★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)中榨油是傳統的流線(xiàn)型及過(guò)程型加工工藝，主要是將大豆經(jīng)過(guò)工藝加工后變成大豆油產(chǎn)品的過(guò)程，涉及脫皮、壓榨、軋胚、清理、過(guò)濾等工藝步驟。傳統控制方式采用兩個(gè)系統，它們又分別采用獨立PLC進(jìn)行控制。在系統穩定性、安全性、改造靈活性等方面都較欠缺。因此，需要從系統的角度，在高可靠性、冗余性、靈活性等方面進(jìn)行改進(jìn)。本文結合油脂廠(chǎng)自動(dòng)化改造項目，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，并根據安全需求情況，分別對油脂企業(yè)榨油工藝中的各個(gè)子系統進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：冗余控制系統；冗余網(wǎng)絡(luò )

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

工藝控制由結果控制向過(guò)程控制轉變，由控制指標向控制參數轉變，由人工控制向自動(dòng)化控制科學(xué)決策轉變。保證糧油生產(chǎn)車(chē)間的連續穩定運轉，不僅可以有效降低企業(yè)消耗成本，提高經(jīng)濟效益，還能夠為糧油企業(yè)的節能減排以及國家的經(jīng)濟發(fā)展保駕護航。

1　系統概述

榨油車(chē)間PLC系統目前使用GE智能平臺的Rx7i和9070系列控制產(chǎn)品。榨油浸出車(chē)間硬件包含一套PLC控制系統，CPU采用美國通用Rx7i系列，I/O模塊及分站采用90-70系列。將預榨和浸出兩個(gè)車(chē)間的CPU由獨立架構調整為雙CPU冗余架構，并通過(guò)冗余光纖進(jìn)行數據同步和切換。

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(zhù)，相關(guān)Rx7i和9070產(chǎn)品在2011年已經(jīng)無(wú)法通過(guò)官方渠道訂貨，亦無(wú)法進(jìn)行模塊維修等服務(wù)。

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

1.2　雙機熱備系統描述

雙機熱備控制系統為工業(yè)控制領(lǐng)域廣大用戶(hù)提供了一個(gè)可靠的無(wú)擾動(dòng)切換的安全保護及過(guò)程控制系統。PACSystems雙機熱備控制系統采用冗余機架控制系統結構，每個(gè)CPU機架分別供電、通訊，主備CPU分別安裝于兩個(gè)獨立的機架上，以防止系統受到共模干擾導致兩個(gè)CPU都受到干擾。系統運行過(guò)程中，一旦主系統被檢測到故障，所有控制將被自動(dòng)切換至備用系統。兩個(gè)CPU的掃描過(guò)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)對過(guò)程的影響和擾動(dòng)降到最低，即實(shí)現無(wú)擾動(dòng)切換。GE系列PACSystemsPLC雙機熱備系統性能指標如下：

無(wú)擾動(dòng)切換：是。CPU切換時(shí)間：50ms。I/O切換時(shí)間：0ms。機架冗余：是。同步總線(xiàn)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(xiàn)標準。

介質(zhì)冗余協(xié)議優(yōu)點(diǎn)包括：顯著(zhù)提高了設備的可用性，因為單個(gè)設備的故障對通信沒(méi)有影響；所需的維修工作可以在沒(méi)有任何時(shí)間壓力的情況下進(jìn)行，因為維修過(guò)程中工廠(chǎng)不需要停機；(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　整體升級策略

升級改造的整體策略是，盡量保持原控制程序不變，轉換后程序邏輯與連鎖控制不發(fā)生變化，只是將原有系統的硬件平臺進(jìn)行升級，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仍采用GE公司控制系統，將原來(lái)GE 90-70系統升級為GE PAC RX3i系列，相應的所有機架或模塊替換為GE PAC RX3i系列，軟件升級為CIMPLICITY V10.0版本，授權為運行版。

2.1　硬件升級

將老舊的9070CPU升級換代為最新的PAC系列CPU，新CPU性能及處理能力將大大提高?？刂葡到y的IO升級（各類(lèi)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

當前新購買(mǎi)的操作電腦對WindowsXP和Windows7已經(jīng)不再更新相應驅動(dòng)，目前新電腦基本上為Windows10操作系統。原來(lái)的軟件已經(jīng)無(wú)法在新操作系統上安裝，因此需要將老版本的上位機及編程軟件進(jìn)行升級，同時(shí)升級后的各項軟件功能將大大增強。

2.3　網(wǎng)絡(luò )方面

原系統升級到PAC3i系統之后，主站與分站、分站與分站之間采用的是西門(mén)子專(zhuān)用Profinet工業(yè)以太網(wǎng)線(xiàn)，并配置專(zhuān)用Profinet工業(yè)以太網(wǎng)接頭。若站與站距離超過(guò)100米，則需要配置相關(guān)的交換機并鋪設光纜，同時(shí)需要在硬件上添加IC695SPF002光纖插頭。

