基于IPC的SNAP I/O分布式控制系统的实现

1 引言

    SNAP I/O控制系统是一个基于工控机(IPC)控制的现场分布式I/O控制系统，主要应用于工业自动化控制领域。在它所提供的软硬件开发平台上，用户可根据现场需要构成一个从几点到上万点的可灵活配置的控制系统。该系统以工控机技术为基础，在开发、设计、调试、维护等方面较容易，尤其在模拟量的处理、浮点运算、PID调节、通讯、多媒体、人机界面等方面有较强功能。该系统既可采用上下位机方式，又可在现场采用多级CPU控制处理构成一个分布式I/O系统，所以系统的实时性、可靠性、灵活性较强。SNAP I/O系统以其方便的开发手段、卓越的产品性能、无与伦比的可靠性正被越来越多的工程技术人员运用于冶金、建材、石化、水处理，楼宇自动化，城市自动化等各行各业。本文结合现场实际应用主要介绍SNAP I/O控制系统的构成及配置

2 系统构成

    SNAP I/O系统主要由工控机、控制器、智能处理器、I/O模块组成，控制器之间及智能处理器之间可采用串行、并行或以太网通讯方式，通讯采用OptomuxTM、PamuxTM、MisticTM通讯协议。图1为该系统结构框图。

图1. SNAP I/O系统结构框图

    1通道 至多255个

    2通道 至多64个

     3通道 至多16个

    1)主控制器

    SNAP I/O控制系统的主控制器成本低，性能高，体积小，可结合SNAP I/O单元处理器、Mistic远程I/O单元处理器和Optomux单元处理器一起应用。主控制器的作用是运行整个被组态好的控制算法和协调整个控制系统的通讯，包括各个单元处理器之间的通讯。SNAP I/O控制系统的工作方式如下：从上位机将控制算法下装到主控制器中，然后控制器将回路控制、逻辑功能及I/O智能化功能分配给相关的单元处理器，由单元处理器的CPU来完成，控制算法的主体在主控制器中由Flash ROM中的内核对其进行解释执行，当控制策略需要现场实时数据时，主控制器以通讯的方式向单元处理器获取数据。

    2)单元处理器

     单元处理器是整个SNAP I/O中最重要的部分，它既可以和主控制器结合组成完整的控制系统，也可以直接和上位机结合起来当作远程I/O单元来应用。其作用是：完成和主控制器之间的多种通讯方式，并对主控制器的要求作出快速响应；实现I/O的智能化，处理简单逻辑功能，如事件响应、PID回路控制、高速计数及工程单位转换等；对本单元的I/O点进行定期扫描。其专用开发工具可以让计算机直接与单元处理器通讯，它包括最新的32位Windows驱动程序，16位Windows驱动程序和DOS的驱动程序，用户可以用高级语言如：Visual C++或Visual Basic直接对I/O进行采集、运算和控制。

     3)I/O模块

     SNAP I/O控制系统有数字量和模拟量模块。I/O模块都是高集成度的模块，数字量集成了4个通道，模拟量集成了1或2个通道。每个模块只要简单的插拔就可在SNAP的底板上安装，模块项端还有可插拔的现场接线端子，这样在不改变现场接线的情况下就能方便地更换模块。

     数字量输入、输出模块

     SNAP I/O系统的数字量输入、输出模块非常丰富。其中每个输入模块提供4通道的输入信号，可以接受的电平信号包括5VDC、12VDC、24VDC、48VDC/AC、110VDC/AC、220VAC。每个输出模块提供4通道的输出信号，可以接交流、直流负载，也提供继电器输出模块，一般每个模块的负载能力是3A。为了方便调试，每个模块的通道都有LED指示，有的模块还带手动/自动开关。Opto 22 提供的高速计数模块，计数频率最高达20KHz。所有模块都提供内部逻辑端和外部现场端的4000VDC光电隔离。所有模块都提供对应的通过FM认证的模块型号。

