強化型智慧通訊模組也可被選用為RS-232點對點(一個主台,另一個副台)之介面裝置、或RS-485(一個主台與高達32個副台)之介面裝置,若它被選用為RS-485之介面裝置,則網路骨幹可為一對或兩對雙絞纜線,最長距離可達1200公尺(4000英呎)。強化型智慧通訊模組適合用於很多應用專案上,不過當它用在需要快速回應時間或大量資料處理能力的系統時,Triconex還是提出替代通訊方式來因應,這也是Tricon控制系統較弱的地方。
5.2、與乙太網路的通訊能力
Tricon控制系統支援IEEE 802.3乙太網路通訊協定,其通訊埠在網路通訊模組與進步型通訊模組的NET2位置,這兩個模組也支援Triconex的應用案例、使用者自撰的應用專案、並會藉TCP/IP、UDP/IP通訊協定開啟外部網路的系統。此外,網路通訊模組也在NET1埠支援主機對主機與時間同步的通訊協定,更支援一個完整雙重OPC功能的能力,表5.1所列為網路通訊模組支援的通訊協定或應用。
為使安全最大化,Tricon控制系統提出模組、傳輸介質、及工作站等硬體裝置雙重化;使用者可藉安裝兩個網路通訊模組(或進步型通訊模組)於同一個邏輯溝槽且用兩組纜線連接網路節點來達成模組/傳輸介質雙重化,這樣一旦纜線斷裂、纜線接觸不良(時好時壞)、通訊埠故障、或網路通訊模組(或進步型通訊模組)故障,整體網路仍可持續運作而不會中斷。至於電腦主機(操作工作站)的雙重性就很容易做到,使用者只要將另一台備用電腦主機連上網路就可以了,當原先電腦主機故障,就再啟動備用電腦主機就好了。目前Triconex的一些應用案例(程式)都是使用IBM相容的個人電腦當做系統電腦主機,因此所有應用程式裝載入主要與備用的電腦主機就可。
5.3、通訊協定
主機對主機的通訊協定允許Tricon在專有網路中交換小量的安全與程序控制資訊,這些資訊的交換藉用主機對主機通訊協定中的SEND與RECV功能來達成。時間同步的通訊協定是一種主/從式的通訊協定,用來維持系統以網路通訊模組相互溝通之主機的時間一致,因為一個控制系統會有多台電腦主機,其時間的標定是很重要的。TriStation的通訊協定也是一種主/從式的通訊協定,它以TriStation個人電腦為主台在一個802.3(乙太網路)網路上與副台(Tricon)溝通;雖然TriStation的通訊協定可支援到十台副台,但主台仍是在同一時間內只能與一個副台通訊。
Tricon系統存取應用的通訊協定也是一種主/從式的通訊協定,其主台是外部電腦主機透過開放網路與副台(一台或以上的Tricon),此通訊協定將指定介面、指令、及資料結構以用來開發一些應用程式傳送資料到副台或從副台接收資料。開放網路的通訊協定通常是很容易取得,但大都屬於低層級通訊協定,使用者可使用Tricon系統存取應用通訊協定來開發自己的應用程式再依效能與可靠度的需求決定配合哪一個開放式網路(傳輸層、資料連結層、及實體層)來溝通;一般常用開放網路的通訊協定有TCP/IP與802.3、UDP/IP與802.3、或802.2與802.3等等。
如果使用Tricon系統存取應用通訊協定配合一些低層級通訊協定,使用者可開發出下列兩項應用型態:
1.控制(讀/寫)應用-如需要取得Tricon狀態資料的操作員介面,及寫入資料到Tricon的能力。
2.監測(僅能讀取)應用-如自Tricon取得資料的循序事件記錄器、事件記錄、或狀態顯示等。
5.4、與Foxboro智慧型自動控制的通訊能力
