GEFANUCSCADA系统在天然气无线远程控制系统中的应用———GEFANU

一、引言
       近年来，以PLC为基本控制单元，根据需要结合远程I/O、现场总线、局域网、上位监控PC 机及相关系统软件平台与应用程序构成的自动化系统，鉴于其硬件可靠性高、伸缩性强、编程简单、系统容易实现且维护方便的特点，在工业自动化控制领域得到极其广泛的应用。就PLC 网络构成的局域网而言，如Ethernet、Profibus-DP、ControlNet、Genius、RS485 串行通讯主从网络等、PLC 之间多采用硬连接实现通讯，即通讯介质为有界介质（电缆、光纤）。如果被控制设备位置分散、信号采集点相距远，布线成本将大大提高且不利于维护；或由于设备相对环境复杂或制度约束，无法进行大规模布线施工；或有移动应用需求的场合，在这些情形下，使用无界介质（微波、红外技术）进行通讯软连接的无线局域网将是有效的解决方案。微波无线通讯技术，如扩频技术（直接序列、跳频），以前还主要用于军用系统，如今已在民用、工业等诸多领域应用开来。本文介绍的攀成钢建材区天然气流量微机计量系统，就是将利用智能频谱跳频扩频技术的无线通讯装置与PLC 结合，而实现的多站点分布式无线PLC网络系统。

二、系统结构


        实施天然气流量计量无线网络，建立无线工作站，各个站点由PLC完成基础数据采集与控制后，经无线传输将PLC 数据送到中控室上位机SCADA 系统。这样一来，不但节省抄表所需的大量时间和精力，并且计量数据更加准确，实现了高效的现代化管理。同时具有分散控制、集中管理的优势。该系统包含5 个无线工作站（1 个主站、4 个从站），控制覆盖成钢17 处天然气计量站点，鉴于建立一个无线工作站一次性投资较多，将工作站与天然气计量站点-- 对应是不经济的。故工作站的确定依据计量站点位置相对不太远（小于300米）就集中送PLC的原则。于是，按地理区域聚类，现场仅设置了4个站点。系统总体框架结构如图1所示。
  

  三、系统组成
  
       天然气流量计量无线网络是能满足工业实时监控系统要求，完成综合性通信任务的系统。系统主要由三大部分组成：无线通讯系统；PLC数据采集处理系统；上位机数据采集与监控（SCADA）系统。

1. 无线通讯系统
        通讯网络部分采用美国DATA-LINC GROUP 提供的工业级、稳定可靠的无线串口电台，由于它的抗干扰能力超强且构建的网络是专用无线电网，所以能确保系统数据稳定、畅通地通讯，实现中控室与现场各站点数据安全快速地交换。
2. PLC数据采集处理系统
        采用美国通用公司GE Fanuc推出的通用性强、配置灵活、经济实用的VersaMax Micro PLC 及扩展单元，经标度转换、温压补偿计算、累积处理、PLC 故障及I/O 故障控制、累积值清零等编程处理后，实现对现场数据精确地采集与控制。
3. 上位机数据采集与监控（SCADA）系统
       组态软件平台采用GE 的CIMPLICITY HMI，运用该平台设计、创建工程。在中控室上位监控计算机运行工程后，可以监测各个无线工作站的通讯状态、显示PLC 有无故障，当有故障时画面会及时提示并弹出清除故障按钮。
      监测与记录天然气流量瞬时值、累积值及管道压力、环境温度等相关参数，统计生成报表，提供趋势分析和报警等。

四、系统硬、软件配置
  
1. 系统硬件配置
● 通讯网络
       DATA - L INC GROUP 公司提供的无线数传电台（ 包含SRM6100 无线串口调制解调器、12VDC直流稳压电源、全向天线及接地套件等附件）。每站一套，共5 套。
● 控制器PLC
       GE公司提供的VersaMax Micro PLC主单元（CPU模块），型号为IC200UAL006；扩展单元（I/O扩展模块），型号为IC200UEX636。分别用于4 个从站，其中1#-3# 从站均为1 个主单元带1个扩展单元，4#从站则为1 个主单元带3 个扩展单元。
● 上位机PC
DELL 商务机210L（CPU 2.8GHZ、内存512MB、硬盘80GB）。
   
  五、系统主要硬件特性

1. 所选无线通讯设备的主要特点
       系统所选DATA-LINC GROUP 的SRM6100 无线电调制解调器能提供最可靠和最高性能的串行无线通讯方案。通过在2.4GHz -2.483GHz 频段应用先进的智能频谱跳频技术，SRM6100 可提供最可靠和有力的通讯。2.4GHZ 频段在国际标准中为免除频率使用许可证的公用频段，不需要FCC点现场许可证。在无阻挡物的情况下，两调制解调器之间的通讯距离可达32.18 公里（20 英里）。最大程度的抗干扰可用于高噪声环境，所以适用于钢铁业等恶劣环境，SRM6100 应用跳频，扩频和32 位误码矫正技术保证数据传输的可靠性。

