欒元迪 邵克志 王英紅 劉健

1  概述

    “透明工廠(chǎng)”是建立在信息技術(shù)和通訊技術(shù)的基礎上，這些技術(shù)包括OPC開(kāi)放軟件標準和WEB技術(shù)等，主要包含三方面的內容：基于TCP/IP的通訊、WEB模式的網(wǎng)絡(luò )應用和面向對象的編程。其核心是Ethernet和TCP/IP。

    隨著(zhù)信息技術(shù)（IT）和通訊技術(shù)的發(fā)展，許多控制系統生產(chǎn)廠(chǎng)商均看到工業(yè)局域網(wǎng)的局限，要想在以后的信息化工業(yè)中得以發(fā)展及生存，必須向“透明工廠(chǎng)”的方向發(fā)展。

    在濟鋼三煉鋼工程中，整個(gè)自動(dòng)化控制系統采用了施耐德公司Quantum系列PLC，實(shí)現全過(guò)程自動(dòng)化，網(wǎng)絡(luò )系統采用了“透明工廠(chǎng)”的設計思想，實(shí)現了設備維護及生產(chǎn)操作人員的遠距離訪(fǎng)問(wèn)和監視，從而減少了勞動(dòng)定員及勞動(dòng)強度。

2  工藝概況

    在濟鋼三煉鋼120t轉爐工程中，主要建設一座900t混鐵爐、一套鐵水預處理裝置、一座120t氧氣頂底復吹轉爐及配套水處理、除塵等公輔設施。

    煉鋼生產(chǎn)的工藝路線(xiàn)為：高爐鐵水罐→混鐵爐→鐵水預處理站→轉爐→LF、VD精煉裝置→連鑄機。

3  “透明工廠(chǎng)”的實(shí)現

    2000年施耐德公司率先將符合IEEE802.3規定的以太網(wǎng)應用于工業(yè)自動(dòng)化，從而打破了自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )與信息網(wǎng)絡(luò )的疆界，率先推出了工業(yè)以太網(wǎng)的標準：TCP/IP Modbus。該標準是在TCP/IP標準中，應用層采用Modbus。同時(shí)，施耐德公司將WEB應用到工業(yè)自動(dòng)化，在自動(dòng)化平臺上內置WEB Server，從而使控制數據易于被不同的操作系統得到，也可以通過(guò)公共網(wǎng)絡(luò )來(lái)訪(fǎng)問(wèn)工業(yè)現場(chǎng)的數據。這種基于WEB的體系結構使工業(yè)數據更加同步，網(wǎng)絡(luò )集成難度降低，也可以更好的控制網(wǎng)絡(luò )的數據流量。

    施耐德公司的“透明工廠(chǎng)”的技術(shù)是完全開(kāi)放的，它可以在所有的自動(dòng)化環(huán)境下與制造執行系統（MES）和企業(yè)資源計劃（ERP）無(wú)縫連接。它可提供的有關(guān)“透明工廠(chǎng)”的產(chǎn)品有：鑲嵌式的WEB服務(wù)器、TCP/IP通訊的網(wǎng)絡(luò )部件和以太網(wǎng)IO卡件。這些產(chǎn)品為“透明工廠(chǎng)”的實(shí)施提供了條件。

    在濟鋼三煉鋼工程中，為建設成一個(gè)全自動(dòng)化、信息化、網(wǎng)絡(luò )化的現代化工廠(chǎng)，各工藝流程自動(dòng)化控制系統均采用了Quantum系列PLC控制系統，結合煉鋼、精煉、連鑄系統的工藝特點(diǎn)。一級為基礎自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )采用符合Modbus TCP/IP協(xié)議的10/100M自適應環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)，各控制系統配置自帶WEB網(wǎng)頁(yè)的以太網(wǎng)通訊模板140 NOE 711 10，交換機選用TP-TX/TX系列499NES07100，集線(xiàn)器選用3TP/2FL系列499NEH00410。二級為過(guò)程自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )，采用100M的工業(yè)以太網(wǎng)，連接轉爐、精煉、連鑄系統，通訊介質(zhì)采用光纜，并預留三級網(wǎng)絡(luò )的接口。

    通過(guò)施耐德公司提供的軟件開(kāi)發(fā)平臺及網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，將整個(gè)控制系統的控制站及操作站HMI統一編制IP地址，可方便訪(fǎng)問(wèn)各系統的共享數據。在軟件設計時(shí)，將系統的硬件狀態(tài)及重要的工藝參數均設置在WEB中，設備維護及生產(chǎn)管理人員可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )系統實(shí)現遠距離的訪(fǎng)問(wèn)，及時(shí)了解各系統的運行狀況，增加了系統的透明度，實(shí)現了整個(gè)煉鋼廠(chǎng)的“透明化”。

