方原柏
（昆明有色冶金设计研究院，650051）

摘  要：本文以厦门宇电公司的产品为例，叙述了显示控制器、手操器、伺服放大器、工控模块、PLC可编程控制器的性能，介绍了以这些设备为下位机的多种类型的AIDCS数据采集系统和分布式计算机监控系统。
关键词：显示控制仪表   数据采集系统   分布式计算机监控系统

AIDCS Distributed Control System
FANG Yuan-bai
Abstract: Taking products of Xiamen YuDian company as an example, describes performance of the display and control instrument, manual manipulator, servo amplifier, control module, PLC programmable controller, introduces AIDCS data acquisition system and Artificial intelligence distributed control system formed by these devices.
Key words: Display and control instrument  Data acquisition system   Artificial intelligence distributed control system

1 概述
    就生产过程自动化水平而言，大体可以划分为参数检测系统、参数监控系统、数据采集系统、分布式控制系统几类。参数检测系统为采用多台数字显示仪、记录仪构成的系统，生产过程所需要检测的参数由安装在仪表盘上的多台数字显示仪或记录仪分别显示；参数监控系统与参数检测系统类似，只不过生产过程部分参数有自动控制的要求，因而由带控制功能的数字显示仪或记录仪来完成；数据采集系统则有上位机系统，它采集下位机或采集系统本身的I/O接口接入的生产过程参数，然后在计算机屏幕上显示反映生产过程状态的各种参数、流程图、报表等；分布式控制系统则采用系统本身的I/O接口或通过通信方式接入其他系统传送过来的生产过程参数，还对有自动控制要求的参数进行自动控制，然后在计算机屏幕上显示反映生产过程状态的各种参数、流程图、报表等。
    数字显示仪和无纸记录仪是一类价格低廉、功能丰富的仪表，既可在检测参数特别少的场合应用，也可在检测参数较多甚至有部分控制回路的场合应用。因此由数字显示仪和无纸记录仪构成的参数检测系统、参数监控系统随处可见。但我们现在关心的是当数字显示仪和无纸记录仪具备较强的通信功能时，怎样用它们来构成数据采集系统和分布式控制系统。
    显示控制器的功能以显示为主，一部分兼具控制功能，这类功能是常规显示控制器的通用功能，可分别由多台显示器构成常规数字化监测系统和由多台显示控制器构成常规数字化监控系统。一些公司显示控制器的通信功能特别强，比如带RS485通信接口，由此可构成以显示控制器为下位机的多种类型的数据采集系统和分布式计算机监控系统。
    以下我们以厦门宇电公司产品为例，着重讨论如何选用数字显示控制器（包括无纸记录仪）等仪表组成数据采集系统和分布式计算机监控系统。
2 单机小型数据采集系统
    AI系列分体式无纸记录仪或人机界面触摸屏可选配多种带RS485通信接口的宇电二次仪表作为下位机，如单路、多路测量报警仪表，智能PID调节器/程序温控器等，这包括盘装仪表、导轨安装型仪表、导轨安装型工控模块，可按需配置，分别购买，自由组合及自由扩充（见图1）。
    分体式无纸记录仪相当于将测控单元与LCD显示屏幕分开，由下位机完成测控单元功能，无纸记录仪完成LCD显示屏幕功能。其检测通道数应在订货时注明，如8、10、12、18、24、30、36、48通道，更多的通道数可与厂方协商。这一数据采集系统的优点是扩展方便、价格低廉、无需组态。

图1  单机小型数据采集系统
3 分布式计算机监控系统
    厦门宇电公司推出的AIDCS智能分布式控制系统（Artificial Intelligence Distributed Control System）是一种建立在工控网络上的工业过程控制系统，“智能分布式”概念是指控制系统内每个下位机单元都具有微处理芯片和足够功能的智能软件来实现工作的能力，并且可以随意分散布置，但对于管理者（上位机）而言，一个设备或一个工序（工段、车间、工厂）所有的下位机又可透过网络集成为一个整体进行操作和监控。
    目前市场使用的DCS（Distributed Control System）集散控制系统相对于传统非网络化二次仪表的进步主要在于重视了“集中”，即全部系统透过网络集中为一个整体系统，这大大方便了对生产工艺的监控、操作，无疑是工业自动化的一大进步，但现有DCS系统却丢失了初的“分布”（Distributed）理念，下位机无法脱离上位机和网络工作，系统存在安全隐患。并且DCS因高度集成而不是一个开放的系统，并不利于产业的良性竞争和技术升级，无法实现客户利益大化，FCS现场总线系统相对DCS而言实现了开放性，但其下位机仍无法脱离网络工作，并没有真正实现“分布式”的理念，而且由于FCS采用了昂贵的高速、多主机通信网络，导致其成本反而比DCS更高。
    AIDCS像DCS和FCS一样，具有系统集中为一个整体的优点，而对DCS及FCS改进的是，AIDCS每台下位机自身集成了模拟量、开关量的输入输出，以及PID调节和复杂调节算法功能，即使脱离了上位机甚至网络仍可以完成现场需要的控制功能，并且可以分散布置甚至能透过面板或操作器直接现场人工操作。
    AIDCS系统由AI系列二次仪表、组态软件、上位计算机及通信线路组成，系统中每项产品，客户都可以自由选择不同厂家的产品。AIDCS是一个完全开放的网络系统，既实现了监控与操作的集中，下位机又可自由分散布置，在脱离网络和上位机环境条件下仍能保持正常工作。AIDCS在成本控制方面，AIDCS采用速度较低、但可靠性高且通信距离长的RS485通信接口，由于采用了AIBUS通信协议，并且下位机实时控制并不依赖于网络，采用RS485数据刷新时间亦小于1s，保证了监控及操作的实时性，并可组建大型系统。
     AIDCS可提供与DCS及FCS一样的集中监控与操作的功能，基于AI系列二次仪表带有的OPC驱动，有众多进口及国产软件可供选择，如组态王、WinCC、Ifix、华富、MCGS、宇电AIDCS、三维等各种国产及进口软件，功能方面比如流程图、实时曲线、历史记录、报表、配方管理等等，可以做到应有尽有，比系统封闭的DCS具有更高的及更丰富的功能。
    AIDCS智能分布式控制系统比传统FCS或DCS结构更简单、更安全、成本更低，是工业过程控制发展的方向之一。

