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    （寧波鋼鐵有限公司，浙江 寧波 315807）王增波

    摘 要：文章主要闡述了羅克韋爾公司制造融合產(chǎn)品與技術(shù)在寧波鋼鐵五豐塘焦化廠全廠控制及信息系統(tǒng)整合中的應(yīng)用。全廠由7家設(shè)計(jì)院分別承擔(dān)設(shè)計(jì)的24個(gè)控制子系統(tǒng)（包括DCS及PLC系統(tǒng)）統(tǒng)一采用羅克韋爾公司的Logix控制器平臺(tái)產(chǎn)品以及NetLinx開放的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)， 通過羅克韋爾公司先進(jìn)的基于SOA（面向服務(wù)）架構(gòu)的FactoryTalk軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)所有子系統(tǒng)的無縫集成，以及全廠集中監(jiān)控、實(shí)時(shí)過程模型、生產(chǎn)實(shí)績KPI分析、能源管理、環(huán)保監(jiān)控、物料在線管理等功能。

    關(guān)鍵詞：制造融合；Logix；NetLinx；FactoryTalk；SOA面向服務(wù)架構(gòu)

    Abstract: This paper mainly discusses the application of Rockwell’s manufacturing convergence product and technology in integration of the factory-wide control and information systems of Wufengtang Coke Plant of Ningbo Steel Company. The 24 control subsystems (including DCS and PLC systems) respectively designed by 7 design institutes for the whole factory all adopt Rockwell’s Logix controller platform product and the NetLinx open network platform. With Rockwell’s advanced SOA (service oriented architecture) based FactoryTalk software platform, all subsystems are seamlessly integrated and various functions including factory-wide centralized monitoring and control, real time process modeling, production performance KPI analysis, energy management, environmental protection monitoring, and online materials management are made available.

    Key words: manufacturing convergence; Logix; NetLinx; FactoryTalk; service oriented architecture

    1 前言

    融合創(chuàng)造財(cái)富，是新經(jīng)濟(jì)的一個(gè)根本命題。十年來技術(shù)融合、產(chǎn)業(yè)融合、商務(wù)協(xié)同及經(jīng)濟(jì)一體化的實(shí)踐，充分印證了“融合創(chuàng)造財(cái)富”這一論斷。在信息化浪潮席卷全球和全球經(jīng)濟(jì)一體化的今天，市場(chǎng)的競(jìng)爭更加激烈，利用先進(jìn)的信息技術(shù)建立企業(yè)生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)倉庫和一體化管理，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的制造融合是企業(yè)獲得競(jìng)爭優(yōu)勢(shì)的必要手段。

    寧鋼五豐塘焦化工程的設(shè)計(jì)總規(guī)模為年產(chǎn)焦炭220萬t，一次設(shè)計(jì)，分期實(shí)施。目前建成投產(chǎn)的一期工程年產(chǎn)焦炭110萬t，包括2?55孔JN60-6型復(fù)熱式焦?fàn)t以及配套的1?140t/h干熄焦裝置，濕法熄焦系統(tǒng)為備用，以及焦?fàn)t裝煤出焦除塵地面站、備煤、篩焦、煤氣凈化及公輔設(shè)施等。全廠控制系統(tǒng)采用了羅克韋爾公司的制造融合產(chǎn)品與技術(shù)來實(shí)現(xiàn)各個(gè)基礎(chǔ)控制級(jí)系統(tǒng)的整合，并實(shí)現(xiàn)與廠級(jí)管理控制系統(tǒng)、廠級(jí)管理信息系統(tǒng)及公司級(jí)的管理信息系統(tǒng)的集成融合。

    2項(xiàng)目概述

    2.1 項(xiàng)目特點(diǎn)

   五豐塘焦化廠位于寧波鋼鐵有限公司東邊5公里之外的五豐塘地塊，與大榭島隔海相望，是主廠區(qū)焦化因環(huán)保原因拆除而異地重建的焦化廠。由于對(duì)五豐塘焦化廠環(huán)保設(shè)施的特殊要求，工藝上除塵設(shè)備多，廢水處理要求高，采用封閉式的圓形料場(chǎng)儲(chǔ)煤方式；由于距離主廠區(qū)較遠(yuǎn)，沿海堤設(shè)置了兩條長達(dá)4.3公里的管狀皮帶機(jī)分別用于主廠區(qū)與焦化廠之間的煉焦煤和焦炭等物料的往返連續(xù)輸送。工藝圖如圖1所示。
      