    模拟量输入、输出模块

    模拟量输入、输出模块与SNAP I/O控制系统的智能处理器配套使用，安装在SNAP-B系列的底板上。其中模拟量输入模块种类繁多，可满足工业现场的各种信号需要，如标准的电流、电压、热电偶、热电阻信号，还有非标准的0-10A/AC/DC电流，0-250V/AC/DC电压、0-25KHz的频率、-150mV---+150mV 电压、ICTD温度信号都可以直接与模拟量输入模块相接，无需变送器转换。每个模块可提供1-2通道，每个通道提供15位A/D转换，使得测量精度高达0.004%。

    模拟量输出模块插在SNAP-B系列的底板上，每个模块有1-2个通道， 12位D/A分辨率。 每个模块本身具有微处理器，具有在板智能功能，是OEM客户的理想选择。SNAP I/O系统的模拟量输出模块除提供标准的电流、电压输出外，还提供时间比例输出模块。

所有输入、输出模块均提供逻辑端到现场端间的4000VDC光电隔离和变送隔离，消除地回路及信号间干扰；模块之间以及模块与单元处理器间均是相互隔离的。有些模块不仅通道间隔离，还带配电功能。

3 系统特点

     1).可靠性高 SNAP I/O系统符合美国Class 1，Divsion 2，Group A.B.C.D 的FM认证标准。能达到危险领域的控制要求。Opto 22生产的所有产品都提供4000V光电隔离。

     2).可扩展性好 SNAP I/O系统主控制器通过RS485或ARCNET网的通讯方式，可以和多达64个的智能处理器通讯，一般系统是很难用完的，以后扩展，只需增加智能处理器部分，非常容易。

      3).I/O点的智能化 对于SNAP I/O系统，它的每个I/O点都可以完成智能化的功能，这是它与PLC和DCS的主要区别。这些功能都是在智能处理器中完成的，无须控制器干预。其中数字I/O点具有：输入锁定；脉宽检测（0.1ms）；计数（20KHz）；ON/OFF状态时间求和；脉冲输出；时间比例输出；看门狗；设置故障时的安全值。模拟量I/O具有：PID运算；高低限监测；热电偶线性化；数字滤波；斜坡/波形产生；可调偏差/增益；工程单位转换；平方根处理；求和值、最大值、最小值和平均值；看门狗；设置故障时的安全值。大大提高系统的可靠性和安全性。

      4).通信、网络功能强、开放性好 SNAP I/O系统支持各种通讯方式，并且自己通讯协议完全公开，非常开放,包括串口、ARCNET、Ethernet，很容易与其他设备连网或通讯。

      5).分布式、现场化 SNAP I/O系统是典型的分布式控制系统， 各智能处理单元可以放在现场，通过通讯方式与控制器通讯。

      6).可维护性高 SNAP I/O系统硬件非常可靠，I/O模块终生保用，软件无硬件狗和软件狗，即使系统崩溃，重新安装系统软件也非常方便。[page]

4 系统配置及温度控制

     4.1 系统配置

     某煤矿地面瓦斯电站控制系统有开关量输入（DI）80点；开关量输出（DO）44点；模拟量(4-20mA)输入（AI）：28点；热电阻PT100信号（RTD）：12点；热电偶信号（TC）：8点；模拟量(4-20mA)输出（AO）：16点，全系统共计192点。工控机与控制器系统通过以太网的方式通讯。信号全部集中在控制值班室。在进行系统配置时，首先，根据各信号点数选择对应的I/O模块，确定数量。其次，根据I/O模块的数量，选择智能处理器和底板。再者，根据系统的大小和通讯要求，选择控制器。最后，根据以上所选来配套电源和软件。图2为系统配置结构图。系统具体配置如下：

     1）、选择I/O模块：

      DI： 80点，选择4通道开关量输入模块SNAP-IDC5，数量20个
     DO： 44点，选择4通道开关量输出模块SNAP-ODC5-I，数量11个
     AI： 28点，选择2通道模拟量输入模块SNAP-AIMA，数量14个
     RTD：12点，选择2通道热电阻输入模块SNAP-AIRTD，数量6个
     TC： 8点，选择2通道热电偶输入模块SNAP-AITM，数量4个
     AO： 16点，选择2通道模拟量输出模块SNAP-AOA-23，数量8个

