生产数据,并将这些数据提供给操作人员和管理者,DCS系统与其它各个系统和装置之间的数据联络方式可以分为2种,一种是通过硬接线的方式,即每一个数据信号都通过单独的电缆接入DCS系统的I/O卡件中;还有一种方式就是第三方系统与DCS以通信的方式进行数据交换,只需遵循某种协议即可,现在比较通用的协议就是MODBUS和OPC。 Honeywell 公司在1975年,世界上首先开发出DCS控制系统,并推出世界上第一套DCS控制系统TDC-2000;1983年推出TDC-3000,并应用于大型电站;1985年就推出了可以与多家系统进行通信的接口程序,这时的TDC系统就集成了现在广泛应用的MODBUS通信协议;后经过多年的发展,于1996年推出全厂一体化控制方案TPS系统,使DCS系统完整地融合了最新的计算机通信和管理技术,广泛应用于国内电力、石化、钢铁等行业。Honeywell TPS系统早在1998年就在国内电厂应用了整套管理新系统(MIS)Uniformance PHD信息系统,并同时推出可以与其他管理信息系统兼容的应用过程平台(APP),APP集成了Microsoft’s Windows NT 平台的通信接口DCOM、OLE和OPC,随着通信技术的不断发展和成熟,OPC技术已成为工业控制和数据通信的最常用的标准协议之一。 本文就Honeywell TPS系统在电厂中与几种典型的第三方系统的通信做一个概括性的介绍和说明,重点介绍了MODBUS和OPC在TPS系统的应用,并结合这些应用实例,着重分析了一些技术要点、难点及其解决方案。 1. 通信方式介绍 在现代电力行业的通信应用中,由于机组规模较大,使用的产品和涉及的厂家较多,为了便于装置之间的数据通信,一般厂家的产品都提供了通用的通信协议及通信接口的支持。比较常用的通信协议是MODBUS协议和OPC协议,通信的接口方式为串口RS-232/485或者是以太网。下面结合Honeywell TPS系统介绍一下这两种协议和接口方式。 1.1 MODBUS协议 MODBUS协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络和其它设备之间可以通信,它已经成为了一种通得用工业标准。有了它,不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络,进行集中监控。标准的Modbus口是使用一RS-232C兼容串行接口,它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。控制器能直接或经由Modem组网。 控制器通信使用主—从技术,仅主设备能初始化传输(查询)。其它设备(从设备)根据主设备查询提供的数据作出相应反应。典型的主设备:主机和可编程仪表。典型的从设备:可编程控制器。Honeywell TPS系统在MODBUS通信中只能作为主设备。 主设备可单独与从设备通信,也能以广播方式与所有从设备通信。如果单独通信,从设备返回一条消息作为回应;如果是以广播方式查询的,则不作任何回应。MODBUS协议建立了主设备查询的格式:设备(或广播)地址、功能代码、所有要发送的数据、错误检测域。在主从设备进行通信时,必须要注意数据类型与功能码的匹配。 在使用TPS系统与其它系统进行通信时还需注意TPS系统并不能完全支持所有标准的MODBUS功能码,具体情况参见表 1,从表 1中可以看出,一般通信中所用到的布尔量、整型量、浮点量、字符串TPS系统均有良好的支持,值得说明的是在使用功能码16向从设备写浮点数时,一次只能写一个浮点数,多个浮点数的写入,必须多次使用功能码16,这一点与标准的MODBUS是有区别的,标准的MODBUS协议在使用功能码16时,可以一次向从设备写入多个浮点数;同样的,如果要向从设备写入多个布尔量也不能使用功能码15,只能多次使用功能码5逐个写入布尔量。
在组态TPS通信点时,需要重点注意的是对参数START INDEX的组态(如图 1所示),通信所使用的功能码和起始数据地址均体现在这一个参数上,START INDEX由5位组成,最高的一位是指定使用哪一组功能码,后4位是实际的数据起始地址,具体含义参见图 2。在设置后4位实际数据起始地址时还须注意从设备的地址一般是从“0”开始计算的,而TPS的起始地址是从“1”开始计算的,即TPS的数据起始地址减去1才是对应实际的从设备的数据起始地址。