                      
                                     圖1 焦化工藝圖

    五豐塘焦化廠具有料線超長、工藝復(fù)雜、控制復(fù)雜的特點(diǎn)，而控制系統(tǒng)的特點(diǎn)有：

    （1） 設(shè)計(jì)單位多，有7家設(shè)計(jì)院分別完成各自承擔(dān)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，各自獨(dú)立編制控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件。

    （2） 控制系統(tǒng)多，根據(jù)不同的生產(chǎn)工段、管理要求，控制系統(tǒng)的數(shù)量多達(dá)24個(gè)。

    （3） 系統(tǒng)交叉多，同一工藝流程由多家設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)和軟件編程。

    根據(jù)控制系統(tǒng)的這些特點(diǎn)，考慮到系統(tǒng)可操作性、可視性、可維護(hù)性以及管理成本等因素，避免各自獨(dú)立的控制系統(tǒng)形成信息孤島，必須對(duì)各個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行整合，整合的目的就是在控制系統(tǒng)層面上實(shí)現(xiàn)硬件、軟件的統(tǒng)一，生產(chǎn)管理層面上實(shí)現(xiàn)集中管理、統(tǒng)一調(diào)度。

    2.2 工藝分區(qū)

    按工藝控制管理區(qū)域的不同，分成五個(gè)控制管理區(qū)域（如圖1所示）：

    （1） 備煤區(qū)域

    （2） 煉焦區(qū)域

    （3） 篩焦區(qū)域

    （4） 煤氣凈化區(qū)域

    （5） 干熄焦區(qū)域

    3 基礎(chǔ)控制子系統(tǒng)解決方案

    備煤區(qū)域由運(yùn)煤管帶機(jī)、圓形料場(chǎng)、配煤槽、煤塔及皮帶輸送系統(tǒng)組成。其中運(yùn)煤管帶機(jī)、圓形料場(chǎng)分別設(shè)置一套ControlLogix系統(tǒng)，華電總承包負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)編程；配煤槽設(shè)置了一套南京三埃的自動(dòng)配煤裝置專用成套系統(tǒng)；煤塔及皮帶輸送系統(tǒng)設(shè)置一套ControlLogix系統(tǒng)，焦耐院負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)編程。可見僅僅備煤系統(tǒng)就有分布于不同位置的四套控制系統(tǒng)由三家單位設(shè)計(jì)編程，如果不進(jìn)行整合，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生相互獨(dú)立的信息孤島，工藝控制不能協(xié)調(diào)進(jìn)行，生產(chǎn)不能統(tǒng)一調(diào)度管控。其他區(qū)域也存在類似的問題。

    另外，焦化廠不但具有冶金的特點(diǎn)，還具有化工的性質(zhì)。按照常規(guī)設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)的選型不但有PLC系統(tǒng)，還有DCS系統(tǒng)。原主廠區(qū)的焦化控制系統(tǒng)即存在這種問題，造成了通訊的困難，人為形成了一個(gè)個(gè)信息孤島。即便能夠通訊，也造成了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的復(fù)雜和無序管理。頻繁發(fā)生控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的癱瘓，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

    基于以上原因，我們?cè)谖遑S塘焦化工程中，汲取了過去主廠區(qū)焦化廠控制系統(tǒng)在選型和應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，徹底摒棄傳統(tǒng)思維，全面引入了羅克韋爾的集成架構(gòu)的融合理念。硬件上采用集合多種控制功能的Logix控制平臺(tái)；網(wǎng)絡(luò)通訊采用NetLinx開放的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在整個(gè)架構(gòu)內(nèi)無縫的路由；軟件上采用了基于FactoryTalk 服務(wù)平臺(tái)SOA（面向服務(wù)）的C/S架構(gòu)軟件平臺(tái)。