Triconex提出進步型通訊模組作為與Foxboro智慧型自動控制系列節點匯流排緊密整合的介面,該進步型通訊模組以其網路頻寬的速率將程序控制數據資料傳送到節點匯流排;在節點匯流排內的任一智慧型自動控制系列的電腦主機都可使用,並由該電腦主機(可能為閘道主機或通訊主機)以其顯示格式將所有Tricon定名的資料與診斷資訊傳送到Foxboro操作工作站。
進步型通訊模組執行下列可用的功能給Foxboro智慧型自動控制系統:
1.處理關鍵的輸出/入電腦點數據資料並將其結果傳出。
2.處理Tricon警報並將其傳遞到使用者指定的智慧型自動控制之主機(如操控台、印表機等)。
3.傳遞Tricon警報點當成智慧型自動控制系列的系統訊息(message)。
4.在智慧型自動控制要求下,讀/寫定名的數據資料。
5.從智慧型自動控制系列的環境下,讓時間同步。
6.讀取Tricon的診斷資訊以供智慧型自動控制系列工作站來顯示。
7.提供一個『寫入』的保護以鎖住任何從智慧型自動控制系列來做Tricon安全系統的變更。
8.提供待機備用能力以避免與智慧型自動控制系列通訊的中斷。
進步型通訊模組也透過模組中另一個分開的BNC埠(即NET2)來支援Triconex通訊協定的電腦主機,也就是外部的個人電腦主機只要連接到該埠,再配合軟體就可執行相關的應用,這些通訊協定如:
1.為TriStation程式系統所定的TriStation通訊協定。
2.為Triconex應用專案所定的Tricon系統存取應用通訊協定。
3.於外部電腦主機,可由使用者自撰應用程式之TSAA、TCP/UDP-IP通訊協定。
5.5、與Honeywell TDC3000的通訊能力
Triconex提出安全管理模組與高通速介面模組作為與Honeywell TDC 3000數位控制系統不同網路之界面,安全管理模組只用於通用控制網路的通訊用;通用控制網路是屬於TDC 3000三個主要網路之一,它出現在Honeywell系統中作為一個安全節點。安全管理模組將程序控制資訊以網路頻寬的資料率提供給TDC 3000系統使用,並傳送所有Tricon定名的數據資料與診斷資訊到TDC 3000操作工作站(顯示格式相同於Honeywell)。
安全管理模組執行下列可用的功能給Honeywell TDC 3000:
1.處理關鍵的輸出/入電腦點數據資料並將其結果傳出。
2.處理Tricon警報並將其傳遞到使用者指定的主機(如操控台、印表機等)。
3.在TDC 3000數位控制系統要求下,讀/寫定名的數據資料。
4.讀取Tricon的診斷資訊以供TDC 3000數位控制系統顯示。
5.提供一個『寫入』的保護以鎖住任何從TDC 3000數位控制系統來做Tricon安全系統的變更。
6.從TDC 3000數位控制系統啟始一個時間同步。
7.允許廠內有很多的Tricon安全系統間做主機對主機的溝通。
8.提供事件發生順序以協助判定跳脫的原因並提升正常運行的時間。
9.提供待機備用能力以避免與TDC 3000數位控制系統通訊的中斷。
高通速介面模組係藉用高速閘道與區域控制網路作為與Honeywell TDC 3000數位控制系統之界面,高通速介面模組也藉資料高通速與Honeywell TDC 2000數位控制系統(舊型)做界面。因此只要使用高通速介面模組、區域控制網路的高階裝置、或資料高通速(如電腦與操作工作站)就可與一般Honeywell數位控制系統做溝通。當然高通速介面模組也同安全管理模組一樣,它也提出待機備用能力以避免與Honeywell數位控制系統通訊的中斷。
六、因果矩陣程式語言編輯器(CEMPLE)
