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      活動鏈接：2012年控制網技術專題---控制系統新時代   
 

    摘要：文章介紹了如何把一個舊控制系統改造為新系統的構建思路及實現方法。

    關鍵詞：DCS；梯型邏輯；改造方案如何利用一個主流控制系統的特點并和現場工藝特性相結合，尤其是在一個具有配置缺陷的舊系統實施技術改造是本文探討的核心所在。

   1 控制系統改造的必要性

   二燒主工藝控制系統是1994年與美國霍尼韋爾公司簽定的技術協議，2001投入生產的TDC-3000集散控制系統，運行到目前問題較大，主要是技術落后，備件停產，設備老化嚴重，現場設備維護困難，從09年開始屢次出現通訊中斷，操作站掉站，控制器反應緩慢，歷史模件記錄缺失等控制系統末期癥狀，已經造成燒結機停機3~4次，系統迫切需要進行系統升級改造。

   2 新建控制系統拓撲結構的構建

改造方案的總體思路是用西門子新系統的控制器，網絡及操作站替換舊系統。需提前進行工藝結合、程序和工藝畫面的編制，并開展模擬調試，現場用三天時間進行舊柜拆除，I/O接線、打點、調試及投產，此方案是把老化掉的舊系統徹底更新，需要變動模塊接線和重新編制控制程序，現場過渡工作較艱巨。

   在原霍尼韋爾公司TDC-3000集散控制系統結構中，電控和儀控是分開的，即分電控柜（LM）和儀控柜（APM/HPM）。而現在西門子PCS7系統為三電一體化的模式，所以老系統在控制邏輯上會在LM和PM間有大量通訊數據，增加了光纜通訊負荷和系統負擔。而且老系統在控制柜分配上也不盡合理，如圖1所示，二燒工藝上有兩套燒結機，兩套配料系統，即一期燒結配料，二期燒結配料和二者的公共部分，控制系統應按工藝關系配置控制設備，而老系統卻是配料一個系統，燒結一個系統，比如要完成一期燒混的生產需要LM35/APM31/APM2/LM25的共同作用，要完成二期燒混的生產需要LM37/HPM33/HPM2/LM25的共同作用，兩者的公共部分也在配料系統中，造成在控制邏輯中需要大量通訊數據的傳遞，增加系統負擔和運行風險。考慮上述問題，我們在規劃新系統時就按照工藝關系配置控制設備，形成一期燒冷配混，二期燒冷配混及二者的公共部分篩分整粒/原料及成品運輸系統。如圖2所示，一期燒結控制器CPU下面帶了四個遠程站，涵蓋一期燒冷配混的控制點，同樣二期燒結控制器CPU下面亦帶了四個遠程站，涵蓋二期燒冷配混的控制點，而一二期的工藝的公共部分則由圖中的公共控制器CPU承擔，范圍是整粒/原料及成品運輸系統，這樣的話當一期燒結控制器及其網絡出問題的話不會影響二期燒結機的生產，反之亦然。這三對控制器通過交換機連在一個冗余以太環網內，構成一個穩定的通訊結構；同時公共控制器通過環網外的一個外延式以太網連接到供料區的物流中心控制器及運輸車間的成品控制器，打通了整個燒結工藝的來料和去料路徑的通訊連鎖關系，整個配置方案具有區域明晰，主次分明，結構穩定的特點，為將來二燒結車間控制系統的長期穩定運行打下了堅實的基礎。
  
               
                         圖1 二燒原系統HONEYWELL TDC-3000拓撲圖
  
                    
                     圖2 二燒新系統SIEMENS PCS7拓撲圖

    3 新建控制系統程序編制

   因為這次技術升級改造的目的系統為西門子PCS7 400系列的系統，所以根據西門子系統組態的特點，整個系統控制軟件的形成一般需經過以下步驟：

    ⑴ 硬件組態

    在新系統硬件構建時， 根據工藝區域我們已經配置了3對冗余控制器：一期燒冷配混控制器，二期燒冷配混控制器及公共部分控制器，同時為I/O接線配置了本地柜和遠程柜，在二燒結車間工藝的上游有物流中心控制器和下游的運輸車間成品控制器，所有這些硬件的體系結構都需要在組態的控制項目中得到體現。如圖3所示，在項目組態軟件中，“燒結265PCS7”的項目名下組態了四個控制器，分別是成品控制器CP、公共控制器PUBLIC、一期燒冷控制器SINTER-1及二期燒冷控制器SINTER-2；還有四個工程師站，即左邊樹形結構中的ES1/ES2/ES3/ES4；三個配料操作站，即PL-OS1/PL-OS2/PL-OS3；四個燒結操作站，即左邊樹形結構中的SJOS1/SJ-OS2/SJ-OS3/SJ-OS4。在打開的右邊的詳目中，可以看到有關公共控制器PUBLIC內組態的控制程序塊。而在圖4中，我們也可以看到一期燒冷控制器SINTER-1的硬件組態情況，在其中組態有兩個冗余的控制器，兩條冗余的PROFIBUS網絡，共同連接著9個ET200模塊機架，在這種控制器及過程網均冗余的情況下，模塊的輸入/輸出與控制器的連接及對現場的控制得到了極大的保證。
  
