控制网

王飞

1  概述

    北京太行前景水泥公司已经应用了ABB的DCS控制系统，在总控室可以直观地了解控制系统的运行状态和运行参数，由于底层的控制层与上层的管理层之间的分离，导致企业的管理者不能及时、直观地了解生产现场的运行情况。而且控制系统与管理系统分布在厂区的不同地点，生产运行数据只能通过手工方式抄送，无法及时进行数据的综合分析，同时也不便于运行值长对生产及设备运行情况的了解。

    为了从根本上解决水泥公司控制系统与管理系统的分离问题，实现全厂“管控一体化”的生产运行管理模式，拟选用北京和利时信息技术有限公司（以下简称和信公司）的HiRIS实时信息系统，为下一步的水泥生产信息化建设奠定了基础。

    在设备层，企业已使用一套ABB的DCS控制系统，水泥成品质量分析主要用到钙铁煤分析仪、恒加荷自动水泥压力试验机两种设备，原材料、水泥成品的计量统计通过汽车衡。

    企业计量、质量分析设备及自动控制系统（车间层信息化）的应用已逐渐成熟和普及，而目前控制系统与管理系统分离问题已成为制约企业信息化建设发展的瓶颈问题。管理者不能及时、直观地了解生产现场的运行情况；管理网和控制网数据无法共享；多个控制系统各自独立，无法进行综合分析，统一规划全厂资源，无法对控制系统数据进行更深层次的挖掘，造成大量数据浪费。在这种情况下，企业就需要一套方便实用的实时信息系统，它可以连接现场的控制系统及其它计量、质量分析设备，采集这些系统中的实时数据，使集团或公司的管理者在办公室里就可以监测到生产现场生产情况及报警信息；并可以对取得的实时数据进行优化、分析，从而为保证生产设备正常运转、降低生产成本、提高工作效率、获取更大利润提供重要依据。

2  系统总体结构

    根据该公司的实际需求，和信公司设计的实时信息系统总体结构如下图1所示。

图1系统总体结构图

    在企业的管理网中加一台实时数据服务器，此服务器的功能是将控制系统的数据进行压缩、计算、分析后存入数据库，向管理网的其他用户提供历史数据及实时数据的查询功能。根据该公司的实际情况，向实时数据服务器发送数据需要采用多种方式，下面进行简要说明。

3  系统主要实现功能

    HiRIS主要包括数据库表创建、网关、数据接收、模拟图及报表组态、实时信息分析和WEB服务模块等六个模块。

    (1)  数据库表创建模块

    该模块用于构筑数据库表结构平台。使用此模块将系统用到的数据库表结构、表之间的关系及数据规则复制到大型数据库中，用以存储数据。此模块在系统启用之前必须完成，是其它模块运行的基础。

    (2)  网关模块

    该模块运行于网关机中，所完成的功能是取出连接的控制系统、分析仪、压力试验机及地秤数据并传入到管理系统网络中的数据服务器中。网关机具有两块网卡，分别连通控制网及管理网。网关机通过连接到控制系统的网卡采集到底层控制网的数据后，用另一块网卡以UDP数据包的方式发送到管理系统网中。

    网关模块提取的数据包括以下几种：

    ?  ABB的DCS控制系统数据

    DCS系统通过网关计算机连入企业管理网络，使得控制系统的运行数据单向传送到实时数据服务器中，而管理网络信息系统中的数据不能传送到DCS/PLC系统，屏蔽了对生产的干扰和病毒的侵害，保证了生产的安全性。

    ?  质量检验数据

    质量检验数据包括原材料、熟料、水泥成品化学分析及物理检验等，各种分析检验项目如下：

    原材料的化学分析  检验项目为：Loss、SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、MgO、Cl^－、K₂O、N₂O、SO₃等。

    熟料的化学分析  检验项目为：Loss、SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、MgO、Cl^－、K₂O、N₂O、SO₃、KH、KH^－、n、p、f-CaO、C₃S、C₂S、C₃A、C₄AF等；

    熟料的物理检验  检验项目为：安定性、稠度、初凝、终凝、细度、比表、抗折3天、抗压3天、抗折28天、抗压28天等。

    水泥成品物理检验  检验项目为：抗折3天、抗压3天、抗折28天、抗压28天等。

    ?  地秤数据

    地秤系统作为厂内石灰石等原料以及熟料和水泥成品的计量工具，其数据非常重要。目前该公司地秤系统已经实现了计算机管理，需要编写接口程序，每天定期将地秤分类计量数据传入系统，作为原料、能源消耗、熟料以及散装水泥结算计算的依据之一。