    采用NetLinx羅克韋爾自動(dòng)化開放式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，能夠很容易實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)的無縫通訊和無縫集成的解決方案。NetLinx 采用通用的應(yīng)用層協(xié)議（ Application Layer）： 控制與信息協(xié)議（ Control and Information Protocol，CIP）, CIP 是基于 NetLinx 架構(gòu)的核心網(wǎng)絡(luò) (DeviceNet, ControlNet, EtherNet/IP) 的通用通訊協(xié)議，將多種應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)完全集成，變成一個(gè)系統(tǒng)。根據(jù)備煤系統(tǒng)和篩焦系統(tǒng)料線超長的特點(diǎn)，采用了DeviceNet設(shè)備網(wǎng)圖爾克現(xiàn)場(chǎng)總線運(yùn)程I/O方式，具有低安裝費(fèi)用、安裝速度快以及增強(qiáng)的技術(shù)訪問能力的特點(diǎn)，從而可以減少和消除昂貴的停機(jī)時(shí)間。控制層網(wǎng)絡(luò)全部采用了ControlNet網(wǎng)絡(luò)，ControlNet網(wǎng)絡(luò)是高速 (5 Mbps)確定性實(shí)時(shí)控制和擴(kuò)展 I/O 網(wǎng)絡(luò)，具有生產(chǎn)者/消費(fèi)者網(wǎng)絡(luò)模式（Producer/consumer Model）：支持多主（ Multi-master），多點(diǎn)傳送（ Multicast）輸入以及端到端（Peer-to-peer）通訊。信息監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)全部采用了EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)，EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)以標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，是真正的開放工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品。透過EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)，SE軟件不但能通過RSLinx Enterprice很容易實(shí)現(xiàn)與分布的ControlLogix控制子系統(tǒng)進(jìn)行通訊，而且也可添加OPC Server，很方便地通過以太網(wǎng)與第三方控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊。

    利用Logix控制平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)化智能通訊背板，可實(shí)現(xiàn)三層網(wǎng)絡(luò)的無縫路由，在RSLinx Classic軟件中任意一點(diǎn)接入，即可對(duì)所有三種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化組態(tài)和維護(hù)。RSLinx軟件的功能有編程軟件的連接、建立并組態(tài)通訊驅(qū)動(dòng)、瀏覽網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)采集等，其中數(shù)據(jù)采集包括直連的數(shù)據(jù)采集、OPC數(shù)據(jù)的采集、優(yōu)化的數(shù)據(jù)采集等。

    當(dāng)然，由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的限制，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)先規(guī)劃和組態(tài)，這就需要專用的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)工具軟件，即RSNetWorx for ControlNet、RSNetWorx for DeviceNet、RSNetWorx for EtherNet。ControlNet和DeviceNet必須進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置和組態(tài)，否則系統(tǒng)是不能實(shí)現(xiàn)確定性通訊的。

    Logix控制平臺(tái)采用統(tǒng)一的RSLogix 5000 編程軟件，完全支持 IEC 1131-3編程方式，包括：梯形圖（Ladder）、功能塊圖 (FBD)、結(jié)構(gòu)化文本 (ST)、順控表 (SFC)等編程方式。覆蓋過程控制、順序控制、傳動(dòng)控制以及伺服控制的所有控制指令，并可按用戶習(xí)慣的編程方式進(jìn)行編程，其中過程控制功能完全滿足焦化廠DCS控制功能的需要；完全標(biāo)簽編程，用戶無需學(xué)習(xí)、也無需記憶和分配內(nèi)存，這是其他PLC編程軟件所無法比擬的；RSLogix 5000為控制對(duì)象自動(dòng)創(chuàng)建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；面向?qū)ο缶幊蹋⒉捎昧巳蝿?wù)、程序、例程的層級(jí)編程方式。

                  
                               圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D 

    4 信息與控制系統(tǒng)融合集成解決方案

    4.1 EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)方案

    EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)拓?fù)湟妶D2，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況及有利于發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，并克服相應(yīng)的局限的特點(diǎn)，五豐塘網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇為混合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，考慮到工業(yè)系統(tǒng)冗余網(wǎng)絡(luò)的重要性，那么，整合后的網(wǎng)絡(luò)以環(huán)型網(wǎng)絡(luò)為主，部分重要性稍次的子系統(tǒng)采用星型連接直接接入環(huán)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上的交換機(jī)。

