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★牟福善（中糧黃海糧油工業(yè)（山東）有限公司，山東日照276800）

摘要：油脂行業(yè)中榨油是傳統(tǒng)的流線型及過程型加工工藝，主要是將大豆經(jīng)過工藝加工后變成大豆油產(chǎn)品的過程，涉及脫皮、壓榨、軋胚、清理、過濾等工藝步驟。傳統(tǒng)控制方式采用兩個(gè)系統(tǒng)，它們又分別采用獨(dú)立PLC進(jìn)行控制。在系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性、改造靈活性等方面都較欠缺。因此，需要從系統(tǒng)的角度，在高可靠性、冗余性、靈活性等方面進(jìn)行改進(jìn)。本文結(jié)合油脂廠自動(dòng)化改造項(xiàng)目，分析研究了油脂企業(yè)的生產(chǎn)工藝流程以及涉及的工藝需求，并根據(jù)安全需求情況，分別對(duì)油脂企業(yè)榨油工藝中的各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：冗余控制系統(tǒng)；冗余網(wǎng)絡(luò)

所謂民以食為天，糧食是人類賴以生存的必需品，是關(guān)系國計(jì)民生的特殊商品。糧油是對(duì)谷類、豆類等糧食和油料及其加工成品和半成品的統(tǒng)稱，也是人類主要食物的統(tǒng)稱。隨著資源約束日益加劇和人口不斷增長(zhǎng)，以及工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)，我國確保糧油產(chǎn)品供應(yīng)的壓力將長(zhǎng)期存在。

工藝控制由結(jié)果控制向過程控制轉(zhuǎn)變，由控制指標(biāo)向控制參數(shù)轉(zhuǎn)變，由人工控制向自動(dòng)化控制科學(xué)決策轉(zhuǎn)變。保證糧油生產(chǎn)車間的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，不僅可以有效降低企業(yè)消耗成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，還能夠?yàn)榧Z油企業(yè)的節(jié)能減排以及國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展保駕護(hù)航。

1　系統(tǒng)概述

榨油車間PLC系統(tǒng)目前使用GE智能平臺(tái)的Rx7i和9070系列控制產(chǎn)品。榨油浸出車間硬件包含一套PLC控制系統(tǒng)，CPU采用美國通用Rx7i系列，I/O模塊及分站采用90-70系列。將預(yù)榨和浸出兩個(gè)車間的CPU由獨(dú)立架構(gòu)調(diào)整為雙CPU冗余架構(gòu)，并通過冗余光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)同步和切換。

1.1　改造必要性

GERx7i和9070系列產(chǎn)品在1988年成功投放市場(chǎng)，2011年由于元器件的短缺及產(chǎn)品的更新?lián)Q代而正式進(jìn)入停產(chǎn)狀態(tài)。這就意味著，相關(guān)Rx7i和9070產(chǎn)品在2011年已經(jīng)無法通過官方渠道訂貨，亦無法進(jìn)行模塊維修等服務(wù)。

Rx7i系列CPU控制器與9070IO分站使用本地?cái)U(kuò)展和Genius的通訊協(xié)議。升級(jí)后的PAC3i控制系統(tǒng)，控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性更強(qiáng)，吞吐量更大，其最高傳輸速率可達(dá)100M甚至1G，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的通訊速率。Profinet的環(huán)網(wǎng)冗余技術(shù)，可防止閉環(huán)冗余系統(tǒng)的單點(diǎn)失效，整個(gè)IO通訊的抗干擾能力也將大大增強(qiáng)，其網(wǎng)絡(luò)連接主要使用光纖或者屏蔽網(wǎng)線。

1.2　雙機(jī)熱備系統(tǒng)描述

雙機(jī)熱備控制系統(tǒng)為工業(yè)控制領(lǐng)域廣大用戶提供了一個(gè)可靠的無擾動(dòng)切換的安全保護(hù)及過程控制系統(tǒng)。PACSystems雙機(jī)熱備控制系統(tǒng)采用冗余機(jī)架控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，每個(gè)CPU機(jī)架分別供電、通訊，主備CPU分別安裝于兩個(gè)獨(dú)立的機(jī)架上，以防止系統(tǒng)受到共模干擾導(dǎo)致兩個(gè)CPU都受到干擾。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，一旦主系統(tǒng)被檢測(cè)到故障，所有控制將被自動(dòng)切換至備用系統(tǒng)。兩個(gè)CPU的掃描過程都是同步化進(jìn)行的，以保持主CPU和備CPU同步工作，從而在CPU之間切換時(shí)對(duì)過程的影響和擾動(dòng)降到最低，即實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換。GE系列PACSystemsPLC雙機(jī)熱備系統(tǒng)性能指標(biāo)如下：

