1．引言 　　SNAP I/O控制系統是一個基于工控機（IPC）控制的現場分布式I/O控制系統，主要應用于工業自動化控制領域。在它所提供的軟硬件開發平臺上，用戶可根據現場需要構成一個從幾點到上萬點的可靈活配置的控制系統。該系統以工控機技術為基礎，在開發、設計、調試、維護等方面較容易，尤其在模擬量的處理、浮點運算、PID調節、通訊、多媒體、人機界面等方面有較強功能。該系統既可采用上下位機方式，又可在現場采用多級CPU控制處理構成一個分布式I/O系統，所以系統的實時性、可靠性、靈活性較強。SNAP I/O系統以其方便的開發手段、卓越的產品性能、無與倫比的可靠性正被越來越多的工程技術人員運用于冶金、建材、石化、水處理，樓宇自動化，城市自動化等各行各業。本文結合現場實際應用主要介紹SNAP I/O控制系統的構成及配置 　　2． 系統構成 　　SNAP I/O系統主要由工控機、控制器、智能處理器、I/O模塊組成，控制器之間及智能處理器之間可采用串行、并行或以太網通訊方式，通訊采用OptomuxTM、PamuxTM、MisticTM通訊協議。圖1為該系統結構框圖。 　　圖1. SNAP I/O系統結構框圖 　　1通道 至多255個 　　2通道 至多64個 　　3通道 至多16個 　　1）主控制器 　　SNAP I/O控制系統的主控制器成本低，性能高，體積小，可結合SNAP I/O單元處理器、Mistic遠程I/O單元處理器和Optomux單元處理器一起應用。主控制器的作用是運行整個被組態好的控制算法和協調整個控制系統的通訊，包括各個單元處理器之間的通訊。SNAP I/O控制系統的工作方式如下：從上位機將控制算法下裝到主控制器中，然后控制器將回路控制、邏輯功能及I/O智能化功能分配給相關的單元處理器，由單元處理器的CPU來完成，控制算法的主體在主控制器中由Flash ROM中的內核對其進行解釋執行，當控制策略需要現場實時數據時，主控制器以通訊的方式向單元處理器獲取數據。 　　2）單元處理器 　　單元處理器是整個SNAP I/O中最重要的部分，它既可以和主控制器結合組成完整的控制系統，也可以直接和上位機結合起來當作遠程I/O單元來應用。其作用是：完成和主控制器之間的多種通訊方式，并對主控制器的要求作出快速響應；實現I/O的智能化，處理簡單邏輯功能，如事件響應、PID回路控制、高速計數及工程單位轉換等；對本單元的I/O點進行定期掃描。其專用開發工具可以讓計算機直接與單元處理器通訊，它包括最新的32位Windows驅動程序，16位Windows驅動程序和DOS的驅動程序，用戶可以用高級語言如：Visual C++或Visual Basic直接對I/O進行采集、運算和控制。 　　3）I/O模塊 　　SNAP I/O控制系統有數字量和模擬量模塊。I/O模塊都是高集成度的模塊，數字量集成了4個通道，模擬量集成了1或2個通道。每個模塊只要簡單的插拔就可在SNAP的底板上安裝，模塊項端還有可插拔的現場接線端子，這樣在不改變現場接線的情況下就能方便地更換模塊。 數字量輸入、輸出模塊 　　SNAP I/O系統的數字量輸入、輸出模塊非常豐富。其中每個輸入模塊提供4通道的輸入信號，可以接受的電平信號包括5VDC、12VDC、24VDC、48VDC/AC、110VDC/AC、220VAC。每個輸出模塊提供4通道的輸出信號，可以接交流、直流負載，也提供繼電器輸出模塊，一般每個模塊的負載能力是3A。為了方便調試，每個模塊的通道都有LED指示，有的模塊還帶手動/自動開關。Opto 22 提供的高速計數模塊，計數頻率最高達20KHz。所有模塊都提供內部邏輯端和外部現場端的4000VDC光電隔離。所有模塊都提供對應的通過FM認證的模塊型號。 　　模擬量輸入、輸出模塊 　　模擬量輸入、輸出模塊與SNAP I/O控制系統的智能處理器配套使用，安裝在SNAP-B系列的底板上。