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欒元迪 邵克志 王英紅 劉健

1  概述

    “透明工廠”是建立在信息技術(shù)和通訊技術(shù)的基礎(chǔ)上，這些技術(shù)包括OPC開放軟件標(biāo)準(zhǔn)和WEB技術(shù)等，主要包含三方面的內(nèi)容：基于TCP/IP的通訊、WEB模式的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和面向?qū)ο蟮木幊獭Ｆ浜诵氖?/SPAN>Ethernet和TCP/IP。

    隨著信息技術(shù)（IT）和通訊技術(shù)的發(fā)展，許多控制系統(tǒng)生產(chǎn)廠商均看到工業(yè)局域網(wǎng)的局限，要想在以后的信息化工業(yè)中得以發(fā)展及生存，必須向“透明工廠”的方向發(fā)展。

    在濟(jì)鋼三煉鋼工程中，整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用了施耐德公司Quantum系列PLC，實(shí)現(xiàn)全過程自動(dòng)化，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用了“透明工廠”的設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備維護(hù)及生產(chǎn)操作人員的遠(yuǎn)距離訪問和監(jiān)視，從而減少了勞動(dòng)定員及勞動(dòng)強(qiáng)度。

2  工藝概況

    在濟(jì)鋼三煉鋼120t轉(zhuǎn)爐工程中，主要建設(shè)一座900t混鐵爐、一套鐵水預(yù)處理裝置、一座120t氧氣頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐及配套水處理、除塵等公輔設(shè)施。

    煉鋼生產(chǎn)的工藝路線為：高爐鐵水罐→混鐵爐→鐵水預(yù)處理站→轉(zhuǎn)爐→LF、VD精煉裝置→連鑄機(jī)。

3  “透明工廠”的實(shí)現(xiàn)

    2000年施耐德公司率先將符合IEEE802.3規(guī)定的以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化，從而打破了自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的疆界，率先推出了工業(yè)以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)：TCP/IP Modbus。該標(biāo)準(zhǔn)是在TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)中，應(yīng)用層采用Modbus。同時(shí)，施耐德公司將WEB應(yīng)用到工業(yè)自動(dòng)化，在自動(dòng)化平臺上內(nèi)置WEB Server，從而使控制數(shù)據(jù)易于被不同的操作系統(tǒng)得到，也可以通過公共網(wǎng)絡(luò)來訪問工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)。這種基于WEB的體系結(jié)構(gòu)使工業(yè)數(shù)據(jù)更加同步，網(wǎng)絡(luò)集成難度降低，也可以更好的控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量。

    施耐德公司的“透明工廠”的技術(shù)是完全開放的，它可以在所有的自動(dòng)化環(huán)境下與制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）和企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）無縫連接。它可提供的有關(guān)“透明工廠”的產(chǎn)品有：鑲嵌式的WEB服務(wù)器、TCP/IP通訊的網(wǎng)絡(luò)部件和以太網(wǎng)IO卡件。這些產(chǎn)品為“透明工廠”的實(shí)施提供了條件。

    在濟(jì)鋼三煉鋼工程中，為建設(shè)成一個(gè)全自動(dòng)化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化的現(xiàn)代化工廠，各工藝流程自動(dòng)化控制系統(tǒng)均采用了Quantum系列PLC控制系統(tǒng)，結(jié)合煉鋼、精煉、連鑄系統(tǒng)的工藝特點(diǎn)。一級為基礎(chǔ)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)采用符合Modbus TCP/IP協(xié)議的10/100M自適應(yīng)環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)，各控制系統(tǒng)配置自帶WEB網(wǎng)頁的以太網(wǎng)通訊模板140 NOE 711 10，交換機(jī)選用TP-TX/TX系列499NES07100，集線器選用3TP/2FL系列499NEH00410。二級為過程自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)，采用100M的工業(yè)以太網(wǎng)，連接轉(zhuǎn)爐、精煉、連鑄系統(tǒng)，通訊介質(zhì)采用光纜，并預(yù)留三級網(wǎng)絡(luò)的接口。

