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    國(guó)內(nèi)近期建設(shè)的水廠所采用的自動(dòng)化系統(tǒng)大都基于PLC。我們經(jīng)過(guò)多年的探索和實(shí)踐，向大家推薦一套有較高性能價(jià)格比的自動(dòng)化系統(tǒng)：美國(guó)OPTO 22（奧圖）公司基于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線的"前端分布式智能I/O系統(tǒng)"的解決方案。

(一)

    水廠的自動(dòng)化系統(tǒng)，采用的結(jié)構(gòu)一般都是以車間為單位設(shè)立子站，子站一般采用PLC，它們之間通過(guò)專用網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接，網(wǎng)絡(luò)中心設(shè)備及廠級(jí)監(jiān)控配置的PC放在水廠的中心監(jiān)控室。這種連接方法的一個(gè)缺點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)的I/O信號(hào)線還是要集中拉到PLC子站處，信號(hào)電纜經(jīng)長(zhǎng)距離并大量集中在一起，不但大大增加了信號(hào)電纜布線的工程量，而且使信號(hào)受到干擾的可能性加大，以后系統(tǒng)維護(hù)的工作量也相應(yīng)增大。現(xiàn)在有的PLC系統(tǒng)也在子站PLC下再接一層子PLC，但這種缺點(diǎn)還是沒(méi)有完全克服。

    我們推薦的方案是采用三層的結(jié)構(gòu)方式。首先在水廠廠區(qū)范圍內(nèi)布置一套以太網(wǎng)，用于車間子站與中心監(jiān)控站及其它子站的通訊。當(dāng)今世界上網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)的占了絕大多數(shù)，以太網(wǎng)的技術(shù)飛速發(fā)展，已從前幾年的10M發(fā)展到100M甚至1000M，而且價(jià)格也下降得很快。在水廠采用以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，不僅能緊跟世界科技發(fā)展的潮流，而且具有很好的性能價(jià)格比，與水司的辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)能很好結(jié)合。以太網(wǎng)可以采用的介質(zhì)有細(xì)纜、粗纜、雙絞線或光纖，我們建議使用光纖，因?yàn)楣饫w的抗干擾性卓越、通訊距離長(zhǎng)以及升級(jí)的方便。

    方案以車間為單位設(shè)立子站，配置PC連接底層I/O，監(jiān)控子站范圍內(nèi)的儀表設(shè)備的運(yùn)行及生產(chǎn)過(guò)程，并負(fù)責(zé)與廠級(jí)上位機(jī)的通訊，還可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)觀察其它子站的情況。子站的底層I/O采用基于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線方式的“前端分布式智能I/O系統(tǒng)”，通過(guò)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)(通常是采用RS-485串行通訊協(xié)議的一對(duì)雙絞線)將前端I/O單元分散到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備或儀表附近，這樣不但大大地削減了現(xiàn)場(chǎng)到I/O之間一一對(duì)應(yīng)的連接導(dǎo)線，節(jié)約了自控系統(tǒng)的安裝費(fèi)用，將信號(hào)受干擾的可能性降至最低，還使用戶在以后的維護(hù)、擴(kuò)展都十分方便。

    美國(guó)OPTO 22公司的OPTOMUX、MISTIC及SNAP I/O系統(tǒng)就是這樣典型的“前端分布式智能I/O系統(tǒng)”，子站PC通過(guò)一條雙絞線用串行通訊RS-485方式連接多個(gè)OPTO SNAP控制器(連接的方式還可以采用ETHERNET、ARCNET網(wǎng)絡(luò)通訊方式)；SNAP的控制器再通過(guò)一條雙絞線RS-485與分布在現(xiàn)場(chǎng)的諸多前端分布式智能I/O單元相連(連接的方式同樣還可以采用ETHERNET、ARCNET網(wǎng)絡(luò)通訊方式)；前端分布式智能I/O單元(以下簡(jiǎn)稱‘前端I/O單元’)是由一個(gè)帶處理器的I/O接口板加一個(gè)模塊安裝底板構(gòu)成，底板上可根據(jù)需要插上各式各樣的I/O模塊。

