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    （中國(guó)電子工程設(shè)計(jì)院世源科技工程有限公司，北京 100855）李中原，張航科

    （羅克韋爾自動(dòng)化（中國(guó)）公司，北京 100005）徐建陸
                         
    李中原（1976-）男，內(nèi)蒙古烏蘭浩特人，工程師，本科，現(xiàn)就職于中國(guó)電子工程設(shè)計(jì)院世源科技工程有限公司，主要研究方向?yàn)門(mén)FT-LCD工廠自動(dòng)化控制。

    摘要：本文以第6代TFT-LCD工廠FMCS的實(shí)施案例，初步介紹了羅克韋爾在先進(jìn)的TFT-LCD工廠中FMCS解決方案的應(yīng)用，說(shuō)明集成架構(gòu)在大型電子工廠廠務(wù)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，及集成架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，特點(diǎn)和創(chuàng)新性。

    關(guān)鍵詞：集成架構(gòu)（Integrated Architecture）；FMCS；TFT-LCD

    Abstract: Based on a G6 TFT-LCD FMCS project, we introduce FMCS solution in large-scale TFT-LCD plant. Explain how to use Integrated Architecture(IA) in electrics manufacturing facilities, and what is the advantage and innovation of IAl.

    Key words: Integrated Architecture; Facility management control system; TFT-LCD

    1 項(xiàng)目背景

    本項(xiàng)目為國(guó)內(nèi)首條第6代薄膜晶體管液晶顯示器件（TFTLCD）項(xiàng)目，包括了陣列、彩膜、成盒和模塊等生產(chǎn)工序。

    項(xiàng)目位于合肥新站綜合開(kāi)發(fā)試驗(yàn)區(qū)，面積約40萬(wàn)平方米，總投資近2百億人民幣，將于2010年4季度正式投產(chǎn)，玻璃基板尺寸為1500mm x1850mm，主要用于37英寸及以下液晶電視機(jī)及21.6英寸及以下電腦用液晶顯示器。

    2 FMCS系統(tǒng)和集成構(gòu)架簡(jiǎn)介

    FMCS——Facility Management Control System

    FMCS的基本功能包括：

    接受各個(gè)子系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)資料、狀態(tài)、報(bào)警

    趨勢(shì)圖

    歷史資料

    遠(yuǎn)程監(jiān)控

    信息的管理和分享

    異常和故障的排除

    運(yùn)轉(zhuǎn)模式的建立

    控制策略的修正

    FMCS監(jiān)控的系統(tǒng)包括：

    空調(diào)系統(tǒng)

    潔凈室系統(tǒng)

    工藝?yán)鋮s水

    熱水系統(tǒng)

    冷凍水系統(tǒng)

    冷卻水系統(tǒng)

    工藝真空系統(tǒng)

    清掃真空系統(tǒng)

    壓縮空氣系統(tǒng)

    純水系統(tǒng)

    廢水處理系統(tǒng)

    大宗氣體系統(tǒng)

    特氣系統(tǒng)

    化學(xué)品供應(yīng)系統(tǒng)

    廢氣處理系統(tǒng)等

    集成架構(gòu)（Integrated Architecture）羅克韋爾的集成架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)工業(yè)自動(dòng)化到電子制造（e-Manufacturing） 的飛躍，它具有如下特點(diǎn)：

    一個(gè)多重控制和信息的平臺(tái)。

    專為廣泛地應(yīng)用而設(shè)計(jì)，靈活性盡量滿足系統(tǒng)要求。

    專重于良好的系統(tǒng)擴(kuò)展性，易于使用和降低用戶成本。

    基于開(kāi)放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

    大容量，高速數(shù)據(jù)處理速率，高速數(shù)據(jù)傳輸速度。

    它由四部分組成，如圖1所示。
                       
                                            圖1 集成架構(gòu)的組成
    3 項(xiàng)目FMCS解決方案概述

    3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)

    此TFT-LCD 6代線的生產(chǎn)工藝相當(dāng)先進(jìn)，廠房的規(guī)模大(此系統(tǒng)需要連接的直接I/O點(diǎn)有11000點(diǎn)以上，通過(guò)OPC連接的子系統(tǒng)I/O點(diǎn)有23000點(diǎn)以上)。對(duì)生產(chǎn)環(huán)境要求愈加苛刻，為滿足生產(chǎn)的要求，保證生產(chǎn)所需的環(huán)境，提高產(chǎn)品的良率，廠務(wù)系統(tǒng)所提供的各項(xiàng)公共資源，如潔凈室的溫濕度（設(shè)計(jì)要求無(wú)塵室的溫度變化在±1℃，相對(duì)濕度的變化在±4%），廢氣排放系統(tǒng)的負(fù)壓，工藝?yán)鋮s水的出口壓力等各項(xiàng)參數(shù)的穩(wěn)定度，被要求得極為嚴(yán)格，不允許任何異常事故發(fā)生（系統(tǒng)被要求全年無(wú)預(yù)警停機(jī)次數(shù)少于6次）。

