摘要：現(xiàn)代現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)不僅追求可靠性、穩(wěn)定性，更為重要的是追求可靠性、穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)性的最佳效應(yīng)。具有IPC和PLC整合特性、WinCE Based的WinCon8000工控設(shè)備，其性價(jià)比遠(yuǎn)比常規(guī)PLC設(shè)備等更具競爭，使控制系統(tǒng)架構(gòu)有了新的特點(diǎn)。本文詳細(xì)地介紹了WinCon8000在油庫消防監(jiān)控系統(tǒng)中的具體應(yīng)用時(shí)的硬件、軟件設(shè)計(jì)，并對(duì)其經(jīng)濟(jì)性作了分析。實(shí)踐證明，系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足了設(shè)計(jì)要求，WinCE Based的WinCon8000控制器將在基于Web的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的控制發(fā)揮關(guān)鍵性的角色，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)越來越廣泛。
1 項(xiàng)目需求
目前，國內(nèi)一些爆炸或火災(zāi)事件頻繁發(fā)生，給國家、集體以及個(gè)人造成了不可估量的損失，而造成爆炸或火災(zāi)事件大多是其安防措施不到位，或者對(duì)安防監(jiān)控系統(tǒng)不夠重視造成的，因此，國家對(duì)易燃易爆場(chǎng)所的消防監(jiān)控越來越重視，對(duì)其要求也越來越嚴(yán)格，特別是對(duì)中心城市的大型石化儲(chǔ)罐庫（以下稱油庫）的安防監(jiān)控是指令下達(dá)，必須整改，做到萬無一失。因此，油庫的安防自動(dòng)監(jiān)測(cè)與信息管理自動(dòng)化系統(tǒng)日益被人們所重視。為了適應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì)，根據(jù)油庫特殊的火災(zāi)危險(xiǎn)性和易燃液體泄漏監(jiān)測(cè)實(shí)際需要，開發(fā)研制了一套基于ICPDAS（泓格科技）的WinCon8000的網(wǎng)絡(luò)油庫監(jiān)控管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)由油罐區(qū)溫度、煙霧能見度等監(jiān)控、安防控制和信息管理系統(tǒng)組成，大大提高了油庫的安防管理水平。系統(tǒng)對(duì)4個(gè)儲(chǔ)罐區(qū)的溫度、煙霧能見度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警，并可與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)罐區(qū)的安防信息實(shí)時(shí)顯示，并可進(jìn)行聲光報(bào)警器、訊響器、消防電話及消防廣播等。
2 系統(tǒng)架構(gòu)
2．1 系統(tǒng)組成
油庫儲(chǔ)罐區(qū)的消防設(shè)備主要包括安防監(jiān)控設(shè)備、火災(zāi)警報(bào)裝置、滅火設(shè)備及安全操作設(shè)備。安防監(jiān)控設(shè)備主要對(duì)油庫的溫度、煙霧能見度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。火災(zāi)警報(bào)裝置是為了在安全參數(shù)出現(xiàn)異?；蚧馂?zāi)發(fā)生時(shí)產(chǎn)生及時(shí)報(bào)警，主要設(shè)備有警鈴、水力警鈴、事故廣播等。滅火設(shè)備是為了在火災(zāi)初期有效的控制火勢(shì)，及時(shí)撲滅初起火災(zāi)，主要設(shè)備有消防炮、泡沫泵、自動(dòng)噴淋泵和高壓水槍等。安全操作設(shè)備是為了在安全參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)對(duì)物料管線及各種控制閥門進(jìn)行控制和操作，如壓力閥、抽水泵等。
石化儲(chǔ)罐區(qū)中各種消防設(shè)備對(duì)聯(lián)動(dòng)控制的要求不同，有些設(shè)備要求在出現(xiàn)異常時(shí)直接啟動(dòng)，如警鈴；有些設(shè)備在出現(xiàn)異常后需要延時(shí)啟動(dòng)，如消防水泵需在火災(zāi)確認(rèn)后啟動(dòng)；有些設(shè)備則需要在啟動(dòng)后，對(duì)系統(tǒng)返回狀態(tài)信號(hào)，如泡沫泵等。石化儲(chǔ)罐區(qū)具有聯(lián)動(dòng)要求的主要設(shè)備有消防水泵、泡沫泵、安全閥、聲光報(bào)警器、訊響器、消防電話及消防廣播等，這些聯(lián)動(dòng)主要由WinCon8000現(xiàn)地控制單元實(shí)施。考慮到石化儲(chǔ)罐區(qū)消防水泵、泡沫泵等設(shè)備數(shù)量少、重要性強(qiáng)且分散布置，多采用專線方式直接控制或?qū)＞€與總線復(fù)合控制方式，使用DC24V 標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)直接送入消防設(shè)備配電箱驅(qū)動(dòng)，以確保這些設(shè)備動(dòng)作的高度可靠性。整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)圖見圖1所示。
2．2 現(xiàn)地主要控制器WinCon8000簡介