                  
                          圖3 二燒新系統SIEMENS PCS7組態圖
      
                  
                            圖4 二燒新系統硬件組態圖

    ⑵ 通訊設置

   在燒結區域的這3對冗余控制器之間及燒結車間與上游物流下游成品運輸中，肯定有大量的工藝連鎖關系，這就需要建立控制器之間的各種通訊連鎖關系，拿到STEP 7的組態中叫AS-AS之間的通訊，一二期燒冷配混控制器之間的通訊連鎖、一二期燒冷配混控制器與公共控制器之間的通訊連鎖、公共控制器與上游物流下游成品運輸控制器之間的通訊連鎖等，這些具體的通訊點及軟件配置都需要給予考慮。如圖5所示。
  
                  
                        圖5 二燒新系統網絡通訊組態圖

   在圖中，可以看到，公共控制器與其它四個控制器存在的通訊關系，它們分別是一期燒冷配混控制器SINTER-1、二期燒冷配混控制器SINTER-2、成品運輸控制器CP及物流控制器WL,然后有與四個工程師站和七個操作員站的AS-OS之間的通訊關系，整個上位機與控制器間數據的上行下達和控制器間的溝通協調關系在圖5的組態中一覽無遺 。

    那么具體的控制器到控制器AS-AS的通訊是如何實現的呢？在此以一期燒冷配混控制器SINTER-1和二期燒冷配混控制器SINTER-2之間的連鎖通訊的例子來說明一下。在STEP 7組態中，我們調用一對通訊功能塊SFB12/SFB13來實現SINTER-1與SINTER-2之間的發收關系，如圖6、7所示：在圖6中邏輯圖中有發送塊SFB12，圖7中有接收塊SFB13，它們組成了一期燒結發給二期燒結的發送和接收的組合，在功能塊引腳R_ID的相同的數字DW#16#17說明這一對SFB12/SFB13是對應的發送和接收的組合，它們均用DB20數據塊作為數據容器；同理圖6中的接收塊SFB13和圖7中的發送塊SFB12組成了一期燒結接收二期燒結的接收和發送組合，而其引腳R_ID的相同的數字DW#16#71說明它們是一對接收和發送的組合，它們均用DB21數據塊作為數據容器，這兩對收發功能塊就完成了一二期燒結控制器間數據的雙向傳遞。
        
                     
                          圖6   二燒STEP 7 SINTER-1通訊塊組態圖  

   至于DB數據容器內的內容取決于工藝上各個控制器間需要傳遞的連鎖信號，如物流與公共控制器間最關鍵的連鎖信號就是公共控制器端發給物流的SZ1-1/SZ1-2的自動運行信號，在正常生產的自動運行狀態下，一旦失去SZ1-1/SZ1-2的自動運行信號，物流相應輸送線應立即連鎖停車。再如篩分整粒系統的啟動是3個控制器控制的各工藝區域系統合作協調的結果，具體來講就是篩分整粒系統的啟動、急停順停等是在燒結，這樣的話就表明令從一家出，指令流是從SINTER-1/SINTER-2發往公共PUBLIC和成品CP的，而成品CP的允許及設備反饋信號流和公共PUBLIC設備反饋信號流是回到燒結SINTER-1/SINTER-2，其它家做到令行禁止，共同配合完成整個工藝的運行控制。
  
                      
                                圖7 二燒STEP 7 SINTER-2通訊塊組態圖

   ⑶ 邏輯編程

   在燒結生產流程中，首先應有原燃料的輸送、處理、配料、混合加水，燒結冷卻、篩分整粒、成品輸送等環節，圖8所示是燒結工藝的一個局部，即原燃料的輸送、儲存和成品的輸送環節。在燒結工藝的整個流程中，共劃分成12個子系統，它們分別是：