3　硬件系統功能

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

（1）RX3i擁有一個(gè)單一的控制引擎和一個(gè)統一的編程環(huán)境，能夠在多種硬件平臺方便地應用，并提供控制選擇的真正融合。

（2）Rx3i采用標準化的嵌入式實(shí)時(shí)控制系統結構，克服了長(cháng)期以來(lái)自動(dòng)化系統無(wú)法使用PIII以上的高性能CPU和背板速率過(guò)低的難題，消除了自動(dòng)化系統與計算機技術(shù)之間不斷擴大的技術(shù)差距，極大地提升了自動(dòng)控制系統的性能。

（3）Rx3i采用標準的、通用的VxWorks實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統。VxWorks操作系統是目前世界上技術(shù)最領(lǐng)先的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統（RTOS），良好的持續發(fā)展能力、高性能的內核以及友好的用戶(hù)開(kāi)發(fā)環(huán)境，使其在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統領(lǐng)域占據主要地位。

3.1　CPU

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

3.2　通訊背板

選型型號：IC695CHS012（12槽）。RX3i通用背板（機架）有7、12和16槽三種尺寸用于滿(mǎn)足用戶(hù)的應用需要。它支持帶電插拔來(lái)減少停機時(shí)間。

3.3　電源模塊

選型型號：IC695PS140。RX3i的電源模塊像I/O一樣簡(jiǎn)單地插在背板上，并且能與任何標準型號的RX3iCPU協(xié)同工作。每個(gè)電源模塊都具有自動(dòng)電壓適應功能，用戶(hù)無(wú)需跳線(xiàn)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(lái)避免硬件損壞。

4　人-機互聯(lián)

人-機聯(lián)系是值班員與計算機對話(huà)的窗口，值班員可借助鼠標和鍵盤(pán)方便地在CRT屏幕上與計算機對話(huà)。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)、繼續過(guò)程中會(huì )自動(dòng)核對來(lái)料倉與目的倉內物料是否匹配、設置參數是否完整等檢查。

4.1　系統數據庫

實(shí)時(shí)數據庫：數據庫中的值應根據運行工況的實(shí)時(shí)變化而不斷地更新，記錄被監控設備的當前狀態(tài)。實(shí)時(shí)庫的刷新周期及數據精度可以設定。

歷史數據庫：對實(shí)時(shí)數據庫中的每一點(diǎn)，可由用戶(hù)事先定義并按設定的周期存入歷史數據庫中。歷史數據庫應能存儲12個(gè)月的數據，所有的歷史數據應能轉存至光盤(pán)做長(cháng)期存檔。

4.2　報警功能

上位軟件CIMPLICITY是一個(gè)方便、靈活、可靠、易于擴展的報警系統，能夠報告系統活動(dòng)及系統潛在的問(wèn)題，保障系統安全運行。組態(tài)軟件分布式報警管理提供多種報警管理功能，包括：無(wú)限的報警區管理、基于事件的報警、報警優(yōu)先級、報警過(guò)濾功能，以及通過(guò)撥號網(wǎng)絡(luò )的遠程報警管理，可實(shí)現過(guò)程報警、故障報警，可根據報警優(yōu)先權和報警時(shí)間的先后順序進(jìn)行報警。

4.3　界面需求

界面具有自控系統網(wǎng)絡(luò )結構圖、生產(chǎn)報表、設定參數上傳下載、單個(gè)設備操作、故障、警告事件記錄功能等，歷史曲線(xiàn)及數據存儲時(shí)間為30天以上。

（1）所有用戶(hù)操作界面上顯示的電機、閥門(mén)、儀表等設備圖框及彈出框風(fēng)格必須標準一致，大小統一。管道（指向線(xiàn)）風(fēng)格及寬度大小保持一致，管道顏色應根據介質(zhì)的不同嚴格區分。

（2）單個(gè)設備電機彈出式控制框可以設定手動(dòng)/自動(dòng)、聯(lián)鎖運行、聯(lián)鎖解除、打開(kāi)（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。所有的控制調節回路都可以在操作站或工程師站上實(shí)現顯示、參數設定和PID調節。

5　總結

冗余系統的意義在于：采取兩套同樣獨立配置的硬件，在其中一套系統出現故障時(shí)，另一套系統能立即啟動(dòng)。一套單獨的系統也許運行的故障率很高，但采取冗余措施后，在不改變內部設計的情況下，這套系統的可靠性可以大幅度提高。假如單獨系統的故障率為50%，而采取冗余系統后馬上可以將故障率降低到25%。冗余架構適用于糧油行業(yè)，并在行業(yè)中有廣泛的應用，其系統完全滿(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)的設備規范，并符合相應的國家標準。

作者簡(jiǎn)介：

牟福善（1976-），男，山東日照人，工程師，學(xué)士，現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