         S RM6 1 0 0 支持多种组态， 包括点对点通讯和多点通讯。点对多点通讯方式采用轮询。点对多点通讯时，对从站数目无限制，所以将来在任意地点均可无限增加站点与测点。并且SRM6100 可做为中继器工作，以达到扩展通讯距离或克服阻挡物通讯的目的。其工作模式设置灵活。SRM6100 在系统中，无论是作为主站、从站中继站或是从站/ 中继站，无论是点对点方式还是点对多点方式，它们在硬件上都是一样的，只是内部工作参数设置不同。只需使用Windows 操作系统所包含的“超级终端”，就可以方便地对系统的各台站进行维护。
       系统无线通讯设备选用S R M 6 1 0 0 这一工业级无线Modem 从根本上保障了系统可靠性、可用性、易扩充和长期可重用性。
2. 所选PLC的主要特点
        VersaMax Micro PLC 是美国通用电气GE Fanuc 推出的新一代体积小、功能强大的一体化微型PLC，其紧凑的物理设计， 节省空间的简易安装方式和强大的控制功能，使之非常适合于低成本、安装空间有限、处理速度要求又高的应用场合，为用户提供更经济且功能更强的解决方案。
天然气流量计量系统各个从站均选用2 3 点VersaMaxMicro PLC（ IC200UAL006）作控制，此Micro  PLC 内嵌两路模拟量输入，但可以连接4个扩展单元。所以系统各个从站根据需要增加模拟量扩展单元以扩充模拟量输入通道。此Micro PLC 的主要技术参数如下：
● 接口
      提供两个串口。串口1（RS232）支持SNP/SNPX 协议从模式；串口2（RS485）支持SNP/SNPX 和RTU 主、从模式及序列I/O 通讯协议。
● 输入
13 点24VDC离散输入（正/ 负逻辑）；2 通道模拟量输入（支持0-20mA、4-20mA、0-10V）。
● 输出
1 0 点离散输出；1 通道模拟量输出（ 支持0 - 2 0mA 、4-20mA、0-10V）。
● 供电电源
100-240VAC
● CPU特性
[1] 18K字节内存
[2] 1us 每布尔指令
[3] 配置与用户程序可选存储于RAM或Flash
[4] 实时时钟
  [5] 可以串接4个任意类型的扩展单元
[6] 可选梯形图（LD）或指令表（IL）编程
[7] 内嵌高速计数器功能、支持浮点运算、PID 控制
[8] 支持4个10KHz高速计数器输入，5Kz 脉冲/PWM输出等
      模拟量扩展单元IC200UEX636 可提供6路模拟量扩展（4路输入、2路输出）。供电电源100240VAC。
       天然气流量计量系统中，之所以微PLC及扩展单元均选用交流供电类型，是由于该系统所有输入都为变送器输出的4-20MA 标准模拟量信号。而所需的离散量控制不用物理I/O，而用虚拟寄存器形式与上位机通讯，在画面上进行远程控制与显示。这样就可以不用供给微PLC离散I/O的24VDC电源，从而节约设备投资。
  六、系统软件特性
1. PLC编程工具ME5.5
       CIMPLICITY Machine Edition 是GE Fanuc 推出的一个可以在统一的工作平台下同时开发多目标逻辑控制、运动控制等的新一代软件。它提供一个公共的环境用于配置、编程、调试和维护用户应用软件。其强大功能可以大大缩短应用软件开发、调试时间。主要特点如下：
● 统一的用户界面
● 一个数据库（交叉参考、变量表等）
● 符号编程
● 即拖即放功能
● Test 修改编辑模式
● 强大的在线帮助窗口
       天然气流量计量系统中，4 个从站PLC 的配置组态和逻辑程序用ME 5.5 可以一次完成。因ME5.5 支持多目标逻辑控制，只需创建一个新工程，在该工程中插入4 个目标，分别对应4个从站，创建与每个从站对应的PLC硬件及编写PLC逻辑程序，设置4 个PLC 的通讯方式，由于每个PLC 串口1 要连接SRM6100，要注意其通讯参数必须与SRM6100 设置的一致。由于系统采用点对多点模式，上位机为MODBUS RTU 主站，4 个PLC 通讯协议均为MODBUS RTU 从模式，设置不同的站号分配给它们。利用ME5.5 提供的“Validate All”，校验整个工程，无错误和警告后，分别激活各目标将配置和逻辑程序下装到4个从站PLC装置中。
2. 上位机SCADA系统软件
       主站上位机SCADA是系统实现的终端环节。SCADA监控软件程序使用CIMPLICITY HMI PE 6.0开发。CIMPLICITY HMI 软件是GE Fanuc 在数十年工业自动化经验积累基础上，与微软Microsoft 合作开发的业界最优秀的人机界面软件之一，它功能强大并易于使用，可运行于 WindowsNT/2000/XP 环境，采用 Win32 标准和32 位代码，是真正的客户/ 服务器体系结构。其主要特点如下：
● 易学易用的监控画面编辑功能
● 支持拖放和动态测试
● 内嵌3000 多种常用图库
● 允许导入OLE、Metafile、ActiveX 对象
● 支持OPC、ODBC 开放数据库连接、DDE
● 丰富的报警功能
● 强大的日志功能
● 同类产品无法比拟的开放性，可以与数千种第三方厂家的PLC、DCS、仪表等互连
         在天然气流量计量系统主站监控P C 机上， 使用CIMPLICITY HMI PE6.0 创建新工程，定义工程属性（协议与选项）；定义资源、角色、用户；使用协议的端口以及系统占用端口的设备；系统点标识（设备点或虚拟点）；编辑系统画面。利用VB（工程属性Basic Control 选项）或对象属性页创建动态事件与连接。系统画面包括主画面、管道图、数显图、趋势图、报表、报警等。由于在每个画面中，必须对4 个从站的数据都能实时监控。将端口协议定为MODBUS RTU，创建4 个RTU 从站与 4个GE PLC 相对应。运行工程后，调用系统各个画面，能够监视到各个工作站的运行状态、各种检测值及相关参数，提供实时及历史数据分析、报表、报警等。
2. 系统软件配置
● PLC编程软件工具
ME5.55（GE CIMPLICITY Machine Edition）。
● 上位机数据采集与监控SCADA软件平台
PE6.0（GE CIMPLICITY HMI Plant Edition）。