其中模擬量輸入模塊種類繁多，可滿足工業現場的各種信號需要，如標準的電流、電壓、熱電偶、熱電阻信號，還有非標準的0-10A/AC/DC電流，0-250V/AC/DC電壓、0-25KHz的頻率、-150mV——-+150mV 電壓、ICTD溫度信號都可以直接與模擬量輸入模塊相接，無需變送器轉換。每個模塊可提供1-2通道，每個通道提供15位A/D轉換，使得測量精度高達0.004%。 　　模擬量輸出模塊插在SNAP-B系列的底板上，每個模塊有1-2個通道， 12位D/A分辨率。 每個模塊本身具有微處理器，具有在板智能功能，是OEM客戶的理想選擇。SNAP I/O系統的模擬量輸出模塊除提供標準的電流、電壓輸出外，還提供時間比例輸出模塊。 　　所有輸入、輸出模塊均提供邏輯端到現場端間的4000VDC光電隔離和變送隔離，消除地回路及信號間干擾；模塊之間以及模塊與單元處理器間均是相互隔離的。有些模塊不僅通道間隔離，還帶配電功能。 3.系統特點 1）.可靠性高 SNAP I/O系統符合美國Class 1，Divsion 2，Group A.B.C.D 的FM認證標準。能達到危險領域的控制要求。Opto 22生產的所有產品都提供4000V光電隔離。 2）.可擴展性好 SNAP I/O系統主控制器通過RS485或ARCNET網的通訊方式，可以和多達64個的智能處理器通訊，一般系統是很難用完的，以后擴展，只需增加智能處理器部分，非常容易。 3）.I/O點的智能化 對于SNAP I/O系統，它的每個I/O點都可以完成智能化的功能，這是它與PLC和DCS的主要區別。這些功能都是在智能處理器中完成的，無須控制器干預。其中數字I/O點具有：輸入鎖定；脈寬檢測（0.1ms）；計數（20KHz）；ON/OFF狀態時間求和；脈沖輸出；時間比例輸出；看門狗；設置故障時的安全值。模擬量I/O具有：PID運算；高低限監測；熱電偶線性化；數字濾波；斜坡/波形產生；可調偏差/增益；工程單位轉換；平方根處理；求和值、最大值、最小值和平均值；看門狗；設置故障時的安全值。大大提高系統的可靠性和安全性。 4）.通信、網絡功能強、開放性好 SNAP I/O系統支持各種通訊方式，并且自己通訊協議完全公開，非常開放,包括串口、ARCNET、Ethernet，很容易與其他設備連網或通訊。 5）.分布式、現場化 SNAP I/O系統是典型的分布式控制系統， 各智能處理單元可以放在現場，通過通訊方式與控制器通訊。 6）.可維護性高 SNAP I/O系統硬件非?？煽?，I/O模塊終生保用，軟件無硬件狗和軟件狗，即使系統崩潰，重新安裝系統軟件也非常方便。 　　4.系統配置及溫度控制 　　4．1 系統配置 　　某煤礦地面瓦斯電站控制系統有開關量輸入（DI）80點；開關量輸出（DO）44點；模擬量（4-20mA）輸入（AI）：28點；熱電阻PT100信號（RTD）：12點；熱電偶信號（TC）：8點；模擬量（4-20mA）輸出（AO）：16點，全系統共計192點。工控機與控制器系統通過以太網的方式通訊。信號全部集中在控制值班室。在進行系統配置時，首先，根據各信號點數選擇對應的I/O模塊，確定數量。其次，根據I/O模塊的數量，選擇智能處理器和底板。再者，根據系統的大小和通訊要求，選擇控制器。最后，根據以上所選來配套電源和軟件。圖2為系統配置結構圖。系統具體配置如下： 1）、選擇I/O模塊： DI： 80點，選擇4通道開關量輸入模塊SNAP-IDC5，數量20個 DO： 44點，選擇4通道開關量輸出模塊SNAP-ODC5-I，數量11個 AI： 28點，選擇2通道模擬量輸入模塊SNAP-AIMA，數量14個 RTD：12點，選擇2通道熱電阻輸入模塊SNAP-AIRTD，數量6個 TC： 8點，選擇2通道熱電偶輸入模塊SNAP-AITM，數量4個 AO： 16點，選擇2通道模擬量輸出模塊SNAP-AOA-23，數量8個 模塊數量：開關量：31個，模擬量：32個； 總計：63個 　　2）、選擇智能處理器和底板 　　在SNAP I/O系統中，有16槽底板SNAP-B16M。