     模块数量：开关量：31个，模拟量：32个； 总计：63个

      2）、选择智能处理器和底板

      在SNAP I/O系统中，有16槽底板SNAP-B16M。根据I/O模块的数量，我们计算出底板的数量：63/16=4；

     每一个底板上必须配套一个智能处理器。以16槽底板为例：SNAP-B3000可以处理8个开关量模块或16个模拟量模块；若同时处理，则可以配置8个开关量模块+8个模拟量模块。SNAP-BRS只能处理8个开关量模块，配套SNAP-B8M底板。我们配置4个SNAP-B3000，就可以满足要求。

      3）、选择控制器

    本系统要求工控机与控制器系统通过以太网的方式通讯，所以我们必须选择SNAP-LCM4控制器，另配工业以太网卡M4SENET100。但在一般情况下，若系统规模不大，模拟量较少，可以配置SNAP-LCSX-PLUS或SNAP-LCSX控制器，他们与工控机之间采用的是RS232/485通讯方式通讯，速度相应要低一些，控制器的性能也要弱一些。但一般可以满足大部分工业控制要求。。

     4）、配套电源及软件

     一般情况下，每个底板采取单独供电方式，SNAP-LCM4也要求单独供电。所以在本系统中，需要5个电源SNAP-PS5C10。在某些情况下，特别是信号全部集中在一起，系统的所有底板安装在一个控制柜内，处理开关量信号的底板又非常多，我们也可以2-3个底板共用一个电源，但必须保证电源的负载能力在允许的范围内。

     软件采用配套的FactoryFloor，可以完成控制、人机界面、数据库连接等许多功能。由于采用的是流程图编程方式，控制程序简单、易学、易懂、易修改、易维护。

图2. 系统配置结构图

     4.2 温度控制

     瓦斯电站燃气涡轮机余热锅炉是一套冷水、热水混合循环控制系统，控制对象包括热交换器风门、电动调节阀等多个对象。由SNAP I/O控制系统构成的智能分布I/O控制系统，可以实现液位控制、温度控制、压力控制、比值控制等多种控制方案。其中温度控制是较关键的环节，是构成其他控制系统的核心。根据现场要求，采用PID系统功能块实现温度闭环控制系统。控制系统的原理是采用热电阻来采集锅炉内的温度，与工艺设定的温度曲线进行比较，对误差进行PID调节运算，调整输出信号，调节燃气涡轮机与余热锅炉热交换器的风门开度，最终控制锅炉的温度。在PID调节过程中，控制程序开发人员可以获取当前的PID调节参数并可以直接把这些参数写入配置器。该系统采用工控机、控制器、智能板三级CPU控制，PID运算在最底端的智能板中处理，无须控制器参与即可完成，使系统具有较高的实时性；系统采用前端智能分布式I/O控制，系统I/O点数容量较大，扩展方便，灵活；该系统的前端智能I/O模块都具有4000V光电隔离，模拟量的通道间也提供隔离功能，具有相当高的可靠性和较高的现场抗干扰能力。

     该控制系统能够在上位计算机上设定温度工艺曲线，并按温度测量值和设定值双四位显示；可实现控制的手动/自动切换和定时升温功能；具有超温保护及声光报警功能；为了防止出现大的超调，对不同温度给定值，取不同的积分保持上下限值，并可根据不同情况的出现适当调节PID的参数；实时显示、记录每个检测点的温度值和压力值，并且形成历史数据库文件，供今后查阅。系统稳定、可靠，控制精度在3%以内。

5 结束语

     SNAP I/O控制系统在工业自动化硬件和软件方面具有实用性以及创新性，它与Microsoft的操作系统和应用程序结合，为一体化控制提供了极为可靠的基础。用户既可以方便地进行系统工程组态，可实现多种控制策略，易于操作，同时也易于实现与企业管理网的通讯及数据交换，实现管理监控一体化。该系统在瓦斯电站应用以来安装调试简便、运行稳定可靠、人机界面友好，具有良好的应用推广意义。