WinCon-8000是ICPDAS（泓格公司）近期為適應(yīng)PC操作系統(tǒng)由DOS轉(zhuǎn)到Windows系統(tǒng)，以Embedded硬設(shè)備的核心，裝有Intel Strong ARM CPU 和Windows CE.NET 4.1操作系統(tǒng)的領(lǐng)先級(jí)的面向工業(yè)控制、流程控制以及嵌入式控制的應(yīng)用平臺(tái)。由于內(nèi)嵌Windows CE.NET操作系統(tǒng)，與常規(guī)的Windows操作系統(tǒng)相比，它有硬實(shí)時(shí)（hard real-time ）能力，較小的內(nèi)核，快速引導(dǎo)，在深層的中斷處理能力能得到確定的控制，以及低成本等特性。在WinCon-8000上使用Windows CE .NET 4.1，就賦予它可以運(yùn)行PC-based控制軟件的能力，如Visual Basic.NET、Visual C#、Embedded Visual C++、以及一些基于PC的SCADA軟件、Soft PLC等等。另外WinCon-8000設(shè)有VGA接口，使用戶能直接連普通的LCD監(jiān)視器，而無需再去接昂貴的HMI或工業(yè)PC。與常規(guī)的工業(yè)PC或PLC系統(tǒng)相比，WinCon-8000確實(shí)是一個(gè)低價(jià)高性能的選擇。
圖1：基于WinCon8000的油庫消防系統(tǒng)的架構(gòu)圖
2．3 基于WinCon8000的現(xiàn)地控制單元
基于WinCon8000的現(xiàn)地控制單元的主要任務(wù)是實(shí)時(shí)監(jiān)控油庫大型儲(chǔ)油罐周圍的溫度、煙霧能見度等參數(shù)，同時(shí)一旦出現(xiàn)異常，應(yīng)能及時(shí)與油庫監(jiān)控中心聯(lián)絡(luò)，將預(yù)警參數(shù)顯示在控制屏上，并能及時(shí)啟動(dòng)消防設(shè)備等。由于油庫基地有多個(gè)大型油罐，因此，控制器必須具有遠(yuǎn)程通信能力。目前，基于TCP/IP的控制系統(tǒng)由于通用，且能與公司的OA系統(tǒng)無縫連接，因此，基于TCP/IP的控制系統(tǒng)越來越受到重視，應(yīng)用也越來越廣泛。因此，不失先進(jìn)性，本系統(tǒng)的主控制器必須具有TCP/IP接口。這也是選用Wincon8000的理由之一。
2．3．1 主控制器
根據(jù)以上對(duì)現(xiàn)地控制單元的幾點(diǎn)要求，泓格公司的WinCon8000將是最佳選擇。WinCon8000有多種型號(hào)可選，根據(jù)本系統(tǒng)的要求，選擇WinCon－8331－G緊湊型嵌入式控制系統(tǒng)，其主要特性如下：
Intel Stong ARM CPU，206MHz，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力；
SDRAM：64M，閃存：32M，EEPROM：16K；
內(nèi)建看門狗計(jì)時(shí)器和實(shí)時(shí)時(shí)鐘，使系統(tǒng)實(shí)時(shí)性增強(qiáng)；
內(nèi)建10 Base T，且符合NE2000，使系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程訪問能力；易于構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)；
1個(gè)CF插槽：插CF存儲(chǔ)卡，使系統(tǒng)在掉電后，重新啟動(dòng)時(shí)，程序不會(huì)跑飛和數(shù)據(jù)丟失；
I/O擴(kuò)展槽數(shù)為3槽，使系統(tǒng)具有一定的擴(kuò)充能力。
在WinCon8000內(nèi)部預(yù)裝Windows CE.NET，可以使控制系統(tǒng)非常容易的使用Microsoft Embedded Visual C++，Visual Basic.NET或是Visual C#來開發(fā)控制應(yīng)用程序。由于Windows CE. NET是個(gè)強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，它支持處理不同等級(jí)的優(yōu)先權(quán)轉(zhuǎn)換，并給這一等級(jí)提供確定的控制，就象PLC一樣。此外，Windows CE. NET較傳統(tǒng)的PLC系統(tǒng)而言有一系列的優(yōu)點(diǎn)，包括網(wǎng)絡(luò)通訊，圖形用戶界面，信息處理，大容量存儲(chǔ)管理，支持標(biāo)準(zhǔn)的PC接口和編程的易用性等。Windows CE.NET加上PLC的強(qiáng)實(shí)時(shí)特性，就產(chǎn)生了一個(gè)強(qiáng)有力的控制解決方案。WinCon-8000系列是一個(gè)無盤的實(shí)時(shí)控制平臺(tái)，它是傳統(tǒng)的PLC和Windows PC機(jī)的強(qiáng)強(qiáng)整合體。
2．3．2 模擬信號(hào)輸入模塊
基于WinCon8000控制器的I/O輸入輸出模塊可以直接與基于I－8000控制器的I/O模塊直接相連，根據(jù)系統(tǒng)要求，對(duì)于對(duì)溫度、煙霧能見度等信號(hào)的采集選用I－8017H模擬量信號(hào)采集模塊，其特性為：
模擬輸入通過數(shù)：8 Channels
分辨率：14位
輸入類型：差分
光電隔離：3000VDC
根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，每個(gè)現(xiàn)地單元需要采集12路模擬量信號(hào)，因此需要選用兩塊I－8017H模擬量采集模塊，采集通道分配見表1所示。
表1：I－8017H的通道配置
2．3．3 開關(guān)量輸出模塊
基于WinCon8000控制器的開關(guān)量輸出模塊主要用于控制或者啟動(dòng)消防水泵、泡沫泵、安全閥、聲光報(bào)警器、訊響器、消防電話及消防廣播等設(shè)備，由于WinCon8000自身輸出能力的限制，需要對(duì)其輸出根據(jù)不同的消防設(shè)備進(jìn)行不同的二級(jí)繼電器放大。根據(jù)需要，選用I-8042開關(guān)量模塊，其特性為：
