基于IPC的SNAP I/O分布式控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1 引言

SNAP I/O控制系統(tǒng)是一個(gè)基于工控機(jī)(IPC)控制的現(xiàn)場分布式I/O控制系統(tǒng)，主要應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域。在它所提供的軟硬件開發(fā)平臺上，用戶可根據(jù)現(xiàn)場需要構(gòu)成一個(gè)從幾點(diǎn)到上萬點(diǎn)的可靈活配置的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以工控機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，在開發(fā)、設(shè)計(jì)、調(diào)試、維護(hù)等方面較容易，尤其在模擬量的處理、浮點(diǎn)運(yùn)算、PID調(diào)節(jié)、通訊、多媒體、人機(jī)界面等方面有較強(qiáng)功能。該系統(tǒng)既可采用上下位機(jī)方式，又可在現(xiàn)場采用多級CPU控制處理構(gòu)成一個(gè)分布式I/O系統(tǒng)，所以系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性、靈活性較強(qiáng)。SNAP I/O系統(tǒng)以其方便的開發(fā)手段、卓越的產(chǎn)品性能、無與倫比的可靠性正被越來越多的工程技術(shù)人員運(yùn)用于冶金、建材、石化、水處理，樓宇自動(dòng)化，城市自動(dòng)化等各行各業(yè)。本文結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用主要介紹SNAP I/O控制系統(tǒng)的構(gòu)成及配置

2 系統(tǒng)構(gòu)成

SNAP I/O系統(tǒng)主要由工控機(jī)、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(wǎng)通訊方式，通訊采用OptomuxTM、PamuxTM、MisticTM通訊協(xié)議。圖1為該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖1. SNAP I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1通道 至多255個(gè)

2通道 至多64個(gè)

3通道 至多16個(gè)

1)主控制器

SNAP I/O控制系統(tǒng)的主控制器成本低，性能高，體積小，可結(jié)合SNAP I/O單元處理器、Mistic遠(yuǎn)程I/O單元處理器和Optomux單元處理器一起應(yīng)用。主控制器的作用是運(yùn)行整個(gè)被組態(tài)好的控制算法和協(xié)調(diào)整個(gè)控制系統(tǒng)的通訊，包括各個(gè)單元處理器之間的通訊。SNAP I/O控制系統(tǒng)的工作方式如下：從上位機(jī)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(guān)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(nèi)核對其進(jìn)行解釋執(zhí)行，當(dāng)控制策略需要現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)，主控制器以通訊的方式向單元處理器獲取數(shù)據(jù)。

2)單元處理器

單元處理器是整個(gè)SNAP I/O中最重要的部分，它既可以和主控制器結(jié)合組成完整的控制系統(tǒng)，也可以直接和上位機(jī)結(jié)合起來當(dāng)作遠(yuǎn)程I/O單元來應(yīng)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(yīng)；實(shí)現(xiàn)I/O的智能化，處理簡單邏輯功能，如事件響應(yīng)、PID回路控制、高速計(jì)數(shù)及工程單位轉(zhuǎn)換等；對本單元的I/O點(diǎn)進(jìn)行定期掃描。其專用開發(fā)工具可以讓計(jì)算機(jī)直接與單元處理器通訊，它包括最新的32位Windows驅(qū)動(dòng)程序，16位Windows驅(qū)動(dòng)程序和DOS的驅(qū)動(dòng)程序，用戶可以用高級語言如：Visual C++或Visual Basic直接對I/O進(jìn)行采集、運(yùn)算和控制。

3)I/O模塊

SNAP I/O控制系統(tǒng)有數(shù)字量和模擬量模塊。I/O模塊都是高集成度的模塊，數(shù)字量集成了4個(gè)通道，模擬量集成了1或2個(gè)通道。每個(gè)模塊只要簡單的插拔就可在SNAP的底板上安裝，模塊項(xiàng)端還有可插拔的現(xiàn)場接線端子，這樣在不改變現(xiàn)場接線的情況下就能方便地更換模塊。

