一种节省组态软件I/O点数的方法及实现

一种节省组态软件I/O点数的方法及实现

王念春（东南大学电气工程系）

摘 要：工业控制系统中采用了大量的各类组态软件，同一种组态软件的价格主要由其I/O点数决定，降低所使用组态软件的I/O点数可节省工程成本，本文介绍了一种节省组态软件I/O点数的方法。

关键词：组态软件；通讯协议；Modbus；啤酒

一、前言

人—机界面(HMI)是各种控制系统中重要的一环，在Windows环境下运行的工控组态软件提供的图形界面形象、直观，深受操作者与工程技术开发人员的喜爱，在国内自动控制系统的上位机中得到了广泛应用。但出于销售策略上的考虑，几乎所有的工控组态软件在销售时都按不同的输入、输出(I/O)点数划分定价，例32点学习版，64点、128点、256点、512点、1024点、不限点工程版等，价格相差较大，并且不同的组态软件在定义I/O点数时略有不同，有的定义为数据采集点与中间动画控制变量之和，有的定义为上位机数据库中与下位机通讯的变量之和等，在多级分布式控制系统中，一般认为I/O点数为上位机组态软件与下位机(PLC、数据采集插卡、智能仪表等)通讯的数据变量之和。

很显然，降低所使用的组态软件I/O点数，可降低整个工程成本，有很大的现实意义。在对某啤酒厂发酵车间实施DCS控制系统过程中，上位机组态软件使用美国Iconics公司GenesisFor             Windows 3.0版(简称GFW3.0)，下位机使用英国欧陆公司T103系列T921 CPU             PLC，通过对系统构成、组态软件、通讯协议、信号特点等进行综合分析，通过编写少量的上、下位机通讯程序，降低了所使用组态软件的I/O点数，达到了节省工程费用目的。

二、控制系统构成

发酵车间控制系统由两台上位机组成(见图2—1)，一台为LIN上位机(上位机2)，通过S9565卡与下位机构成LIN网，下位机程序通过此台计算机下载到下位机中，同时计算机中插有Modicon公司的SA85卡，运行自编的在DOS下运行的控制软件；上位机1运行工控组态软件GFW30开发版，计算机中插有Modicon公司的SA85卡；两台宿主计算机1与2通过SA85卡与Modicon公司的BM85网桥构成发酵车间上位计算机网络Modbus             Plus网中的3个网点(地址6、8、9)，上位机网络通讯速率为1Mbps。Modbus             Plus网通过BM85网桥从下位机获得数据，网桥同下位机以Modbus网络协议交换数据。其它车间上位机也可通过Modbus             plus网获取发酵车间下位机数据。

下位机采用英国欧陆公司的T103(单CPU，T921)，它在底板上集成了Modbus及LIN网络接口，它的Modbus最高通讯速率为38             400bps。有两台下位机，其间的数据可通过LIN网共享。

三、I/O点数分析与统计

文中发酵车间的主要控制目标为24只发酵罐，每个发酵罐的输入、输出点数与性质如下：

1、上、中、下3个冷媒开关电磁阀(3 DO)；

2、上、中、下3个温度(3 AI)；

3、发酵罐料位信号(1 AI)；

4、发酵罐压力信号(1 AI)；

5、一个罐顶压力释放电磁阀(1 DO)；

6、每个发酵罐共计9路：4路DO，5路AI；

24只发酵罐“硬”I/O点数为：24×9＝216点，理论上选购256点的组态软件即可满足要求。GFW             3.0软件的I/O点数定义为上、下位机通讯参数点数之和，因此要购买的上位机组态软件GFW3.0的I/O点数为：下位机PLC“硬”I/O点数(216)＋上、下位机其它通讯参数点数，在本例中上、下位机其它通讯参数点数主要为模拟信号的定标与校正参数，简要分析如下：

发酵罐中温度传感器使用Pt100铂测温电阻，变送器测温范围－50℃～130℃，实际使用中发现存在如下问题：

（1）理论上Pt100铂测温电阻在0℃时电阻值为100Ω，但实际上存在一定的阻值偏差，例为99.5Ω，从而给温度测量带来误差，称为铂电阻0℃偏差，不同厂家、同一厂家不同批次的铂电阻，偏差大小不尽相同，有必要在下位机中校正，按传统做法，相当于增加了一个上、下位机的通讯参数，应计入上位机组态软件的I/O点数；

