摘 要：針對目前燃氣行業的現狀，提出了一種基于Fieldbus網絡的低成本、高可靠性的計算機監控方案。深入探討了此方案的原理、構成與實現方法，并通過與傳統方案的對比分析，深刻揭示了此方案的穩定性與廣泛適用性。 關鍵詞：Fieldbus網絡；計算機監控系統；DCS系統；人機界面；智能儀表 1、引言 由于燃氣生產行業工況復雜，環境溫度較高，導致以往采用的人工參與的調節系統既不安全也不可靠。因此，在目前的燃氣生產行業中，多采用計算機監控系統來替代傳統的人工監控。這樣既提高了測量精度，也增加了安全性和可靠性。一個完整的計算機監控系統應包括硬件和軟件兩大部分，其中，硬件系統的實現主要涉及到了工業控制網絡的系統集成與架構設計工作，而軟件系統則主要是系統監控軟件的編制，這其中包括軟件的設計、開發、調試與測試。在實際使用過程中，軟、硬件系統必須緊密結合，協同工作，只有這樣才能實現真正意義上的計算機監控。 Fieldbus是應用在生產現場，在微機化測量控制設備之間實現的雙向、串行、多節點數字通信系統，也稱為開放式、數字化、多點通信的底層控制網絡。它將專用微處理器置人傳統的測量控制儀表，使它們各自都具有數字計算機和數字通信能力，采用可進行簡單連接的雙絞線等作為總線，把多個測量控制儀表連接成網絡系統，并按公開、規范的通信協議，在位于現場的多個微機化測量控制設備之間以及現場儀表與遠程監控計算機之間，實現數據傳輸與信息交換，形成了各種適應實際需要的自動控制系統。 在燃氣生產行業的現行計算機監控系統中采用Fieldbus網絡及其智能儀表組成的控制系統，將比采用傳統技術的控制系統（DCS系統）具有一些固有的技術優勢。首先，Fieldbus網絡是一個全數字化的現場通信網絡，其采用數字信號代替傳統的模擬信號，使其測量精度高，抗干擾性強。其次，它實現了控制功能的徹底分散，把控制下放到底層的智能化現場設備，既降低了成本又增加了安全性和可靠性。另外，基于總線的智能化現場儀表，可以對量程和零點進行遠方設定，具有儀表工作狀態自診斷功能，因此能進行多參數測量和對環境影響的自動補償。 綜上所述，在現行燃氣生產行業中采用基于Fieldbus網絡的計算機監控系統能取得較好的測量效果與控制效果。 2 系統監控方案： 在現場監控層：智能化儀表和I／O模塊通過Fieldbus網絡與監控機實時通信，操作員可通過監控機實現對它們所有參數的設定與數據的采集。具體過程為：系統通過模擬量采集模塊（NIFP—AI—loo）或智能儀表采集到參數信息后，發送到總線上，然后總線信息通過現場總線接口卡采集到現場監控計算機中，之后現場監控機調用SQL SERVER數據庫進行數據存儲，并調用監控軟件進行實時數據及歷史曲線的顯示。同時，在生產管理層，工廠管理級PC可通過NE2000網卡與監控機相連，實現數據共享和生產管理集成功能。 3 系統結構設計： 在實際組網時，考慮到目前燃氣生產行業中現存有大量的模擬儀表，如果全部改成數字儀表進行網絡集成，勢必會造成現有設備的大量浪費，同時也會導致相應成本的大幅提高，因此在設計系統結構時采取了兩種形式儀表共存的網絡架構，對部分不參與控制的、實時性要求較差的參數，如煙道溫度、煤氣氧含量參數，是通過原有模擬儀表進行采集，然后經過模擬量采集模塊（NIFP—AJ—100）進行轉換后變成數字信號發送到Fieldbus網絡上，而對于那些參與控制的、實時性要求較高的參數，如煤氣主管壓力、煙道吸力控制參數，則是直接通過智能化儀表（Sn LD302）進行采集，因采集到的信號已是數字信號，所以無需進行轉換，達到了快速顯示與控制的目的。 此套監控系統采用總線式結構，由監控機（研華IPC610），8通道數據采集／輸出 模塊（FP—AI—100，FP—AO—200），和NI公司的數據通信模塊（NI FP—3000），光纖 收發器（LANTECH 10M）以及智能化儀表（SmarLD302）組成。