    SNAP-LCSX控制器的CPU為32位的Motorola 68EC020芯片，CPU的時(shí)鐘頻率為16.67MHz；SNAP-LCM4控制器的CPU為32位的Motorola 68030芯片，帶有IEEE浮點(diǎn)協(xié)處理器，CPU的時(shí)鐘頻率為33MHz。前端I/O單元和處理器負(fù)責(zé)對(duì)I/O進(jìn)行以微秒為時(shí)間單位的掃描和檢測(cè)，能進(jìn)行高達(dá)20KHz的調(diào)整計(jì)數(shù)、能分辨小到100微秒寬的脈沖寬度；執(zhí)行模擬量輸入輸出、工程單位的轉(zhuǎn)換，PID控制，測(cè)量數(shù)據(jù)的累計(jì)、平均、檢測(cè)最大和最小值等功能(例如熱電偶的輸入，首先自動(dòng)進(jìn)行線性化，再轉(zhuǎn)換成攝氏度或華氏度，再提供給上位SNAP控制器)；對(duì)偶發(fā)事件有對(duì)上位控制器中斷的功能。前端I/O單元執(zhí)行I/O掃描和其它功能時(shí)，并不消耗SNAP控制器的時(shí)間，使上位控制器能更有效地完成監(jiān)控程序運(yùn)行、響應(yīng)中斷等任務(wù)。

(二)

    相對(duì)于PLC而言，OPTO 22解決方案的主要特點(diǎn)是前端分布式智能I/O。通過(guò)一條雙絞線以RS-485的串行通訊，就可以將前端I/O單元分散到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備或儀表附近。前端I/O單元的I/O模塊是單點(diǎn)單通道的，任何一點(diǎn)的失效，都不影響系統(tǒng)及其它I/O，而且I/O模塊可進(jìn)行帶電拔插，I/O接口板也可帶電拔插，因此在更換它們時(shí)無(wú)需斷電停機(jī)，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性。在前端I/O單元的模塊安裝底板上，開(kāi)關(guān)量(DI、DO)和模擬量(AI、AO)模塊可以混裝，使得可根據(jù)不同現(xiàn)場(chǎng)的不同信號(hào)需求進(jìn)行靈活而貼切的配置，進(jìn)一步降低成本。

   OPTO 22的I/O模塊有多種量程范圍、多種類型，從2.5VDC到280VAC/VDC的開(kāi)關(guān)量輸入/輸出，有標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA的電流環(huán)輸入/輸出，也有10VDC輸入/輸出，各種熱電阻、電偶輸入等，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的類型選取，大大減少了變送器或繼電器等中間環(huán)節(jié)，既可節(jié)省一筆費(fèi)用，還增加了系統(tǒng)的精度和可靠性。OPTO 22的I/O采用獨(dú)立全密封封裝的固態(tài)模塊，帶有4000伏VDC的光電隔離，可把現(xiàn)場(chǎng)的任何干擾都隔離掉；可抵御很強(qiáng)的震動(dòng)和沖擊；可工作在-25°C到75°C的溫度范圍內(nèi)，在全密封、無(wú)通風(fēng)或風(fēng)扇散熱的環(huán)境中長(zhǎng)期正常地工作。I/O和上一級(jí)控制器的連接采用了RS-485現(xiàn)場(chǎng)總線串行通訊標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)模擬量的傳輸由于經(jīng)過(guò)了D/A、A/D轉(zhuǎn)換，通信線路上走的是數(shù)字信號(hào)，不但能提高測(cè)量和控制的精度，還增加了抗干擾能力。而且OPTO 22的各種產(chǎn)品的MTTF(平均無(wú)故障操作時(shí)間)都相當(dāng)高：控制器的MTTF是37萬(wàn)小時(shí)；I/O接口板是140萬(wàn)小時(shí)；模擬輸入、輸出模塊是296萬(wàn)小時(shí)；開(kāi)關(guān)量輸入模塊是378萬(wàn)小時(shí)；開(kāi)關(guān)量輸出模塊是592萬(wàn)小時(shí)。所有這些都保證了系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。