「因果矩陣程式語言編輯器」是Triconex用來自動完成近幾十年程序控制所常用的傳統因果矩陣方法,以往程序控制常用的因果矩陣方法都是由使用者手動繪製(如圖紙或空白表格程式並手動轉換,由於程序控制系統複雜致因、果的變數增多、經驗的差異、及深入程度的不同,使得手動轉換耗時、耗力,也容易產生錯誤;如今電腦運算(含邏輯)快速、功能強、應用軟體多,這種自動轉換就漸漸電腦化(由電腦軟體取代了)。Triconex也開發出「因果矩陣程式語言編輯器」來簡化處理程序控制之安全系統的設計、開發、測試、及文件化等作業。
6.1、因果矩陣(CEM-Cause & Effect Matrix)技術概述
「因果矩陣」是一種常用於程序控制工業的技術方法,它的運作法則是現場偵測裝置(如感測器)感測到異常狀態事件(我們稱做事件)後,其安全控制器就會採取一些行動來限制/減輕/緩和該事件可能造成的不利後果。這種感測異常狀態的事件就是「因」,控制器所採取的行動就是「果」,有時一個「因」可能造成好幾個「果」,也可能幾個「因」造成一個「果」,也可能幾個「因」造成好幾個「果」,這種對應關係有點複雜,若安全設備系統愈大,這種對應關係也就愈複雜。然而將這些「因」與「果」拿來建立相互的關連性,那這個關聯性會以一個二維空間的方式來呈現,若以數學表示來看,就是矩陣,也就是「因果矩陣」的技術方法。舉個例子來說吧:當反應器水位低於第三階時,反應器將會跳脫並送信號到爐心隔離冷卻系統;那水位信號就是「因」而反應器跳脫信號與送到爐心隔離冷卻系統的信號就是「果」,以「因」為列、「果」為行,就是矩陣行列式。
在早期的程序控制工業界,「因果矩陣」法大都用於安全系統來定義警報、緊急停機程序、及減輕事件後果的行動等,也由於電腦科技尚未發展,因此這些因果分析都是以展開頁的方式手動於左邊列出各種的「因」,再把各種所需的「果」列在展開頁的上方,而後針對每個「因」去連結所需的「果」形成其關連性,建立一個很大的矩陣(視控制系統大小、複雜程度而定)資料表,然後再手動分析矩陣資料表並轉換這種關連性成控制邏輯圖。這樣的作法既是耗時,也很耗專業人力,如果經驗不足、作業不小心,就可能於轉換過程發生錯誤。有鑒於此,幾個工程師就開發了一套電腦軟體來將「因果矩陣」法自動轉換成功能方塊,並申請美國專利(編號6898468),這樣程序控制開發者就很容易在電腦上規劃「因果矩陣」並自動轉成功能方塊來使用。
6.2、因果矩陣程式語言編輯器(CEM Programming Editor)
Triconex有一個「因果矩陣程式語言編輯器」來將因果矩陣法電腦化並自動完成將其轉化TriStation程式可運作的輸入檔,該工具稱為因果矩陣程式語言編輯器。它具有下列特性:
1.能容納到99個「因」、99個「果」、及1000個交叉點。
2.可自動將「因果矩陣」轉化成功能方塊圖之電腦語言。
3.可查看活態的因、交叉點、及果的監測狀態。
4.可多層次對「因果矩陣」編輯來行使重做或/及取消。
「因果矩陣程式語言編輯器」的主要組件有:矩陣、功能方塊圖網路、及變數細表三大部份。矩陣是整個編輯器最為起端的主要組件,其辨識出關於「因」、「果」、與交叉點的零件,並包括這些因、果、交叉點相關的功能與功能方塊。功能方塊圖網路是用來顯示因、果、交叉點(從因果矩陣所選取的)的功能方塊圖,它也被用來指定屬性並轉化變數的值;功能方塊圖網路利用內部布林代數變數來儲存與搬移其結果,也就是針對每一個因、果、及交叉點都會自動產生一個內部變數,並在這些單元中來儲存與搬移其邏輯結果。變數細表則是在選定因、果、與交叉點後所產生功能方塊圖網路的輸出與輸入,以供檢查、修改、與診斷;另外,從變數細表中也可指定變數型態與資料型態。圖6-1顯示一個因果矩陣式的控制系統,該實體控制在TriStaion工作台上顯示其邏輯控制結果(以紅色表示)。