系統總體控制結構如圖1所示： 管理層PC通過網絡可實時對現場生產參數進行監測。由圖可見，此套監控系統是由現場設備層網絡、控制層網絡與上層管理層網絡所組成的三級網絡體系結構，其結構嚴謹、控制方便，能夠較好的實現數據的采集與控制。 4 系統軟件設計： FP—3000以及FP—AI—100、FP—AO—200的組態軟件選用NI公司的NI Configrator軟件。系統監控程序采用Visualbasic6．0開發，以形象的人機界面形式供用戶對現場設備信息進行監視、設置等操作，提供各種實時、歷史曲線顯示，實現對現場設備的管理并具有顯示參數實時列表，打印報表等功能。 4．1 軟件功能塊結構圖： 各功能塊所承擔的具體任務如下： 1．工藝流程顯示主要生產流程畫面及相關參數。 2．趨勢記錄以曲線圖形式顯示現場數據趨勢，可查看六天以內的歷史紀錄。 3．參數列表以表格形式顯示所有參數，其中包括參數名、參數類型與相關量程等項目并可根據指定時間打印報表。 4．控制系統以圖形方式設置相應PID控制參數。其中主要涉及比例帶、積分時間、微分時間等相關參數。 5．報警模塊顯示相關參數的報警信息。其中主要涉及報警時間、報警類型、故障來源等參數。 在實現時由主界面來統一調度各功能模塊來完成相應的顯示與操作。 4．2 開發過程中涉及到的主要問題： 1．監控程序與數據I／0之間的通信機制工業現場數據多是實時的、動態的數據，因此，監控系統如果要實現動態的數據采集與處理，如果采用傳統的單線程程序設計方式，往往不能很好的協調數據采集與數據處理模塊之間的通信。Windows是一個支持多任務的操作系統，一個Windows下的應用程序（進程）可同時并發多個任務（即線程）。在我們的監控系統設計過程中，充分利用了Windows系統的多線程技術，為數據采集和數據處理設置專門的線程，通過異步I／O和事件驅動I／0結合的方式處理數據采集和數據處理線程之間的通信。以下是兩個線程的不同分工： ①控制線程（主線程）：用于對通信線程中接受的數據進行計算、存儲和顯示，并可以通過用戶交互，設置現場設備層網絡的控制參數，向其發送命令，改變其相應的運行狀態。 ②通信線程（輔助線程）：負責監聽串口狀態，處理監控系統與底層網絡的數據和指令的通信；將上傳的數據存放在指定的數據緩沖區中，并發送消息給控制線程通知采集數據到達；通信超時探測。 綜上所述，通過使用多線程技術，在輔助線程中監視串口，有數據到達時依靠事件驅動，讀人數據并向主線程報告，在主線程中發送控制命令，并使異步I／O技術依靠（overlapped）操作讓串口讀寫在后臺運行，通過I／0事件驅動和線程間的快速切換。監控系統在實際應用中可以達到接近實時的效果。 2．實時數據庫引擎的選擇 監控系統的具體實現中。采用了高效的、基于多任務的OPC內部實時數據庫引擎，OPC接口是一個統一規范。是基于OLE的由獨立銷售商制定的軟件接口。該接口在微軟的支持下。被自動化領域中的各大公司發展為一個工業標準。一個OPC服務器是為各生產廠商的應用程序提供標準OPC接口的程序。不管使用何種通訊網絡和協議。通過OPC接口訪問過程數據總是統一的。 一個OPC服務器構成中間層。該層介于允許訪問被處理的過程數據的應用程序和允許訪問該數據的各網絡協議與接口之間。從而在保證了系統實時數據快速采集的基礎上，實現了對異種系統的開放支持。 4、結束語： 本文所介紹的應用方案適用性較廣?？梢员粦迷谌細庑袠I中的諸多領域。比如：在罐站管理、煉焦制氣監測以及外網監控管理中。都可以采取本方案。在提高安全性和可靠性的同時。達到理想的監測效果。 原文請點擊下載：基于Fieldbus網絡的計算機監控系統在燃氣行業中的應用.pdf