（2）温度变送器偏差。在冰水混合物中测量出Pt100测温电阻的阻值，记下铂电阻0℃偏差(转换成温度数值)，然后通过温度变送器测量出此时温度，两个温度间的差值即为温度变送器0℃偏差。同理在下位机中校正这一偏差，相当于增加了一个上、下位机的通讯参数，应计入上位机组态软件的I/O点数；

（3）非线性校正参数。在－50℃～130℃温度范围内，如果对温度测量精度要求不高，可近似认为铂测温电阻特性为线性，但发酵罐为大惯性缓变系统，在降温期温度变化速率为0.1～0.2℃/h，对温测精度要求非常高，因此引入3个校正系数，校正非线性的影响，相当于增加了3个上、下位机的通讯参数，应计入上位机组态软件的I/O点数。

从上面可以看出，即使不计入非线性校正的3个系数，每个发酵罐的I/O通讯参数为：9(硬I/O)＋3×(1＋1)(软I/O)＝15，上位机组态软件的I/O点数为15×24＝360点，大大超             出256点。

通过进一步的分析，可以发现“硬”I/O与“软”I/O之间存在的差异。

• “硬”I/O点数为下位机PLC实际输入输出I/O点数。例本例中温度、压力、料位、开关阀等，这类I/O点数的数值与状态要经常发生变化，有必要放入上位机实时数据库中，实时地与下位机交换数据；

• “软”I/O点数为各类控制策略、校正、定标等辅助上、下位机通讯参数。这类I/O点数的数值与状态平时很少发生变化，有的只是在硬件更换情况下才有必要调整，例文中更换Pt100测温电阻。

从控制角度看没有必要将这类I/O点放入上位机实时数据库，但这类数据也存在变化的可能，需要提供修改手段。一般可通过如下方法修改：

1、购买较多I/O点数的上位机软件。将“软”I/O点放入上位机实时数据库，由于这类数据较重要，有必要建立一定的安全保护措施；缺点为成本较高；

2、停机启动另一数据库。要修改这类参数时，退出正常运行程序，通过另一数据库启动组态软件，修改参数；缺点为要停机(上位机)处理，有时实际情况不允许；

3、直接修改下位机程序。这是最全面的解决手段，缺点为对操作人员有较高素质要求，存在一定的风险，不满足程序保密需要，同时需要停机(上、下位机)处理；

4、自编程序处理。

正是基于上面的分析，笔者针对文中控制系统网络的构成与特点，开发了上、下位机的通讯程序，不仅降低了上位机软件的I/O通讯点数，节省了工程费用，同时还可作为上位机组态软件故障时应急处理程序。

四、网络寻址

控制系统上位机网络为Modbus Plus，通过BM85网桥与下位机用Modbus协议交换数据，各装置在网络中地址分配见图2-1。

Modbus             Plus网络寻址路由路径由5个字节构成，通过BP85网桥可以联接多个Modubs             Plus网，构成复杂的网络寻址方式，从其它车间可得到发酵车间下位机数据。本例中从上位机2寻址下位机1数据的寻址字节见图4—1，表示为91100，同理，91200为上位机1或2寻址下位机2中数据的寻址字节表示。

每个下位机PLC作为一个Modbus             Slave装置，有一个Slave号，在每一个下位机中，还相应定义了通讯速率、奇偶位、停止位、超时时间等参数。本文下位机中有3种类型的Modbus表：①Register类型，为16             bit的模拟量；②Digital类型，为1             bit的开关量；③Diagnostic类型，用来诊断下位机Database在运行过程中的状况，为16             bit的模拟量。下位机最多支持16个Modbus表，表中的地址用户可定义。在同一个Modbus表中不能混用这3种类型。

知道了怎样在网络中寻址及下位机Modbus表，就可以编写通讯程序。

五、结束语

上位机组态软件的I/O点数可分为“硬”I/O点数与“软”I/O点数两大类，上、下位机通讯总I/O点数为两者之和，在工程中可通过多种方法降低上位机组态软件的I/O点数，既可节省工程费用，又可方便用户使用。用文中介绍的方法和方案开发的程序经过较长时间运行，证明其稳定、可靠，达到了预期目的。