    貫穿全廠的網(wǎng)絡(luò)采用了赫斯曼三層工業(yè)交換機(jī)作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心交換機(jī)。采用赫斯曼工業(yè)級(jí)二層網(wǎng)管型交換機(jī)作為各個(gè)子系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)交換機(jī)。

    為了便于管理，并提高網(wǎng)絡(luò)的效率和安全性，除了網(wǎng)絡(luò)的物理設(shè)計(jì)外，還需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)，即劃分虛擬網(wǎng)(Virtual LAN)。VLAN虛擬網(wǎng)技術(shù)是將網(wǎng)絡(luò)中的物理基礎(chǔ)設(shè)施與網(wǎng)絡(luò)的邏輯基礎(chǔ)設(shè)施相分離，使得網(wǎng)管人員能方便而動(dòng)態(tài)地建立和重構(gòu)虛擬網(wǎng)絡(luò)，以適應(yīng)部門機(jī)構(gòu)的協(xié)作與變動(dòng)，方便網(wǎng)絡(luò)管理，降低管理的成本。

    對(duì)于一個(gè)大型的工業(yè)局域網(wǎng)絡(luò)來說，VLAN的劃分是非常重要的，它為限制全網(wǎng)范圍的廣播和多點(diǎn)廣播提供了有效的手段。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中選擇切實(shí)可行的技術(shù)進(jìn)行VLAN的靈活劃分，能夠跨越交換機(jī)劃分VLAN，通過路由協(xié)議高性能地實(shí)現(xiàn)VLAN之間的路由及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的均衡，并通過訪問控制列表技術(shù)提供基于VLAN的安全特性。比如在網(wǎng)絡(luò)層面控制子系統(tǒng)之間不能互相訪問。

    全廠Vlan劃分按前述工藝分區(qū)及控制管理區(qū)域劃分。預(yù)留Vlan1作為本征Vlan，并用于交換機(jī)的管理。

    4.2 軟件解決方案

    系統(tǒng)采用基于SOA（面向服務(wù)）的C/S架構(gòu)。同傳統(tǒng)的C/S架構(gòu)不同，所有的C/S應(yīng)用都將基于FactoryTalk 服務(wù)平臺(tái)。SOA架構(gòu)的特征是以服務(wù)或組件形式出現(xiàn)的業(yè)務(wù)邏輯可以被共享、重用和配置，被廣泛的應(yīng)用于融合場(chǎng)合的軟件解決方案。羅克韋爾公司在業(yè)界最先采用了SOA架構(gòu)作為軟件產(chǎn)品解決方案的主體架構(gòu)，目前FactoryTalk軟件服務(wù)平臺(tái)支持的服務(wù)有：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)、系統(tǒng)資源目錄服務(wù)、操作審查服務(wù)、通用報(bào)警與事件服務(wù)、安全管理服務(wù)、系統(tǒng)診斷服務(wù)以及授權(quán)管理服務(wù)。通過FactoryTalk服務(wù)平臺(tái)可以無縫的集成HMI人機(jī)界面、Historian實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫、生產(chǎn)績效分析系統(tǒng)、過程模型系統(tǒng)、EMS能源管理系統(tǒng)以及MES生產(chǎn)執(zhí)行制造系統(tǒng)。

    如圖2所示，備煤服務(wù)器、焦?fàn)t服務(wù)器、篩焦服務(wù)器、煤氣凈化服務(wù)器、干熄焦服務(wù)器等都安裝了FactoryTalk View SE的服務(wù)端軟件。FactoryTalk View SE服務(wù)端由HMI Server與Data Server組成。 Data Server承擔(dān)與底層相關(guān)子系統(tǒng)的控制器設(shè)備的通訊，與羅克韋爾公司的控制器產(chǎn)品通訊采用了RSLinx Enterprise軟件，該軟件可以實(shí)現(xiàn)與控制器內(nèi)標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫一體化集成，以及毫秒級(jí)的控制器內(nèi)定義報(bào)警功能，并且實(shí)時(shí)通訊效率也大大優(yōu)于傳統(tǒng)的RSLinx Classic軟件。HMI Server由DISPLAY實(shí)時(shí)畫面服務(wù)、TAG HMI標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫服務(wù)、ALARM報(bào)警服務(wù)及TREND歷史趨勢(shì)服務(wù)組成。煤氣凈化系統(tǒng)、備煤系統(tǒng)、煉焦系統(tǒng)、篩焦系統(tǒng)、干熄焦系統(tǒng)等各個(gè)子系統(tǒng)的操作員站采用了FactoryTalk View SE 客戶端軟件，用于日常操作。