無擾動(dòng)切換：是。CPU切換時(shí)間：50ms。I/O切換時(shí)間：0ms。機(jī)架冗余：是。同步總線熱備冗余：是。

1.3　PROFINET的環(huán)網(wǎng)冗余技術(shù)

PROFINET由PROFIBUS國際組織（PROFIBUS International，PI）推出，是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn)。

介質(zhì)冗余協(xié)議優(yōu)點(diǎn)包括：顯著提高了設(shè)備的可用性，因?yàn)閱蝹€(gè)設(shè)備的故障對(duì)通信沒有影響；所需的維修工作可以在沒有任何時(shí)間壓力的情況下進(jìn)行，因?yàn)榫S修過程中工廠不需要停機(jī)；(單個(gè)斷點(diǎn)）在發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，可以進(jìn)行快速的網(wǎng)絡(luò)診斷并加快故障排除；一旦發(fā)生故障，由于生產(chǎn)停頓而造成的成本就會(huì)降低。

2　整體升級(jí)策略

升級(jí)改造的整體策略是，盡量保持原控制程序不變，轉(zhuǎn)換后程序邏輯與連鎖控制不發(fā)生變化，只是將原有系統(tǒng)的硬件平臺(tái)進(jìn)行升級(jí)，軟件邏輯保留。

為了減少工程量和縮短改造工期，硬件和軟件改造升級(jí)仍采用GE公司控制系統(tǒng)，將原來GE 90-70系統(tǒng)升級(jí)為GE PAC RX3i系列，相應(yīng)的所有機(jī)架或模塊替換為GE PAC RX3i系列，軟件升級(jí)為CIMPLICITY V10.0版本，授權(quán)為運(yùn)行版。

2.1　硬件升級(jí)

將老舊的9070CPU升級(jí)換代為最新的PAC系列CPU，新CPU性能及處理能力將大大提高。控制系統(tǒng)的IO升級(jí)（各類IO模塊）。老舊的9070通訊及IO模塊、底板等，將被最新的PAC系列IO替換。

2.2　軟件升級(jí)

當(dāng)前新購買的操作電腦對(duì)WindowsXP和Windows7已經(jīng)不再更新相應(yīng)驅(qū)動(dòng)，目前新電腦基本上為Windows10操作系統(tǒng)。原來的軟件已經(jīng)無法在新操作系統(tǒng)上安裝，因此需要將老版本的上位機(jī)及編程軟件進(jìn)行升級(jí)，同時(shí)升級(jí)后的各項(xiàng)軟件功能將大大增強(qiáng)。

2.3　網(wǎng)絡(luò)方面

原系統(tǒng)升級(jí)到PAC3i系統(tǒng)之后，主站與分站、分站與分站之間采用的是西門子專用Profinet工業(yè)以太網(wǎng)線，并配置專用Profinet工業(yè)以太網(wǎng)接頭。若站與站距離超過100米，則需要配置相關(guān)的交換機(jī)并鋪設(shè)光纜，同時(shí)需要在硬件上添加IC695SPF002光纖插頭。

3　硬件系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)采用RX3i系列CPU，并通過profinet總線控制各I/O分站。PACSystems?Rx3i自動(dòng)化系列產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)如下：

（1）RX3i擁有一個(gè)單一的控制引擎和一個(gè)統(tǒng)一的編程環(huán)境，能夠在多種硬件平臺(tái)方便地應(yīng)用，并提供控制選擇的真正融合。

（2）Rx3i采用標(biāo)準(zhǔn)化的嵌入式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，克服了長(zhǎng)期以來自動(dòng)化系統(tǒng)無法使用PIII以上的高性能CPU和背板速率過低的難題，消除了自動(dòng)化系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)技術(shù)之間不斷擴(kuò)大的技術(shù)差距，極大地提升了自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能。

（3）Rx3i采用標(biāo)準(zhǔn)的、通用的VxWorks實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。VxWorks操作系統(tǒng)是目前世界上技術(shù)最領(lǐng)先的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，使其在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)主要地位。

3.1　CPU

選型型號(hào)：IC695CPE330，擁有32位的1GHz雙核微處理器和64Mbytes用戶內(nèi)存的高性能控制器，無需多個(gè)控制器，使用戶控制更加簡(jiǎn)單。

3.2　通訊背板

選型型號(hào)：IC695CHS012（12槽）。RX3i通用背板（機(jī)架）有7、12和16槽三種尺寸用于滿足用戶的應(yīng)用需要。它支持帶電插拔來減少停機(jī)時(shí)間。