    因此，廠務(wù)設(shè)備控制管理系統(tǒng)（FMCS）必須隨時(shí)調(diào)整系統(tǒng)輸出，以達(dá)到使用者的要求，并將系統(tǒng)狀況進(jìn)行集中監(jiān)視，提升廠務(wù)工程師的異常事故處理能力及響應(yīng)速度。

    此FMCS系統(tǒng)的要求總結(jié)為三點(diǎn)：大容量，高速率，可靠性。

    3.2 系統(tǒng)概述

    本項(xiàng)目的FMCS系統(tǒng)選用了羅克韋爾自動(dòng)化公司的產(chǎn)品，控制系統(tǒng)主要由ControlLogix控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)、ControlLogix Remote IO、PanelView Plus 觸摸屏、RSView SE監(jiān)控軟件、RSLogix5000編程軟件以及RSLinx通訊軟件等構(gòu)成，它既具備復(fù)雜模擬回路調(diào)節(jié)能力、友好的人機(jī)界面、綜合的操作監(jiān)視、記錄、報(bào)警、信息管理功能及方便的工程軟件，又同時(shí)具有高速的邏輯、順序控制以及性能。

    本方案實(shí)施中共采用了10余套冗余的ControlLogix控制系統(tǒng)、多套R(shí)emote ControlLogix IO、冗余機(jī)架及I/O電源、冗余的控制網(wǎng)絡(luò)ControlNet、觸摸屏PanelView Plus；在FMCS 控制室內(nèi)設(shè)置了2臺(tái)冗余的HMI服務(wù)器，1臺(tái)OPC服務(wù)器、2臺(tái)工程師站、20余臺(tái)操作員站、2臺(tái)打印機(jī)。

    全廠FMCS的架構(gòu)如圖2所示。
                          
                                          圖2  系統(tǒng)架構(gòu)示意
    全廠的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)一個(gè)控制室。控制室內(nèi)設(shè)置全廠FMCS監(jiān)控服務(wù)器、OPC服務(wù)器等，對(duì)全廠的空調(diào)等設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)設(shè)置工程師站、操作員站及域控制器等。

    本系統(tǒng)選用的RSView SE監(jiān)控軟是基于Micorsoft Windows XP/Vista和Windows2000操作系統(tǒng)的人機(jī)界面軟件。其集成的、可擴(kuò)展的架構(gòu)，使RSVi ew SE既能適應(yīng)傳統(tǒng)的、單機(jī)HMI應(yīng)用，又能適應(yīng)大型分布式工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用。RSView SE為操作員、工程師和管理者提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，隨時(shí)隨地將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)提供給用戶。
                         
                                          圖3  HMI界面示意
    3.3 系統(tǒng)特點(diǎn)和創(chuàng)新性

    下文將從網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、PLC控制器、冗余設(shè)置3方面對(duì)本項(xiàng)目中FMCS的解決方案的特點(diǎn)和創(chuàng)新性逐一進(jìn)行闡述。
                         
                                圖4  采用集成架構(gòu)Netlink網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)
    3.3.1 網(wǎng)絡(luò)

    在本系統(tǒng)中，采用ControlNet（控制網(wǎng)）和EtherNet/IP作為一級(jí)控制系統(tǒng)的主干網(wǎng)。完成智能化地高速地實(shí)時(shí)控制，并共享數(shù)據(jù)和信息。包括：控制和監(jiān)視設(shè)備的協(xié)調(diào)、操作員接口、遠(yuǎn)程設(shè)備的組態(tài)、編程和故障處理。完全能夠滿足用戶提出的性能指標(biāo)參數(shù)要求，保證了整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率和系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性。

    信息層：采用EtherNet/IP，主干網(wǎng)設(shè)計(jì)為環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定可靠性和擴(kuò)展性。網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率設(shè)計(jì)為 1000Mbps，具體的站點(diǎn)分布見(jiàn)圖2。

    控制層：采用C o n t r o l N e t，主干網(wǎng)設(shè)計(jì)為雙線冗余，ControlNet的千米傳輸速率為5Mbps。

    此系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用集成架構(gòu)Ne t L i n k網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，各種網(wǎng)絡(luò)（ControlNet、EtherNet/IP等）采用同一協(xié)議——CIP（通用工業(yè)協(xié)議），實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成，一網(wǎng)到底。

