一、概述

上海宝钢益昌薄板有限公司的双机架平整机组是1990年从美国Tippins公司引进的，主要用于平 整厚度较薄的普通及深冲低碳钢和硬度较高的镀锡原板（含碳量为0.03～0.12%）。平整带钢规格为 (0.17～1.0)mm×(770～1020)mm,机组最高速度为1500m/min,年平整量为53×104t。其过程计算机控制系统采用 VME(Versatile Modular Eurocard Bus System)总线，由两个硬件控制框架构成，VME 1#框架主要用于两个主机架的AGC(自动厚度控制)和ATC（自动张力控制），VME 2#框架主要用于直流传动控制。一台罗克韦尔自动化A-B PLC-3主要用于整套机组的开关量控制、顺序控制、定时控制和连锁控制。一台A-B PLC-5插在VME 2#框架内，主要负责PLC-3与两个VME框架之间的数据通讯。

随着自动化技术的迅猛发展以及现场工作人员对控制系统要求的不断提高，原有控制系统的部分功能已明显 不能适应当今现代化工业大生产的要求。其中，由于原监控功能不强而暴露出来的问题最为突出。因此，利用最新的自动化控制技术对其进行改进和完善，构建新型 的SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，监控和数据采集）系统是非常必要的。

二、原系统监控功能的实现形式及其不足

2.1原系统监控功能的实现形式

由于在最初设计和投产时监控技术发展得仍很不完善，原计算机控制系统并没有建立起一套功能齐备的监控系统，仅是利用一些产品和技术手段实现了部分简单的监控功能。原系统监控功能的实现主要利用美国DIGITAL公司生产的视频终端产品VT 320 和VT420 。

1台VT320通过VME总线直接与VME 1#框架相连接，用以显示AGC和ATC控制程序中的过程变量；1台VT420通过VME总线与VME 2#框架相连接，用以显示传动控制程序中的过程变量。VT320是一种通用的视频终端显示设备，可以通过应用软件的功能与主计算机系统进行通讯。 VT320与主系统的连接有直接和间接两种方式，原系统采用电缆直接连接方式。VT320主要由两部分构成：终端监视器单元和键盘。现场人员利用键盘键入 命令的方式与主系统进行通讯，主系统传递给监视器的数据以文本的形式显示出来。VT320的显示屏为14 inch，每屏最多可显示24行132列的文本。屏幕上显示的内容可以利用打印机打印出来。VT420与VT320是同一系列的产品，在功能上几乎完全相 同。

VT320与VT420主要用于计算机专业人员查看程序运行和寄存器数值的变化情况、对输出量进行诊断、对参数进行修改，以及将开发的程序从编程终端装入到VME系统。

2.2原系统监控功能的不足

1. 不能对工程师感兴趣的数据进行存储；
2. 不能对过程变量进行趋势显示和记录；
3. 不能对故障进行报警和记录；
4. 操作员终端界面不够友好，参数含义均以英文变量名的形式显示，不直观易懂；
5. 所有操作都需利用键盘以命令的形式进行，操作繁琐复杂；
6. 系统对外通讯能力有限，不利于全厂的信息管理；
7. 软件部分（操作系统与应用软件）多为老式的专用系统，不利于技术人员的培训及将来的工艺改造，系统调试极其困难；
8. 不能根据使用人员的特殊要求进行适当的调整，功能单一，适应性差，开放性差,扩展性差。

三、SCADA系统介绍

SCADA系统是伴随着DCS（distributed control system, 分散型控制系统）的发展而被广泛应用起来的。SCADA系统从整体结构上来讲是由两大部分组成：硬件部分和软件部分。下面介绍SCADA系统一般的组成结构和实现形式。

3.1 SCADA系统的硬件基本结构

SCADA系统的硬件结构与DCS的硬件结构是基本一致的。一般来说，一套完整的SCADA系统的硬件部分主要由以下四个基本要素构成 ：

3.1.1管理级计算机

是一个以较高级的工业计算机为主体所组成的中心控制系统，主要用于生产调度、系统协调和质量控制管理，对各种参数进行收集、分析、修改和设定，制作和管理报表文件，以及通过局域网实现更大范围的信息通信；