根據I/O模塊的數量，我們計算出底板的數量：63/16=4； 　　每一個底板上必須配套一個智能處理器。以16槽底板為例：SNAP-B3000可以處理8個開關量模塊或16個模擬量模塊；若同時處理，則可以配置8個開關量模塊+8個模擬量模塊。SNAP-BRS只能處理8個開關量模塊，配套SNAP-B8M底板。我們配置4個SNAP-B3000，就可以滿足要求。 　　3）、選擇控制器 　　本系統要求工控機與控制器系統通過以太網的方式通訊，所以我們必須選擇SNAP-LCM4控制器，另配工業以太網卡M4SENET100。但在一般情況下，若系統規模不大，模擬量較少，可以配置SNAP-LCSX-PLUS或SNAP-LCSX控制器，他們與工控機之間采用的是RS232/485通訊方式通訊，速度相應要低一些，控制器的性能也要弱一些。但一般可以滿足大部分工業控制要求。 　　4）、配套電源及軟件 　　一般情況下，每個底板采取單獨供電方式，SNAP-LCM4也要求單獨供電。所以在本系統中，需要5個電源SNAP-PS5C10。在某些情況下，特別是信號全部集中在一起，系統的所有底板安裝在一個控制柜內，處理開關量信號的底板又非常多，我們也可以2-3個底板共用一個電源，但必須保證電源的負載能力在允許的范圍內。 　　軟件采用配套的FactoryFloor，可以完成控制、人機界面、數據庫連接等許多功能。由于采用的是流程圖編程方式，控制程序簡單、易學、易懂、易修改、易維護。 　　圖2. 系統配置結構圖 　　4．2 溫度控制 　　瓦斯電站燃氣渦輪機余熱鍋爐是一套冷水、熱水混合循環控制系統，控制對象包括熱交換器風門、電動調節閥等多個對象。由SNAP I/O控制系統構成的智能分布I/O控制系統，可以實現液位控制、溫度控制、壓力控制、比值控制等多種控制方案。其中溫度控制是較關鍵的環節，是構成其他控制系統的核心。根據現場要求，采用PID系統功能塊實現溫度閉環控制系統?？刂葡到y的原理是采用熱電阻來采集鍋爐內的溫度，與工藝設定的溫度曲線進行比較，對誤差進行PID調節運算，調整輸出信號，調節燃氣渦輪機與余熱鍋爐熱交換器的風門開度，最終控制鍋爐的溫度。在PID調節過程中，控制程序開發人員可以獲取當前的PID調節參數并可以直接把這些參數寫入配置器。該系統采用工控機、控制器、智能板三級CPU控制，PID運算在最底端的智能板中處理，無須控制器參與即可完成，使系統具有較高的實時性；系統采用前端智能分布式I/O控制，系統I/O點數容量較大，擴展方便，靈活；該系統的前端智能I/O模塊都具有4000V光電隔離，模擬量的通道間也提供隔離功能，具有相當高的可靠性和較高的現場抗干擾能力。圖3為溫控程序流程圖。 　　圖3.溫控程序流程圖 　　該控制系統能夠在上位計算機上設定溫度工藝曲線，并按溫度測量值和設定值雙四位顯示；可實現控制的手動/自動切換和定時升溫功能；具有超溫保護及聲光報警功能；為了防止出現大的超調，對不同溫度給定值，取不同的積分保持上下限值，并可根據不同情況的出現適當調節PID的參數；實時顯示、記錄每個檢測點的溫度值和壓力值，并且形成歷史數據庫文件，供今后查閱。系統穩定、可靠，控制精度在3%以內。 　　5．結束語 　　SNAP I/O控制系統在工業自動化硬件和軟件方面具有實用性以及創新性，它與Microsoft的操作系統和應用程序結合，為一體化控制提供了極為可靠的基礎。用戶既可以方便地進行系統工程組態，可實現多種控制策略，易于操作，同時也易于實現與企業管理網的通訊及數據交換，實現管理監控一體化。該系統在瓦斯電站應用以來安裝調試簡便、運行穩定可靠、人機界面友好，具有良好的應用推廣意義。 參考文獻 1． 北京奧普圖科技有限公司. Opto22控制系統說明書 . 2000 2．于凡,趙永生等.基于Modbus協議的鍋爐監控系統設計.國內外機電一體化技術.2006（2） 　 作者單位：蘭州資源環境職業技術學院 　 地址：蘭州市城關區段家灘1173號　730020　 Email：zhanglin_1112@sina.com