數(shù)字量輸入、輸出模塊

SNAP I/O系統(tǒng)的數(shù)字量輸入、輸出模塊非常豐富。其中每個(gè)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(gè)輸出模塊提供4通道的輸出信號，可以接交流、直流負(fù)載，也提供繼電器輸出模塊，一般每個(gè)模塊的負(fù)載能力是3A。為了方便調(diào)試，每個(gè)模塊的通道都有LED指示，有的模塊還帶手動(dòng)/自動(dòng)開關(guān)。Opto 22 提供的高速計(jì)數(shù)模塊，計(jì)數(shù)頻率最高達(dá)20KHz。所有模塊都提供內(nèi)部邏輯端和外部現(xiàn)場端的4000VDC光電隔離。所有模塊都提供對應(yīng)的通過FM認(rèn)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(tǒng)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(yè)現(xiàn)場的各種信號需要，如標(biāo)準(zhǔn)的電流、電壓、熱電偶、熱電阻信號，還有非標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)換。每個(gè)模塊可提供1-2通道，每個(gè)通道提供15位A/D轉(zhuǎn)換，使得測量精度高達(dá)0.004%。

模擬量輸出模塊插在SNAP-B系列的底板上，每個(gè)模塊有1-2個(gè)通道， 12位D/A分辨率。 每個(gè)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(tǒng)的模擬量輸出模塊除提供標(biāo)準(zhǔn)的電流、電壓輸出外，還提供時(shí)間比例輸出模塊。

所有輸入、輸出模塊均提供邏輯端到現(xiàn)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(tǒng)特點(diǎn)

1).可靠性高 SNAP I/O系統(tǒng)符合美國Class 1，Divsion 2，Group A.B.C.D 的FM認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。能達(dá)到危險(xiǎn)領(lǐng)域的控制要求。Opto 22生產(chǎn)的所有產(chǎn)品都提供4000V光電隔離。

2).可擴(kuò)展性好 SNAP I/O系統(tǒng)主控制器通過RS485或ARCNET網(wǎng)的通訊方式，可以和多達(dá)64個(gè)的智能處理器通訊，一般系統(tǒng)是很難用完的，以后擴(kuò)展，只需增加智能處理器部分，非常容易。

3).I/O點(diǎn)的智能化 對于SNAP I/O系統(tǒng)，它的每個(gè)I/O點(diǎn)都可以完成智能化的功能，這是它與PLC和DCS的主要區(qū)別。這些功能都是在智能處理器中完成的，無須控制器干預(yù)。其中數(shù)字I/O點(diǎn)具有：輸入鎖定；脈寬檢測（0.1ms）；計(jì)數(shù)（20KHz）；ON/OFF狀態(tài)時(shí)間求和；脈沖輸出；時(shí)間比例輸出；看門狗；設(shè)置故障時(shí)的安全值。模擬量I/O具有：PID運(yùn)算；高低限監(jiān)測；熱電偶線性化；數(shù)字濾波；斜坡/波形產(chǎn)生；可調(diào)偏差/增益；工程單位轉(zhuǎn)換；平方根處理；求和值、最大值、最小值和平均值；看門狗；設(shè)置故障時(shí)的安全值。大大提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。

4).通信、網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)、開放性好 SNAP I/O系統(tǒng)支持各種通訊方式，并且自己通訊協(xié)議完全公開，非常開放,包括串口、ARCNET、Ethernet，很容易與其他設(shè)備連網(wǎng)或通訊。

5).分布式、現(xiàn)場化 SNAP I/O系統(tǒng)是典型的分布式控制系統(tǒng)， 各智能處理單元可以放在現(xiàn)場，通過通訊方式與控制器通訊。

6).可維護(hù)性高 SNAP I/O系統(tǒng)硬件非常可靠，I/O模塊終生保用，軟件無硬件狗和軟件狗，即使系統(tǒng)崩潰，重新安裝系統(tǒng)軟件也非常方便。