3.1.2 监控级计算机

是几个由工业计算机为主体所组成的过程监控设备，主要用于对位于其下位的现场控制器进行集中控制、监督控制、最佳控制以及设定和修改参数，并对被监视工艺过程可能出现的紧急情况做出响应；

3.1.3 过程级计算机

是由若干个以PLC为主体（包括直接数字控制装置、数据采集装置和多功能控制装置等在内）的现场控制器所组成的生产过程控制装置，主要功能是通过各种传感器和执行机构等进行现场过程参数的采集及处理，实时完成对相应工艺过程的控制；

3.1.4 通信网络

是以连接电缆为媒介、由若干个独立的计算机（包括控制器）相互连接构成的通信网，它的主要功能是将全部用于工艺过程控制的设备有机地连接在一起，使它们可以有效地进行数据交换，共同完成对整个工艺过程的监视和控制工作。

SCADA系统的硬件基本结构如图1所示，其中监控级计算机在SCADA系统中起着承上启下的关键作用。

3.2监控组态软件

监控组态软件是面向SCADA系统的软件平台工具 ，它在自动监控系统中处于非常重要的地位。处于运行状态的监控组态软件是系统的数据收集处理中心、远程监视中心和数据转发中心，与各种控制、检测设备共同构成快速响应/控制中心。

“组态” （configuration）的概念也是伴随着DCS而发展起来的，其含义是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，达到使计算机或软件按照预 先设置，自动执行特定任务，满足使用者要求的目的。监控组态软件就是用于监控生产等自动化过程的组态软件。监控组态软件最早出现时，HMI（human machine interface）或MMI(man machine interface)是其主要内涵，即主要解决人机图形界面问题。随着监控技术的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通信及联网、开放数据接 口、对I/O设备的广泛支持等已成为监控组态软件的主要内容。

监控组态软件具有如下基本特点：

1. 实时多任务：这是监控组态软件最突出的特点。在SCADA系统中，实时多任务主要体现于数据采集与输出、数据处理与算法实现、图形显示及人机对话、实时数据的存储、检索管理、实施通信等多个任务要在同一台计算机上同时运行；
2. 面向自动化工程设计人员：组态软件使工程设计人员可以方便快捷的设计、编制和修改应用程序而不需要修改软件程序的源代码；
3. 高可靠性：在正常情况下，软件系统应稳定可靠地运行。如果对系统的可靠性要求得更高，可以利用冗余技术构成双机乃至多机备用系统。

3.3 SCADA系统的功能

SCADA系统的功能是由其硬件、软件和通信网络共同决定的。本文将在4.3节中结合益昌厂工程实例详细阐述SCADA系统的功能。

四、新SCADA系统的设计与实现

针对原监控功能的不足和现场生产的实际情况,采用国际上比较先进的控制技术和硬软件产品，设计并实现 了功能完备的新SCADA系统。因为管理级计算机的功能可通过多种流行的网络技术方便的加以实现，所以本文主要介绍在大多数SCADA系统工程项目中处于 核心地位的监控级计算机的硬软件配置、监控级计算机与过程级计算机之间通信网络结构和系统的主要功能。

4.1系统的硬件配置和通信网络

过程监控及数据采集计算机采用罗克韦尔自动化公司的工业PC机,其配置与通用个人计算机基本相当。在 主板上插入一块1784-KTX网卡，此网卡是IBM计算机与DH＋网的接口模块，它允许监控计算机的PC总线与DH+网上的PLC-5和PLC-3进行 通讯。DH＋（Data Highway Plus，高速数据通道）也是罗克韦尔自动化公司的产品，是一个设计用来支持工厂现场应用、远方编程的局域网络，它在A-B公司的复合型PLC网络中处于 非常重要的地位。DH＋网位于承上启下的中间层，向上与管理网相连，向下与现场控制的远程I/O链路相连，实现过程监控级功能 。益昌厂DH+网上所有PLC和工作站的通信速率都设置为57.6kb/s。