    通過施耐德公司提供的軟件開發(fā)平臺及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，將整個(gè)控制系統(tǒng)的控制站及操作站HMI統(tǒng)一編制IP地址，可方便訪問各系統(tǒng)的共享數(shù)據(jù)。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，將系統(tǒng)的硬件狀態(tài)及重要的工藝參數(shù)均設(shè)置在WEB中，設(shè)備維護(hù)及生產(chǎn)管理人員可通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的訪問，及時(shí)了解各系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，增加了系統(tǒng)的透明度，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)煉鋼廠的“透明化”。

3.1  基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)

    基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)是保證生產(chǎn)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，其主要任務(wù)是：根據(jù)HMI的操作指令、L2級的操作數(shù)據(jù)和現(xiàn)場各檢測器的信號完成各個(gè)工藝設(shè)備或者工藝過程的順序控制和PID調(diào)節(jié)控制；進(jìn)行工藝過程及設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、整理，然后傳送到L2級；完成各工藝過程及設(shè)備的故障報(bào)警處理及顯示。

    (1)  系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

    PLC系統(tǒng)選用Quantum系列PLC，包括水處理、除塵等整個(gè)系統(tǒng)配置了13套Quantum PLC控制裝置、12套HMI，采用冗余光纖環(huán)網(wǎng)。各控制系統(tǒng)配置自帶WEB網(wǎng)頁的以太網(wǎng)通訊模板140 NOE 711 10，交換機(jī)選用TP-TX/TX系列499NES07100，集線器選用3TP/2FL系列499NEH00410。

    整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)，自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為兩級網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，一級為基礎(chǔ)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)，采用符合TCP/IP協(xié)議的10/100M自適應(yīng)環(huán)行工業(yè)以太網(wǎng)，連接原料系統(tǒng)、凈環(huán)水系統(tǒng)、濁環(huán)水系統(tǒng)、鐵水預(yù)處理系統(tǒng)、混鐵爐系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、煤氣回收系統(tǒng)、煤氣儲備系統(tǒng)和轉(zhuǎn)爐本體系統(tǒng)，通訊介質(zhì)采用光纜。基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1  基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

    (2)  服務(wù)器配置

    在圖2中，設(shè)有2臺服務(wù)器，分別為基礎(chǔ)自動(dòng)化（L1）數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、L1.5級服務(wù)器。L1.5級服務(wù)器負(fù)責(zé)與L2級之間數(shù)據(jù)通訊與交換，下達(dá)L2級服務(wù)器指令。L1級數(shù)據(jù)庫服務(wù)器主要負(fù)責(zé)PLC與上位端（服務(wù)器、客戶機(jī)）之間的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲、報(bào)警等功能。

    (3)  客戶端配置

    客戶端主要完成對現(xiàn)場設(shè)備的檢測、監(jiān)視、控制、調(diào)節(jié)、診斷，主要系統(tǒng)有輔原料及鐵合金上料系統(tǒng)、輔原料及鐵合金投料系統(tǒng)、傾動(dòng)氧槍系統(tǒng)、副槍系統(tǒng)、轉(zhuǎn)爐本體輔助系統(tǒng)、轉(zhuǎn)爐本體儀表系統(tǒng)、汽化冷卻及煙氣凈化系統(tǒng)、煤氣回收系統(tǒng)、一二次除塵系統(tǒng)和凈濁環(huán)水處理系統(tǒng)。上位監(jiān)控軟件Server-Client 結(jié)構(gòu)，利用Server-Client網(wǎng)絡(luò)軟件的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)各上位監(jiān)控機(jī)之間相互切換、互為備用，達(dá)到遠(yuǎn)程訪問、監(jiān)控、操作、調(diào)節(jié)、診斷的目的。

    (4)  系統(tǒng)通訊

    Quantum系列PLC 具有多種協(xié)議的通訊方式，主要有：Modbus TCP/IP、Modbus Plus、Modbus，本系統(tǒng)中充分利用了其強(qiáng)有力的通訊能力。