    (3)  数据接收模块

    该模块是将DCS网关机以及各分析仪及地秤网关及传送上来的数据包进行处理、优化后，存入数据库，用以进行数据分析及向MIS/ERP系统中其他模块提供数据接口。

    (4)  模拟图及报表组态模块

    该模块包括实时模拟图组态和报表组态两大功能，模拟图组态功能主要完成对DCS实时数据模拟图上需显示的DCS信息点及其显示位置、显示形式的定义，包括定义模拟量的实时数字显示、开关量的实时图形显示，实时数据的棒图显示、列表式显示以及计算点的显示等；并可定义各信息点的报警上下限值，实现报警显示。

    报表组态功能实现企业实时信息系统报表的组态工作。用户可根据本企业的实际生产情况定制生产报表，灵活设置报表的样式，使报表的每列数据可以是DCS的某一项指标，也可以是某几项指标的运算表达式，并可在报表内进行计算、汇总等操作；报表相关联的指标数值的取值可有多种选择，可以是取值频率为每秒或每分钟的平均值，也可以是每小时的瞬时值。

    (5)  实时信息分析模块

    实时信息分析即控制系统实时信息数据领导查询系统，是面向最终用户的实时信息分析系统，包括实时模拟图监测、历史数据分析、报表查询三部分主要功能。

    ?  实时模拟图监测功能以系统模拟图的方式显示生产现场系统运行实际情况，实时观测生产现场的各项指标。数据的显示方式包括模拟量的实时数字显示，开关量的实时图形显示、实时棒图显示、实时数据的列表式显示等；当数据超过规定的限值时，系统可自动产生报警信息；可自定义图形化按钮在各模拟图之间切换。在此功能中可以通过按钮切换监测各车间的实时生产情况，并可在同一画面综合监测几个车间的相关指标；实时画面的每一个模拟量点的小数位数可由用户定义。

    ?  历史数据分析包括历史数据曲线和超限额运行时间统计两大功能。历史数据曲线功能可以观察某项指标某一天的点值变化曲线及其报警线的显示，并可同时显示多条指标曲线，用来进行对比显示，可以放大曲线的任意区域，查看曲线在各取点时间精确的点值信息，可以查看图中各项指标曲线的报警限值，统计每项指标在给定时间段内的最大值、最小值及其各自的取值时间，浏览超过报警限额运行的时间点及其点值并进行汇总统计；历史曲线可以自由组合，且可以查询任意24小时内的曲线以及月曲线。超限额运行时间统计功能可以查看任意区间内某项指标超过报警限值运行的时间累计情况，包括查询区间内各小时超过报警值上限、下限的时间以及时间的累计。

    ?  报表查询功能实现企业的生产报表查询功能，包括日报查询和班报查询功能，报表的种类和样式由报表组态软件灵活设置。

    (6)  WEB服务模块

    通过WEB组件，管理者可以在家里、外地，只要能连通Internet，就可以随时监控生产现场的实际情况。此模块共有两部分程序，Web浏览器端程序和Web服务器伺服程序，浏览器端程序共包括三部分功能：实时模拟图监测、历史数据分析、灵活报表。本模块采用B/S结构，客户端只要装有浏览器即可（如微软公司的IE），所有的浏览器查询程序以及服务器伺服程序安装在Web服务器所在的机器上。

4  应用效果及展望

    在企业“管控一体化”的信息系统建设中，实时信息系统起着非常重要的作用。它可以采集控制系统中的实时数据，使管理者在办公室里就可以监测到生产现场生产情况及报警信息；并可以对取得的实时数据进行优化、分析，从而为保证生产设备正常运转、降低生产成本提供重要基础。本系统主要特点如下：

    (1)  适用于大型的连续化生产的行业；

    (2)  灵活、简便的组态功能，包括实时模拟图、报表和分析曲线组态；

    (3)  用户可以很快地从应用中获得投资的回报，同时Windows NT的平台也使系统的安装与维护更加容易；

    (4)  高速的实时数据处理功能；

    (5)  高效的数据存储方式；

    (6)  开放的数据结构，系统具有强大的可扩展性；

    (7)  数据刷新周期可以定义为1秒，真正实现数据的实时采集；

    (8)  通用的数据采集接口，可与多家国内外著名的多种DCS、PLC及仪表等控制系统产品进行通讯实现无缝连接；

    (9)  灵活方便的数据查询工具。