系统硬件配置和通信网络的整体连接框图如图2所示。从图2中可以清楚的看到，系统数据传递的流程非常 简单明了，监控计算机通过KTX网卡可直接与挂在DH+网上的PLC-5和PLC-3进行点对点的通讯，以得到所需要的PLC-5和PLC-3中的过程变 量。另外通过PLC-5的中间传送作用，VME总线上的任意逻辑量和模拟量均可传送至监控计算机。这样，平整机自动控制系统中所有的变量均可被SCADA 系统获得。

4.2监控组态软件RSView32的应用

监控组态软件应用罗克韦尔自动化公司的产品RSView32。RSView32是基于Windows操作系统的应用软件，可在微软公司WIN9x以上的任意版本下运行，益昌厂的工程实践证明其在英文版的WIN2000 下运行最为稳定。

RSView32是用来开发并运行MMI项目的集成软件包，可以有效地帮助工程师来监视和控制工业自动化系统。为更好的实现MMI的功能，RSView32采用了许多先进有效的手段，主要包括如下三部分：

1. 开放的工业标准：OLE(Object Linking and Embedding，对象的连接与嵌入)、Active X控件、ODBC(Open Database Connectivity，开放数据库互连)、.dbf(dBASEIV)文件格式等技术的广泛应用使RSView32具有很强开放性；
2. 高效的应用工具：项目管理器（Project Manager）、PLC数据库浏览器（PLC Database Browser）、命令奇才（Command Wizard）等应用工具使工程技术人员可以非常方便快捷的创建应用程序；
3. 尖端的科技：动画控制、趋势显示、事件探测等功能中都包含了最先进的计算机技术。

RSView32组态软件包中还包含有罗克韦尔自动化公司另外一套重要的应用软件RSLinx。 RSLinx也是基于Windows操作系统的网络通信驱动软件，主要功能是为A-B公司的PLC提供一个软件的通讯接口，以实现OPC（OLE for process control, OLE应用于工业控制领域）、DDE（dynamic data exchange,动态数据交换）和Custom C/C++接口功能。其中DDE接口支持处理器可以与人机界面软件进行通讯，并且可以方便的与Microsoft Excel等应用软件配合使用。

RSView32和RSLinx为SCADA系统的数据采集、控制及通讯传输提供了完善的软件支持。监控组态软件的构成及通信框图如图3所示。

4.3系统功能

通过硬件的配置和软件的应用，益昌厂平整机监控系统不仅达到了通用人机界面的功能，而且针对现场的实 际情况和操作人员的具体要求做了特殊技术处理，可以帮助工作人员更有效的监视和控制平整轧制自动化系统，对生产过程的改善起到了良好的效果，有效地弥补了 原系统的不足。其主要功能介绍如下：
 

• 4.3.1可用动态图画表示生产设备和过程，监视和控制实时数据

例如在平整机监控系统的主画面（图4）中，双机架平整机的整个生产过程一目了然。其中轧辊转动、开卷 机和卷取机的卷径变化等动态过程均可用动画表示，形象生动。工程师所关心的速度、电流、轧制力、张力、延伸率等过程变量的数值均可实时显示在画面上。所有 画面均可实现全中文显示，点击鼠标即可完成所有操作。前台扫描和后台扫描时间根据变量的不同性质分别设定为1秒和0.1秒。

图4 双机架平整机SCADA系统主画面

4.3.2 查看过程数据的实时或历史趋势图

现场工程师可随时观看所关心数据的实时趋势图和棒状图，并可方便的以趋势图的形式调出以往任意时间的历史数据。趋势图操作简便，功能强大。平整生产中最重要的性能指标就是延伸率，而对延伸率的显示、记录和控制一直是平整机控制系统中的重要 课题。在本系统中，延伸率的实时趋势曲线可以非常清楚、完整、准确地显示在画面上，而且可以根据需要进行缩放或坐标轴调整。另外，与延伸率密切相关的控制 参数，如机架间张力、前张力、后张力和两个主机架的轧制力等，均可与延伸率曲线同步显示在画面上，这对于厂方进行技术分析和改造、提高产品质量、尤其是对 现场实时动态调试具有极其重要的意义。机架间张力与延伸率的关系趋势图如图5所示。