    如前(一)中所述，OPTO 22分布式智能I/O采用了兩級(jí)處理器；SNAP控制器執(zhí)行監(jiān)控程序運(yùn)行、響應(yīng)中斷等任務(wù)；前端I/O單元的處理器執(zhí)行I/O掃描和其它功能，實(shí)現(xiàn)了兩級(jí)并行處理的、先進(jìn)的工作方式。而在PLC中采用的是一級(jí)處理器---PLC的CPU單元，它首先必須順序掃描所有輸入點(diǎn)，運(yùn)行監(jiān)控程序，再進(jìn)行輸出，它只是一個(gè)順序控制器；對(duì)各種量程的轉(zhuǎn)換需附加變送器，才能輸入到PLC中；對(duì)模擬量的處理需要在CPU單元中進(jìn)行。這樣當(dāng)PLC的I/O點(diǎn)數(shù)和要處理的功能多一點(diǎn)的話，PLC的中央處理器的檔次就要升得很高了。當(dāng)然，有的PLC可配置專用單元進(jìn)行量程的轉(zhuǎn)換和模擬量的處理，而這種專用單元通常是昂貴的。

    PID控制是工業(yè)控制中最基礎(chǔ)、也是用得最廣泛的一種控制方法，它具有較復(fù)雜的模型、要求快速的運(yùn)算。在OPTO 22系統(tǒng)中，PID控制是放在前端I/O單元上，由其處理器執(zhí)行，無(wú)須上位的SNAP控制器參與。假如PID控制增加較多，只需增加與之相對(duì)應(yīng)的前端I/O單元(一個(gè)前端I/O單元能單獨(dú)控制8個(gè)PID回路)。OPTO 22系統(tǒng)的先進(jìn)性由此也可見(jiàn)一斑。

    OPTO 22系統(tǒng)開(kāi)放性強(qiáng)，它支持諸如Paragon、Fix、Intouch等流行的監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，同時(shí)也有自己的、功能相當(dāng)?shù)谋O(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)-----FactoryFloor。OPTO 22的SNAP控制器本身帶有RS-232和RS-485串行接口，十分便于與智能化儀表、設(shè)備的連接。

    FactoryFloor的編程環(huán)境是基本于Microsoft Windows平臺(tái)，采用直觀的流程圖填表方式的組態(tài)軟件，對(duì)串行口通訊的ASCII碼等通訊功能和一些復(fù)雜的算法，很容易就能完成。而且在OPTO 22較低級(jí)的控制器上開(kāi)發(fā)的應(yīng)用軟件，可以直接裝載到高級(jí)的控制器上運(yùn)行，因此，系統(tǒng)擴(kuò)充與升級(jí)非常容易。OPTO 22公司在SNAP的基礎(chǔ)上又推出了(在世界范圍內(nèi)的工業(yè)控制領(lǐng)域中還是第一次)使用以太網(wǎng)和“TCP/IP”協(xié)議方式通訊的I/O系統(tǒng)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)通訊，甚至通過(guò)Internet也可以I/O進(jìn)行監(jiān)控。

(三)

    在介紹了OPTO 22系統(tǒng)的特點(diǎn)后，很自然會(huì)關(guān)注一個(gè)問(wèn)題：它的價(jià)格？相對(duì)PLC而言O(shè)PTO 22在價(jià)格上也比較便宜。以下是OPTO 22與三家著名PLC廠家的價(jià)格比較：以1998年10月美國(guó)本土的公開(kāi)報(bào)價(jià)為基礎(chǔ)配置64個(gè)開(kāi)關(guān)量、20個(gè)模擬量、2個(gè)串行口為例 ---- MODICON的“COMPACT 984”為US$10,472(其中硬件價(jià)格為US$8,141)；SEIMENS的“S7-300”為US$13,121(其中硬件價(jià)格為US$6,131)；ALLEN-BRADLEY的“SLC-504”為US$15，840（其中硬件價(jià)格為US$10，840）OPTO 22的“SNAP”為US$5,188(其中硬件價(jià)格為US$4,839)。除了MODICON的I/O提供十八個(gè)月的保修期外，其它兩家都只提供一年的保修期，而OPTO 22的I/O模塊則提供終身保用。從軟件費(fèi)用看，F(xiàn)actoryFloor的基本價(jià)格為US$349，每安裝一臺(tái)PC增加US$90的費(fèi)用。這樣，一個(gè)水廠的自控系統(tǒng)花在監(jiān)控軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)方面的費(fèi)用通常不會(huì)超過(guò)US$1500。總之，OPTO 22是一套性能價(jià)格比非常優(yōu)秀的自控系統(tǒng)。

應(yīng)用實(shí)例
★ 深圳市大涌水廠
★ 深圳市東湖水廠