    ?  Modbus TCP/IP通訊

    在光纖冗余環(huán)形以太網(wǎng)上，每個(gè)PLC單元及上位監(jiān)控機(jī)都被分配獨(dú)一無二的IP地址，PLC的CPU通過本站的NOE通訊模板，利用CONCEPT編程軟件下的I/O SCANNER或TCP/IP讀寫功能塊設(shè)置IP地址及傳輸?shù)募拇嫫鞯刂罚?jīng)過交換機(jī)在以太網(wǎng)上發(fā)送、接收信息，上位監(jiān)控機(jī)通過以太網(wǎng)卡經(jīng)過交換機(jī)在以太網(wǎng)上發(fā)送、接收信息。

    ?  Modbus Plus通訊

    Momentum 是施耐德公司開發(fā)的一種高度靈活、性能穩(wěn)定、高可靠性的分布式I/O系統(tǒng)，并具有Modbus TCP/IP、Modbus Plus等通訊能力。它的使用給解決現(xiàn)場控制站到中央控制站長距離傳輸問題帶來了極大的方便。在本系統(tǒng)中，上料、投料PLC中采用了Momentum系列，通過Modbus Plus網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離I/O信號的采集。

    (5)  系統(tǒng)軟件配置及功能

    ?  編程軟件

    采用施耐德公司CONCEPT 2.5編程軟件，運(yùn)用梯形邏輯（LD）及控制功能塊（FBD）相結(jié)合的編程方式實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行過程監(jiān)控、檢測、調(diào)節(jié)、操作。

    ?  監(jiān)控軟件

    采用施耐德公司Monitor Pro V7 上位監(jiān)控軟件Server-Client，服務(wù)器及客戶機(jī)運(yùn)行在WINDOWS2000平臺上，Monitor Pro V7建立在多層次體系結(jié)構(gòu)上，綜合了三種不同的功能：數(shù)據(jù)存儲功能、數(shù)據(jù)處理功能、用戶接口功能。

3.2  過程自動(dòng)化系統(tǒng)（L2）

    過程控制系統(tǒng)是工藝生產(chǎn)的關(guān)鍵，該工程L2主要包括：120t轉(zhuǎn)爐、化驗(yàn)室、LF/VD精煉、連鑄機(jī)，其主要任務(wù)是：各工藝過程的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)分析，操作數(shù)據(jù)設(shè)定和打印報(bào)表等。

    濟(jì)鋼三煉鋼L2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2  濟(jì)鋼三煉鋼L2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

4  系統(tǒng)安全性

    “透明工廠”的核心是通信網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是完全開放的，網(wǎng)絡(luò)的安全直接決定了系統(tǒng)的安全運(yùn)行。在該工程中，由于系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)龐大、復(fù)雜，為保證其安全、穩(wěn)定運(yùn)行，在OPC Server 終端上開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)故障診斷功能，實(shí)時(shí)檢測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障，如：數(shù)據(jù)庫故障、ODBC故障、EDI故障等。

    為保證網(wǎng)絡(luò)安全，拒絕非法用戶登錄和破壞，系統(tǒng)設(shè)置了嚴(yán)格的授權(quán)，網(wǎng)絡(luò)的訪問必須由用戶進(jìn)行身份確認(rèn)，通過口令控制賦予不同用戶不同的權(quán)利。另外，系統(tǒng)中還安裝了防火墻軟件和諾頓高效企業(yè)版殺毒軟件，以防范計(jì)算機(jī)病毒的侵犯。

5  結(jié)語

    “透明工廠”在濟(jì)鋼新煉鋼工程的應(yīng)用取得成功，符合當(dāng)今計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展潮流，具有先進(jìn)性、可靠性、可維護(hù)性，便于系統(tǒng)擴(kuò)展，提高了自動(dòng)化控制水平，減少了設(shè)備故障率及維護(hù)量，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益及社會效益。