圖6-1、因果矩陣程式語言編輯器之案例監測
於「因果矩陣程式語言編輯器」中產生的因果矩陣將視想要控制的安全設備架構而定,在基本的因果矩陣內,一個「因」藉交叉點而輸入到對應多個「果」,因此「果」的邏輯就受到「因」的邏輯(「真」或「假」)決定;如果多個「因」藉交叉點而輸入到對應一個「果」,那「果」的邏輯就看該矩陣運作的結果。交叉點的邏輯運算子通常只有「及閘」或「或閘」兩種,而「及閘」大部份用在失能跳脫,「或閘」用在賦能跳脫。對於比較複雜的程序控制,「因果矩陣程式語言編輯器」提供可附加在因、果、與交叉點內的功能與功能方塊,這項特質可用在很多複雜的程序控制中,如:評估輸入狀況才能決定「因」的邏輯、基於一個「果」的狀態才能計算多個(或一個)程序變數值、及時間延遲等案例,至於自行定義的功能與功能方塊須先產生並賦予可用後才能在矩陣中加以引用。
「因果矩陣」也能在離線狀態用模擬控制盤加以測試與除錯,待沒問題後下載到控制器,此時亦可用控制盤來監測即時的變數值;於物件體的矩陣觀察中,活態的因、果、與交叉點也能以顏色的選用來觀察;其次,不管在模擬或即時執行下,都可使用設定功能來變更變數與變數值。「因果矩陣程式語言編輯器」有一些工具可用來支援應用專案的開發,如:
「因果矩陣」可用不同圖形介面來開發或編輯修改,其指令可從主選單、工具列、及彈出選單中選用。
變數也能藉變更變數細表方式來做一個變數的增加或更名。
下拉式選單可提供變數名稱、功能名稱、與功能方塊名稱供選用。
七、結論
Tricon控制系統除採用三重式架構以提升高可靠度與高可用度外,最特別的是它的通訊能力,讓它能夠與其他控制系統相容,進一步整合成一個全廠完整性與友善的控制系統。尤其一個具安全等級的數位控制系統,要與非安全等級(如Foxboro數位控制系統)搭配,符合IEEE的通訊隔離是必要的,因此藉用廣播通訊以滿足該項要求是最常被使用的方式,Tricon控制系統已經取得美國核管會的認可而成為少數安全等級的數位控制系統之ㄧ,它也是使用廣播方式(大部份)將控制系統內的數據資料傳給其他數位控制系統。
或許也有人會說:「專利的通訊協定將是無法突破,使用者恐怕無法掌握維護而落入廠家的緊箍咒。」;這句話說的也對,但也說錯,因為數位儀控的通訊協定都是專利的,除非要自行發展週邊設備或任何更改系統架構,否則通訊協定可視為一個黑盒子處理,至於黑盒子並不是什麼都可不要知道(這是大部份維護人員易犯的錯誤)?至少它的形狀、大小、輸出/入量、吃入(輸入)啥?吐出(輸出)啥?如何測試?等等一定要了解,這樣維護數位儀控的技術才能深化。Tricon控制系統在這些通訊協定也跟其他數位控制系統一樣,不會給黑盒子內的專利與程式碼,但對外觀、輸出/入等資訊是提供的,也就是最起碼的診斷是能做到的。
近來數位控制系統漸漸以微處理器為主且內含通訊晶片的數種卡片式模組,規劃、設計、與診斷等主機則漸漸以個人電腦外掛程式並透過網路來運作,這樣一來可降低控制系統硬體設備的價格,二來可提升人機介面的親和力與相容性。Foxboro數位控制系統如此,Tricon控制系統也是這樣,因此初學者對於各廠家之數位控制系統架構也只要了解一種就夠了,這可大大地減少儀控維護人員學習的壓力,並讓儀控維護人員面對整合通訊網路、電腦、與控制於一身的數位控制系統,可致力於專業的深化。