图2  AIDCS系统结构示意图
    图2中，来自工业现场的各类检测信号和执行器信号通过作为下位机的盘装型仪表、导轨安装型仪表、导轨安装型工控模块，采用RS485通讯接口的AIBUS协议后，再通过RS232/RS485转换器传送到上位机，上位机通常采用安装组态软件的工控机或普通计算机。用户还可选择通过局域网或互联网，连接管理层计算机，以便为管理人员提供工业现场的实时数据及报表。
    值得注意的是，在我们的印象中，数字显示控制器是用于模拟量测量参数的，那么AIDCS系统是否只能接入模拟量输入参数呢？从图2的中下部我们可以看到输入参数既包括模拟量输入，也包括去执行器的模拟量输出，还包括开关量输入和开关量输出/报警输出。模拟量输入参数可通过常见的数字显示控制器或工控模块接入；去执行器的模拟量输出可通过AI-708J手操器、伺服放大器接入；开关量输入和开关量输出/报警输出可通过工控模块或PLC可编程控制器接入。所以在接入参数上，它是与DCS、PLC一致的。
    通常可采用工业专用带屏蔽的双绞线连接50~60台仪表，通讯距离1.2km。AIBUS通讯协议简单又功能齐全。型仪表在19.2k波特率下读取3个常用变量及1个参数的速度仅为20ms，经济型仪表亦只需要50ms，比常用如MODBUS协议快2～10倍，采用AIBUS协议的系统，无论组建小系统还是大、中型系统均可达到与DCS几乎同等的使用效果，而一般仪表通讯效率低，超过一定数量则数据更新慢、显示效果差，只能应用于小型的系统。
    当设计一个温度参数程序控制应用时，可能有图3中的两个实施方案：方案A是利用上位机组态软件实现改写下位机AI-719型仪表（不带程序控制功能）的给定值SV，方案B则选取自身带程序控制功能的AI-719P型仪表，程序是在仪表自身内设置的，即使脱离了网络和上位机，系统依旧可以正常工作。虽然二者使用的硬件和通讯协议基本一致，但按照宇电公司关于AIDCS系统定义，一旦脱离了网络和上位机，方案A中下位机AI-719即无法自我进行程序控制，而方案B在脱离了网络和上位机后，下位机AI-719P仍然可以自我进行程序控制，因此只有方案B才符合宇电公司关于AIDCS系统功能的定义。

图3  温度参数程序控制的应用方案
    据介绍，自1997年推出个基于WINDOWS与AI仪表的联网系统以来，在各行业中累计成功运用的项目已超过1万个，早期系统一直正常运行至今，证明智能分布式控制系统的可靠性是经受检验的。
    在一家聚氨酯生产工艺的反应釜批料定量控制过程中，虽然只有3台反应釜定量加料流量积算仪设备及其控制电磁阀、2点反应釜温度显示控制仪及2台10路开关量输入、1台8路开关量输出的导轨安装型工控模块，再加上宇电公司的工控组态软件及计算机，就可以实现3套反应釜定量加料设备控制、反应釜温度显示记录及聚氨酯的反应情况显示，可提供实时曲线、实时报警、记录并保存所有数据。对于这样一个只有5个模拟量、二十多个开关量的单一设备的监测控制来说，采用DCS、PLC之类控制系统实现上述功能肯定没问题，但是投资可能太大了，而采用AIDCS计算机监控系统可能是性能价格比高、应用灵活的系统。
4 结束语
    对于用户来说，只要性能和价格适合生产现场的仪表和系统，那就是的仪表和系统。特别是针对单台设备、简单的工艺和需要实现温度控制的场合，或许AIDCS计算机监控系统就是的选择。

参考资料：
[1] 宇电公司.产品选型手册.2017.
[2] 宇电公司.宇电应用案例专集.2012.

作者简介：
方原柏，1942年生，男，湖北黄冈人，昆明有色冶金设计研究院电气自动化分院教授级工程师，昆明仪器仪表学会理事长，衡器协会技术委员会顾问，衡器、冶金自动化、仪表、仪器仪表与自动化等杂志编委，主要从事仪器仪表、控制系统的应用研究，曾出版“电子皮带秤的原理及应用”（1994年，冶金工业出版社）、“电子皮带秤”（2007年，冶金工业出版社）“工业无线通信技术及应用”（2015年化学工业出版社）、“有色金属生产过程自动化”（2015年，人民邮电出版社）四本专著，发表论文310篇。