    超級(jí)服務(wù)器同樣安裝了FactoryTalk View SE的服務(wù)端軟件，超級(jí)服務(wù)器需要訪問所有的子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，超級(jí)服務(wù)器還安裝了FactoryTalk Historian SE產(chǎn)品。FactoryTalk Historian SE服務(wù)端將通過服務(wù)平臺(tái)的LIVE DATA實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)從Data Server獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)用于長期的、海量的歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。Historian 產(chǎn)品支持螺旋門數(shù)據(jù)壓縮算法，可以實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)在不失真前提的高度壓縮，并且支持OLE DB、ODBC等通用SQL數(shù)據(jù)庫訪問接口，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海量歷史數(shù)據(jù)的高速SQL檢索，實(shí)現(xiàn)各種高級(jí)的實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)挖掘及分析。Historian服務(wù)為廠級(jí)能源管理系統(tǒng)、生產(chǎn)績效分析系統(tǒng)提供歷史數(shù)據(jù)服務(wù)。服務(wù)器還安裝了Factorytalk Vatagepoint軟件，該軟件是一個(gè)專業(yè)的基于B/S架構(gòu)的數(shù)據(jù)挖掘分析軟件，通過Factorytalk服務(wù)平臺(tái)獲取實(shí)時(shí)或歷史數(shù)據(jù)，支持EXCEL報(bào)表的WEB發(fā)布功能，并自帶曲線、棒圖、餅圖、電子面板等各種豐富的圖形報(bào)表功能。與Historian集成，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)KPI關(guān)鍵指標(biāo)管理分析、能源管理等各種高級(jí)應(yīng)用。超級(jí)服務(wù)器同時(shí)還為過程計(jì)算機(jī)、生產(chǎn)績效分析系統(tǒng)、公司能源中心提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)，大屏幕客戶機(jī)也從超級(jí)服務(wù)器獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及畫面服務(wù)。

    工程師站安裝了FactoryTalk View Studio組態(tài)軟件，由于控制中心所有FactoryTalk View SE服務(wù)器及客戶端都基于統(tǒng)一的FactoryTalk服務(wù)平臺(tái)，共用統(tǒng)一的資源目錄管理服務(wù)，在工程師站上可以在線維護(hù)所有的FactoryTalk View SE應(yīng)用子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的集中式的維護(hù)管理。

    5 結(jié)束語

    寧波鋼鐵五豐塘焦化廠的控制系統(tǒng)可以說是一個(gè)龐大的、復(fù)雜的、分布式的控制系統(tǒng)，通過采用NetLinx羅克韋爾自動(dòng)化開放式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和基于FactoryTalk 服務(wù)平臺(tái)SOA（面向服務(wù)）的C/S架構(gòu)軟件平臺(tái)，無論是ControlLogix還是第三方的專用控制系統(tǒng)，均實(shí)現(xiàn)了全廠控制系統(tǒng)的有機(jī)融合，針對(duì)超長料線、工藝復(fù)雜、控制復(fù)雜的生產(chǎn)工藝系統(tǒng)，很好地實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的統(tǒng)一調(diào)度、協(xié)調(diào)管理、集中監(jiān)控功能。實(shí)現(xiàn)了中控室的集中監(jiān)視操作和控制，減少了操作人員，提高了生產(chǎn)管理水平和效率，從根本上消除了因控制系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)問題造成的設(shè)備停機(jī)及生產(chǎn)中斷；控制系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)管理維護(hù)簡單方便，焦化廠的自動(dòng)化水平和信息技術(shù)水平產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。自2009年11月23日投產(chǎn)以來，保證了生產(chǎn)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

    王增波(1970-)，男，河北柏鄉(xiāng)人，大專學(xué)歷，現(xiàn)任寧波鋼鐵有限公司焦化廠電儀高級(jí)工程師，負(fù)責(zé)全廠過程控制系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)及儀表自動(dòng)化專業(yè)技術(shù)管理工作。