    CIP協(xié)議的應(yīng)用，避免了在多種設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)橋和網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)換和額外的編程工作，降低開(kāi)發(fā)和維護(hù)的成本，從前期的設(shè)計(jì)到目前的開(kāi)發(fā)編程的成本來(lái)計(jì)算，比傳統(tǒng)的編程開(kāi)發(fā)的操作成本降低了13%。

    EtherNet/IP達(dá)到1000Mbps，ControlNet 5Mbps，并在CIP這同一協(xié)議下減少數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)，所以大大提高數(shù)據(jù)在信息層和控制層的傳輸速度。本系統(tǒng)需要直接連接的I/O點(diǎn)有11000點(diǎn)，通過(guò)OPC連接的I/O點(diǎn)有23000點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行狀況來(lái)看此網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)完全滿足其傳輸要求。

    EtherNet/IP的環(huán)形拓?fù)湓O(shè)計(jì)，ControlNet的冗余設(shè)計(jì)大大提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定可靠性，它是保證降低系統(tǒng)無(wú)預(yù)警性停機(jī)次數(shù)的一個(gè)重要組成部分。

    3.3.2 PLC 控制器

    整個(gè)FMCS采用同一控制平臺(tái)——Logix控制平臺(tái)。此平臺(tái)采用了統(tǒng)一的編程環(huán)境，降低了備件成本，減少了培訓(xùn)費(fèi)用，提高了維護(hù)效率，減少了維護(hù)時(shí)間。采用高可靠性的設(shè)備可以保證生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行，并提高全廠的自動(dòng)化程度。

    選用高性能的ControlLogix處理器具有如下特點(diǎn)和功能：

    CPU型號(hào)：1756-L63。

    處理器為雙核設(shè)計(jì)，分別負(fù)責(zé)通訊和邏輯、回路的處理，保證了系統(tǒng)通訊的實(shí)時(shí)性和處理能力的高效性。

    豐富的指令集：其中包括文件處理、順序器、診斷、移位寄存器、程序控制、運(yùn)動(dòng)控制、傳動(dòng)控制、過(guò)程控制指令。

    強(qiáng)大的I/O處理能力：任意組合時(shí)最多可提供128000個(gè)I/O，最大4000個(gè)模擬量I/O。

    高速程序及數(shù)據(jù)處理能力：1KBOOL指令的執(zhí)行時(shí)間僅需0.06毫秒。

    根據(jù)整廠設(shè)備的位置和實(shí)際需要連接的I/O點(diǎn)數(shù)，整個(gè)系統(tǒng)使用了10多套ControlLogix處理器，分布在全廠，保證每個(gè)信號(hào)能被快速采集，同時(shí)還要保證平衡每個(gè)ControlLogix處理器的負(fù)載，使其處于最佳數(shù)據(jù)處理效率下。

    控制器在FMCS實(shí)際使用中的優(yōu)越性：

    （1）高速程序及數(shù)據(jù)處理能力，強(qiáng)大的I/O處理能力，符合系統(tǒng)需求，特別是大量的I/O點(diǎn)數(shù)連接，和實(shí)時(shí)性要求。

    （2）系統(tǒng)中有大約800顆溫度、濕度、壓力等儀表信號(hào)需要通過(guò)PID運(yùn)算，對(duì)系統(tǒng)中大量的閥門(mén)等設(shè)備進(jìn)行控制。L63控制器在PID運(yùn)算上是有極大的優(yōu)勢(shì)。如圖5所示，與傳統(tǒng)的PLC&DCS相比運(yùn)算效率大大提高。
                        
                              圖5  控制器通過(guò)PID運(yùn)算對(duì)比圖
    （3）控制器中有模塊化的PID運(yùn)算工具，PIDE 自動(dòng)整定和優(yōu)化功能，如圖6所示。
                      
                  
                             圖6  PIDE自動(dòng)整定和優(yōu)化功能   
     以一組新風(fēng)空調(diào)中露點(diǎn)溫度的控制回路PID運(yùn)算為例：

    確定回路的自整定標(biāo)簽。即是需要采樣的露點(diǎn)溫度PV和控制的冷盤(pán)管的閥門(mén)CVEU，直接插入數(shù)據(jù)即可。

    組態(tài)自整定參數(shù)。如SP回路設(shè)定值等。

    運(yùn)行自整定模塊并且接受或修改新的值。

    此工具使P ID運(yùn)算更加便捷，僅PID運(yùn)算編程部分，使編程的人力成本比傳統(tǒng)編程方式降低35%，整個(gè)編程的效率大大提高。

    3.3.3 系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)