    A系統：精礦運輸

   B系統：熔燃運輸

   C系統：燃料處理

    D系統：熔劑處理

    E系統：一期配混

    F系統：二期配混

    G系統：一期燒冷

    H系統：二期燒冷

   I系統：一期篩分整粒

    J系統：二期篩分整粒

   K系統：一期運灰

    L系統：二期運灰

    針對這種情況可以把一個子系統編程為一個控制功能塊FC，如圖3中，可以看到在公共控制器PUBLIC中，有許多已編好的控制功能塊，其中FC1是D系統熔劑處理功能塊，FC2是C系統燃料處理功能塊，FC3是IJ系統篩分整粒，FC4 是A系統精礦運輸，FC5是B系統熔燃運輸；在一期燒冷配混控制器SINTER-1中，有FC1一期燒結整粒I系統控制塊，FC2一期燒結配混E系統控制塊，FC3一期燒結燒冷G系統控制塊，FC4一期燒結運灰K系統控制塊；在二期燒冷配混控制器SINTER-2中，有FC1二期燒結整粒J系統控制塊，FC2二期燒結配混F系統控制塊，FC3二期燒結燒冷H系統控制塊，FC4二期燒結運灰L系統控制塊；所有這些控制塊及通訊塊，組成了燒結工藝的邏輯連鎖控制。

    在燒結控制系統中，邏輯控制占70%多的量，主要是膠帶機的啟動、運轉、順序停車及緊急停車，一般按組成一個子工藝系統的膠帶機組的逆啟順停方式進行控制，當然在啟動前會有一些選線，選設備，翻板極限到位等條件的具備操作，在運行過程中，邏輯控制也擔負某個子工藝系統個別設備的啟停、反向和某兩個工藝線的在線切換操作，同時邏輯中也包含對設備的一系列保護停車動作，如膠帶機的拉繩、跑偏、堵料、撕裂、熱繼電器過熱、電機過流、行走超極限等，對高壓電機還有一次性啟動保護和限時間間隔啟動功能。下面通過圖9的STEP 7梯形邏輯圖來具體分析一下圖8中SZ1-3的控制策略。
  
                    
                                 圖8 二燒原料及成品輸送工藝流程圖

    圖9是一個典型的梯形圖控制邏輯，一個設備的最終輸出邏輯取決于其前面的節點，即各種開點、閉點的與或非情況，基本結構為啟動環節、自保環節、條件環節和停止環節，在這個形式中，我們可以看到，SZ1-3的輸出邏輯Z1Z3 ZJ就是控制系統輸出模塊的一個輸出點，它在啟動環節中有四個系統可以啟動它，分別是精礦運輸系統A系統啟動信號A-START2-RX、熔燃運輸B系統啟動信號B-START2-RX、雜礦運輸啟動信號ZK1-START1/ZK2START1和新熔劑線系統R-START1-RX，因啟動環節為持續10多秒的暫態，所以需要其設備運行反饋與繼電器輸出串聯起來并與啟動環節并聯的自保環節，在條件環節中分別通過其小車所在的不同極限位和此皮帶下料的接料皮帶運行情況決定其運輸的料種到達配料槽上、熔劑燃料庫還是高爐雜礦槽，其停止環節即為圖中不同系統的順停急停閉點。
   
                      
                                圖9 二燒邏輯控制梯形圖

   ⑷ 仿真調試

    通過STEP 7中安裝的仿真器Simulator，把控制邏輯下裝到它內部，并設置邏輯中各種節點狀態，就可驗證梯形邏輯的正確性、靈活性和安全性，同時也可以調WINCC畫面操作與仿真器控制邏輯之間的互動，具體細節就不在此詳述了。

   4 新建控制系統現場過渡

   因高爐生產的連續性和恢復爐況的要求，燒結控制系統過渡只有3天，為此我們制定了詳細的施工過渡網絡圖，對每一小時的工作內容和人員力量都有安排，對何時停電、多少時間拆卸舊系統，新系統接線、打點、調試運行都作出部署，以確保改造工程進度，這一項目在2011年5月按計劃得到了順利實施。

   參考文獻：

   [1]高金源. 計算機控制系統理論設計與實現[M]. 北京:北京航空航天大學出版社, 2001.

   [2]何衍慶, 戴自祥, 俞金壽. 可編程序控制器原理及應用技巧[M]. 北京:化學工業出版社, 1998.

   肖騰洲（1965-）男，高級工程師，1988年畢業于東北大學計算機應用專業，現就職于本鋼煉鐵廠，從事工廠DCS/PLC工程與維護工作。  

   摘自《自動化博覽》2012年第一期