1.2 OPC协议 在早期的DCS系统中,由于各个生产厂商的硬件和软件所构成的计算机系统在通讯方面不能互连,如果要进行数据交换,就必需开发专用通讯软件。OPC的出现就是解决不同硬件和软件DCS系统之间的通讯问题。OPC拥有一整套接口、属性和方法的标准集,主要应用于过程控制和制造业自动化系统。 OPC即OLE(Object Linking and Embedding) for Process Control Server 的简称,OPC 传送TPS可定义的过程控制数据值,使TPS网络与客户端软件包两者之间实现可连接性。TPS系统的OPC Server接口组件为TPN Server,这个组件可以安装在GUS节点上,也可以安装在APP节点上。在GUS节点上安装TPN Server可以进行一些简单少量的客户端数据读取和应用,客户端读取的数据量应保持在100点/秒以内,如果数据量过大,则会影响到GUS节点其它组件的正常功能;在APP节点上安装TPN Server,在单位时间内可以为客户端提供更大量的数据。理论上,在摩托罗拉68040CPU平台上的TPN Server可以提供1771点/秒的直接设备读取和1725点/秒的直接设备写的能力,缓存读取的能力更是达到了4997点/秒,但实际上,TPN Server接口实际提供数据的能力,还受到系统规划结构、节点软件组件等的直接影响。通过对以下几个概念的说明,可以大体上了解这些组件的概念和关系。 1.2.1 OPC客户端对OPC Server进行数据读写的方式 有两种方式,即直接设备读写(DEVICE READ/DEVICE WRITE)和缓存读写(CACHE READ/CACHE WRITE) 直接设备读写,是客户端直接到UCN节点或HPM的IOP进行数据读写,TPN Server只是起到了一个数据传递的桥梁作用。客户端请求读取数据后,TPN Server通过NIM,获取当前的UCN网络节点的实时数据或HPM IOP通道的实时数据,并将这些数据传送给OPC客户端;客户端请求写数据也以相同的方式进行。这种读写方式,一般用于高级运算和复杂控制,这些控制算法在APP节点上实现,数据的获得和控制指令都通过TPN Server进行读写,在与第三方系统进行通信时不推荐使用。 缓存读写,在安装完TPN Server组件后,在APP节点或GUS节点上会有一个数据缓存区,OPC客户端在请求读写数据时,首先按照OPC对象模型建立组(GROUP)和项目(ITEM),TPN Server在收到这些请求后,将这些模型数据建立到数据缓存区内,并按照系统配置参数,对数据缓存进行定期更新;当OPC客户端进行数据请求时,获得的数据是TPN Server上的缓存区的数据,这种方式一般用于TPS与SIS的数据通信。 直接设备读写和缓存读写是由客户端在建立OPC对象时决定的,TPN Server并不能决定使用哪种方式进行数据读写,这一点在与第三方系统进行通信时需要注意。 1.2.2 TPN Server的数据通信能力分析 安装在TPS节点上的组件获取数据的能力在TPS系统中是以TPN接口通道(TPN Interface Channels)的数量来限制的,分配的通道多,则单位时间获得的数据的能力就强,各个组件所能获得的通道的数量如表 2所示,通过表 2可以看出,如果在APP节点上只安装一个TPN Server组件,那么他所能设置的通道最多可以达到29,这就能达到TPN Server的最大读写能力,这个值在TPN Server的组态中确定,见图 3。
TPN接口通道只是在软件方面对TPN Server进行数据读写能力的设置,在硬件方面,还要考虑到系统硬件的规划对TPN Server数据通信速率的影响,最主要的是NIM的规划,一对冗余NIM最大的数据传输率为2400点参数/秒,LCN网的节点(如GUS、APP、AM等)均通过NIM来获取UCN网的数据,也就是说,如果LCN网只有一对NIM,那么即使TPN Server设置了较多的通道,也无法在一秒钟之内获得2400点以上的数据,而实际上由于其它节点对数据的需求,TPN Server最多只能每秒获得一千多点的数据。所以,在系统规划时,TPN Server获取数据的要求还必须考虑到NIM的数量,或者增加NIM的数量来匹配TPN Server的数据速率要求。 1.3 串口RS-232/485和以太网接口 通常情况下,MODBUS通信协议使用的硬件接口为RS-232/485。在主从设备距离小于15米的情况下,可以使用RS-232作为通信硬件接口;当距离大于15米小于1200米时必须使用RS-485作为通信硬件接口;如果距离大于1200米,则必须增加RS-485通信中继器,以防止信号衰减和抵抗高干扰。 TPS系统的串行通信接口端子板支持标准25针RS-232接口和4线的485接口,大部分第三方通信设备均支持这两种接口。
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