    在本系統(tǒng)中所有控制系統(tǒng)均采用冗余的電源、冗余的控制網(wǎng)絡(luò)、冗余的控制器。通過(guò)硬件的冗余控制器，保證了系統(tǒng)的安全性、可靠性、易維護(hù)性。此外，上位機(jī)也采用冗余服務(wù)器，通過(guò)RSView SE實(shí)現(xiàn)冗余服務(wù)器雙機(jī)熱備，大大提高系統(tǒng)的不停擺運(yùn)行時(shí)間。保證全年無(wú)預(yù)警停機(jī)次數(shù)少于6次。

    整個(gè)系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)，主要由以下3部分組成（參見(jiàn)圖7）：
                        
                                         圖7  冗余設(shè)置
    ControlLogix控制系統(tǒng)核心部件的冗余設(shè)計(jì)，其無(wú)擾動(dòng)切換時(shí)間在60ms以內(nèi)。

    控制網(wǎng)ControlNet的冗余設(shè)計(jì)。

    上位機(jī)服務(wù)器的冗余設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際的tag點(diǎn)的容量其無(wú)擾動(dòng)切換時(shí)間在200ms以內(nèi)。

    （1）控制系統(tǒng)冗余特點(diǎn)

    ControlLogix控制系統(tǒng)冗余的設(shè)置非常簡(jiǎn)單：

    在RSLogix 5000軟件編程的第一步，只需簡(jiǎn)單的做一個(gè)勾選。如圖8、圖9所示。
                          
                                 圖8   ControlLogix控制系統(tǒng)冗余的設(shè)置（第1步）
                      
                                圖9   ControlLogix控制系統(tǒng)冗余的設(shè)置（第2步）
    除了在RSLogix 5000中可以進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)和查看冗余信息外，在Rslink中，也可以對(duì)冗余模塊進(jìn)行冗余設(shè)定（如手動(dòng)切換）和冗余信息的查看。如圖10、圖11所示。
                   
                                    圖10  冗余設(shè)定
                    
                                    圖11  冗余信息查看
    ControlLogix冗余控制系統(tǒng)主要特性：

    采用標(biāo)準(zhǔn)的Logix5563控制器和ControlNet網(wǎng)橋。

    系統(tǒng)的冗余自動(dòng)完成，無(wú)需用戶編程。

    完全的無(wú)擾動(dòng)切換。

    處理器冗余工作時(shí)，主/從CPU自動(dòng)同步，主/從CPU的無(wú)擾切換時(shí)間<60ms，在1個(gè)程序掃描周期內(nèi)完成切換。

    對(duì)任一通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接到冗余控制器機(jī)架的設(shè)備，切換是透明的。

    應(yīng)用程序從主控制器裝入到從控制器的過(guò)程是透明的。

    （2）冗余控制網(wǎng)ControlNet

    控制網(wǎng)ControlNet的冗余配置，采用不同路徑的冗余網(wǎng)絡(luò)配置，ControlLogix同時(shí)偵聽(tīng)兩條網(wǎng)絡(luò)上的信息，而選擇其中信息質(zhì)量更好的網(wǎng)絡(luò)信息，極大地提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，其具有以下特點(diǎn)：

    A網(wǎng)、B網(wǎng)同時(shí)傳送實(shí)時(shí)可靠的數(shù)據(jù)。

    當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)、無(wú)滯后的自動(dòng)切換，同時(shí)產(chǎn)生診斷信息顯示通道故障。

    4 總結(jié)

    羅克韋爾自動(dòng)化的集成架構(gòu)作為本項(xiàng)目的系統(tǒng)解決方案，其先進(jìn)的產(chǎn)品特性和開(kāi)放的技術(shù)使得控制系統(tǒng)的先進(jìn)、穩(wěn)定和可靠得到了充分保證。筆者希望本工程能為類似高世代TFT-LCD廠房FMCS的建設(shè)提供一定的借鑒。

    其他作者： 張航科，男，浙江東陽(yáng)人，工程師，本科，現(xiàn)就職于中國(guó)電子工程設(shè)計(jì)院世源科技工程有限公司，主要研究方向?yàn)門(mén)FT-LCD工廠設(shè)計(jì)。

    徐建陸，男，江蘇大豐人，工程師，本科，現(xiàn)就職于羅克韋爾自動(dòng)化（中國(guó)）公司，主要研究方向?yàn)榘雽?dǎo)體自動(dòng)化應(yīng)用。

    摘自《自動(dòng)化博覽》2010年第九期