開關(guān)量輸入通道數(shù)：16 Channels
開關(guān)量輸出通道數(shù)：16 Channels
外部供電時(shí)，可達(dá)3750V隔離；
集電極開路輸出：125mA/通道
當(dāng)I－8017H監(jiān)測(cè)到煙霧能見度或者周圍溫度超過一定的閥值時(shí)，I－8042將自動(dòng)啟動(dòng)且控制消防設(shè)施，達(dá)到完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安全參數(shù)及火災(zāi)參數(shù)的連續(xù)采集處理和狀態(tài)分析，及時(shí)預(yù)
測(cè)事故并采取處理措施，有效啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)消防設(shè)備，實(shí)施滅火操作。
3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
按照系統(tǒng)集成方法，石化儲(chǔ)罐區(qū)消防安全監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用軟件采用模塊化編程，主要包括系統(tǒng)主控模塊、事故處理模塊、信息通信模塊、消防管理模塊等，功能如下：
1） 系統(tǒng)主控模塊。主要完成數(shù)據(jù)采集處理、報(bào)警判斷與聯(lián)動(dòng)控制輸出、自動(dòng)與手動(dòng)控制方式切換、系統(tǒng)管理；
2） 事故處置模塊。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)完成對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域安全狀態(tài)的事故狀態(tài)分析預(yù)測(cè)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安全進(jìn)行操作控制和處置緊急情況，實(shí)施救災(zāi)方案；
3） 信息通信模塊。主要完成通信協(xié)議管理、通信控制、異地遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)；儲(chǔ)罐區(qū)安防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要依靠各類探測(cè)器采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)并送入監(jiān)控主機(jī)，通過對(duì)各類參數(shù)的數(shù)據(jù)分析處理和預(yù)測(cè)判斷，產(chǎn)生報(bào)警與消防設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制信號(hào)，同時(shí)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及各種信號(hào)存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，并通過遠(yuǎn)程傳輸方式送入上級(jí)管理中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分類存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)共享、信息查詢和業(yè)務(wù)管理等功能
4） 消防管理模塊。主要完成系統(tǒng)操作管理、設(shè)備工況管理、防火管理與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。
按上述模塊劃分，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用軟件可采用Windows環(huán)境下編程語言，面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)應(yīng)用界面和數(shù)據(jù)庫，全面支持可視化編程，提供集中數(shù)據(jù)管理功能。
3．1 現(xiàn)場(chǎng)級(jí)WinCon8000的編程
由于WinCon8000內(nèi)嵌WinCE操作系統(tǒng)，WinCE是一個(gè)多任務(wù)的硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)，他的 kernel mode給用戶提供了類似CeSetThreadPriority()的API functions，可以達(dá)到1ms的控制精度，足以滿足此控制系統(tǒng)的應(yīng)用要求。編程軟件采用Visual Basic.NET，VB.Net除了保有VB的基本語法外，也增加許多新的功能，例如：多線程(Multi-Thread)、Internet Web、資料流標(biāo)準(zhǔn)化…等等。WinCon-8000是自動(dòng)控制的專屬設(shè)備，也是一種WinCE Embedded設(shè)備，所以由程序設(shè)計(jì)的角度來看，由于泓格公司提供了WinCon.Dll提供的開發(fā)Toolkit，就很簡單的控制信號(hào)輸出入。VB.Net有兩點(diǎn)功能對(duì)設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)更為有利?；赩isual Basic.NET的WinCon8000的現(xiàn)地單元的控制程序開發(fā)流程見圖2所示。
圖2：基于Visual Basic.NET的WinCon8000的現(xiàn)地單元的控制程序開發(fā)流程
3．2 中控室上位機(jī)程序設(shè)計(jì)
由于WinCon-8000提供OPC等多種數(shù)據(jù)通信方式，可以與外部系