4.3.3 获取并记录报警信息

本系统的报警信息分为系统报警和过程报警两个部分。系统报警是直接接收VME过程控制计算机的报警信 息。VME主控制框架的系统软件中已对大量重要参数做了报警设置，并以数字信号的形式传送给PLC-5。过程报警是利用RSView32软件的功能，根据 现场生产的实际需要，对一些重要过程变量（如主轧机电流等）进行报警设置。根据不同的报警级别，界面显示不同的颜色提示现场人员。报警信息（如时间、内 容、等级等）均可自动记录并保存下来。VME系统报警界面见图6。

4.3.4 在记录文件中收集数据

现场工程师关心的所有变量，均可以Microsoft Excel文件的形式保存在计算机的硬盘里。根据对变量的不同要求，数据存储的触发方式有三种：根据周期(Periodic)、根据变化(On Change)

图5 机架间张力与延伸率的关系趋势图

和根据需要（On demand）。其中根据周期方式中又有多种时间类型可供选择。存储文件的管理. 也很方便，操作人员可选择文件生成的间隔时间并自动删除过期文件。益昌厂系统中设定每小时生成一个存储文件，根据变量的不同性质触发存储周期为1秒或0.1秒。生成存储文件的类型为.dbf(dBASEIV)，根据文件名即可获知文件的生成时间（年、月、日、小时）。

4.3.5 数据录入功能

现场人员可根据需要进行数据录入，如对轧制表的设定和修改等。

4.3.6 通过加密手段对重要过程的权限进行限制

不同权限的管理人员以键入密码的形式行使不同的权利、使用不同的功能。

4.3.7 扩展性强

不但多种硬件设备可以接入系统，在软件应用程序上也可根据实际需要增加画面和显示变量，这样就可满足将来工艺技术改造后对系统控制性能进一步提高的要求。

4.3.8 开放的网络接口

可以便捷的用多种网络形式与上级管理计算机进行接口，实现完善的厂区综合控制。

4.3.9 打印

可以对任何现场工程师关心的数据、图形、趋势曲线、历史报表等进行实时或屏拷打印；

图6 VME系统报警界面

4.3.10 技术培训

现场技术人员不但能快速的学会应用系统，而且可以在短时期内达到自行设计、修正和完善系统的水平，这对于在长时期内最大限度的发挥系统的功效具有非常重要的意义。

五、结论

SCADA系统作为一项技术完善、功能齐备的监控实现手段，在现阶段的自动化系统中占有十分重要的地 位，也必将会有更为广泛和光明的应用前景。益昌厂新构建的SCADA系统几个月来在现场实际运行的结果表明，该系统设计合理，运行稳定，有效弥补了原有监 控功能的不足，达到了预期的目的，是一个实用且有效的计算机监控和数据采集系统。

参考文献

1. Digital Equipment Corporation, Installing and Using The VT320 Video Terminal, 1987
2. Digital Equipment Corporation, Installing and Using The VT420 Video Terminal, 1989
3. 赵捷，陈运珍. 工业计算机监控及数据采集系统通讯网络的结构与协议，PLC&FA, 2001年第6期
4. 机械工程手册(第二版，检测、控制与仪器仪表卷)，机械工业出版社，1997
5. 马国华. 监控组态软件及其应用. 清华大学出版社，2001
6. 邱公伟. 可编程控制器网络通信及应用. 清华大学出版社，2000
7. Rockwell Automation. RSView32 Getting Results Guide, 1999
8. Rockwell Automation. RSLinx Getting Results Guide, 1999
9. Rockwell Software. RSView32 User’s Guide, 1998

作者简介

杨兆晖，男，1977年生，2003年毕业于东北大学研究生院，工学硕士。现工作于北京金自天正智能控制股份有限公司，主要从事工业自动化和直、交流电气传动的研究与工程应用。