3.3　電源模塊

選型型號(hào)：IC695PS140。RX3i的電源模塊像I/O一樣簡(jiǎn)單地插在背板上，并且能與任何標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)的RX3iCPU協(xié)同工作。每個(gè)電源模塊都具有自動(dòng)電壓適應(yīng)功能，用戶無需跳線選擇不同的輸入電壓。電源模塊具有限流功能，發(fā)生短路時(shí)，電源模塊會(huì)自動(dòng)關(guān)斷來避免硬件損壞。

4　人-機(jī)互聯(lián)

人-機(jī)聯(lián)系是值班員與計(jì)算機(jī)對(duì)話的窗口，值班員可借助鼠標(biāo)和鍵盤方便地在CRT屏幕上與計(jì)算機(jī)對(duì)話。其中包括：具有任務(wù)管理功能，任務(wù)在創(chuàng)建、編輯、拷貝、啟動(dòng)、繼續(xù)過程中會(huì)自動(dòng)核對(duì)來料倉與目的倉內(nèi)物料是否匹配、設(shè)置參數(shù)是否完整等檢查。

4.1　系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫：數(shù)據(jù)庫中的值應(yīng)根據(jù)運(yùn)行工況的實(shí)時(shí)變化而不斷地更新，記錄被監(jiān)控設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)。實(shí)時(shí)庫的刷新周期及數(shù)據(jù)精度可以設(shè)定。

歷史數(shù)據(jù)庫：對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的每一點(diǎn)，可由用戶事先定義并按設(shè)定的周期存入歷史數(shù)據(jù)庫中。歷史數(shù)據(jù)庫應(yīng)能存儲(chǔ)12個(gè)月的數(shù)據(jù)，所有的歷史數(shù)據(jù)應(yīng)能轉(zhuǎn)存至光盤做長(zhǎng)期存檔。

4.2　報(bào)警功能

上位軟件CIMPLICITY是一個(gè)方便、靈活、可靠、易于擴(kuò)展的報(bào)警系統(tǒng)，能夠報(bào)告系統(tǒng)活動(dòng)及系統(tǒng)潛在的問題，保障系統(tǒng)安全運(yùn)行。組態(tài)軟件分布式報(bào)警管理提供多種報(bào)警管理功能，包括：無限的報(bào)警區(qū)管理、基于事件的報(bào)警、報(bào)警優(yōu)先級(jí)、報(bào)警過濾功能，以及通過撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程報(bào)警管理，可實(shí)現(xiàn)過程報(bào)警、故障報(bào)警，可根據(jù)報(bào)警優(yōu)先權(quán)和報(bào)警時(shí)間的先后順序進(jìn)行報(bào)警。

4.3　界面需求

界面具有自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖、生產(chǎn)報(bào)表、設(shè)定參數(shù)上傳下載、單個(gè)設(shè)備操作、故障、警告事件記錄功能等，歷史曲線及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間為30天以上。

（1）所有用戶操作界面上顯示的電機(jī)、閥門、儀表等設(shè)備圖框及彈出框風(fēng)格必須標(biāo)準(zhǔn)一致，大小統(tǒng)一。管道（指向線）風(fēng)格及寬度大小保持一致，管道顏色應(yīng)根據(jù)介質(zhì)的不同嚴(yán)格區(qū)分。

（2）單個(gè)設(shè)備電機(jī)彈出式控制框可以設(shè)定手動(dòng)/自動(dòng)、聯(lián)鎖運(yùn)行、聯(lián)鎖解除、打開（啟動(dòng)）、關(guān)閉（停止）按鈕、事件記錄窗口、所有聯(lián)鎖可勾選等操作顯示功能。所有的控制調(diào)節(jié)回路都可以在操作站或工程師站上實(shí)現(xiàn)顯示、參數(shù)設(shè)定和PID調(diào)節(jié)。

5　總結(jié)

冗余系統(tǒng)的意義在于：采取兩套同樣獨(dú)立配置的硬件，在其中一套系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，另一套系統(tǒng)能立即啟動(dòng)。一套單獨(dú)的系統(tǒng)也許運(yùn)行的故障率很高，但采取冗余措施后，在不改變內(nèi)部設(shè)計(jì)的情況下，這套系統(tǒng)的可靠性可以大幅度提高。假如單獨(dú)系統(tǒng)的故障率為50%，而采取冗余系統(tǒng)后馬上可以將故障率降低到25%。冗余架構(gòu)適用于糧油行業(yè)，并在行業(yè)中有廣泛的應(yīng)用，其系統(tǒng)完全滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備規(guī)范，并符合相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)。

作者簡(jiǎn)介：

牟福善（1976-），男，山東日照人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于中糧黃海糧油工業(yè)（山東）有限公司，主要從事電氣管理工作。

摘自《自動(dòng)化博覽》2023年4月刊