3.1  基礎自動(dòng)化控制系統

    基礎自動(dòng)化控制系統是保證生產(chǎn)安全運行的基礎，其主要任務(wù)是：根據HMI的操作指令、L2級的操作數據和現場(chǎng)各檢測器的信號完成各個(gè)工藝設備或者工藝過(guò)程的順序控制和PID調節控制；進(jìn)行工藝過(guò)程及設備狀態(tài)的實(shí)時(shí)數據采集、整理，然后傳送到L2級；完成各工藝過(guò)程及設備的故障報警處理及顯示。

    (1)  系統網(wǎng)絡(luò )結構

    PLC系統選用Quantum系列PLC，包括水處理、除塵等整個(gè)系統配置了13套Quantum PLC控制裝置、12套HMI，采用冗余光纖環(huán)網(wǎng)。各控制系統配置自帶WEB網(wǎng)頁(yè)的以太網(wǎng)通訊模板140 NOE 711 10，交換機選用TP-TX/TX系列499NES07100，集線(xiàn)器選用3TP/2FL系列499NEH00410。

    整個(gè)網(wǎng)絡(luò )系統采用環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)，自動(dòng)控制系統設計為兩級網(wǎng)絡(luò )系統，一級為基礎自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )，采用符合TCP/IP協(xié)議的10/100M自適應環(huán)行工業(yè)以太網(wǎng)，連接原料系統、凈環(huán)水系統、濁環(huán)水系統、鐵水預處理系統、混鐵爐系統、除塵系統、煤氣回收系統、煤氣儲備系統和轉爐本體系統，通訊介質(zhì)采用光纜?；A自動(dòng)化系統網(wǎng)絡(luò )結構圖如圖1所示。

圖1  基礎自動(dòng)化系統網(wǎng)絡(luò )結構圖

    (2)  服務(wù)器配置

    在圖2中，設有2臺服務(wù)器，分別為基礎自動(dòng)化（L1）數據庫服務(wù)器、L1.5級服務(wù)器。L1.5級服務(wù)器負責與L2級之間數據通訊與交換，下達L2級服務(wù)器指令。L1級數據庫服務(wù)器主要負責PLC與上位端（服務(wù)器、客戶(hù)機）之間的數據傳輸、數據存儲、報警等功能。

    (3)  客戶(hù)端配置

    客戶(hù)端主要完成對現場(chǎng)設備的檢測、監視、控制、調節、診斷，主要系統有輔原料及鐵合金上料系統、輔原料及鐵合金投料系統、傾動(dòng)氧槍系統、副槍系統、轉爐本體輔助系統、轉爐本體儀表系統、汽化冷卻及煙氣凈化系統、煤氣回收系統、一二次除塵系統和凈濁環(huán)水處理系統。上位監控軟件Server-Client 結構，利用Server-Client網(wǎng)絡(luò )軟件的特點(diǎn)，實(shí)現各上位監控機之間相互切換、互為備用，達到遠程訪(fǎng)問(wèn)、監控、操作、調節、診斷的目的。

    (4)  系統通訊

    Quantum系列PLC 具有多種協(xié)議的通訊方式，主要有：Modbus TCP/IP、Modbus Plus、Modbus，本系統中充分利用了其強有力的通訊能力。

    ?  Modbus TCP/IP通訊

    在光纖冗余環(huán)形以太網(wǎng)上，每個(gè)PLC單元及上位監控機都被分配獨一無(wú)二的IP地址，PLC的CPU通過(guò)本站的NOE通訊模板，利用CONCEPT編程軟件下的I/O SCANNER或TCP/IP讀寫(xiě)功能塊設置IP地址及傳輸的寄存器地址，經(jīng)過(guò)交換機在以太網(wǎng)上發(fā)送、接收信息，上位監控機通過(guò)以太網(wǎng)卡經(jīng)過(guò)交換機在以太網(wǎng)上發(fā)送、接收信息。

    ?  Modbus Plus通訊

    Momentum 是施耐德公司開(kāi)發(fā)的一種高度靈活、性能穩定、高可靠性的分布式I/O系統，并具有Modbus TCP/IP、Modbus Plus等通訊能力。它的使用給解決現場(chǎng)控制站到中央控制站長(cháng)距離傳輸問(wèn)題帶來(lái)了極大的方便。在本系統中，上料、投料PLC中采用了Momentum系列，通過(guò)Modbus Plus網(wǎng)絡(luò )連接，實(shí)現遠距離I/O信號的采集。

    (5)  系統軟件配置及功能

    ?  編程軟件

    采用施耐德公司CONCEPT 2.5編程軟件，運用梯形邏輯（LD）及控制功能塊（FBD）相結合的編程方式實(shí)現對現場(chǎng)設備進(jìn)行過(guò)程監控、檢測、調節、操作。

    ?  監控軟件

    采用施耐德公司Monitor Pro V7 上位監控軟件Server-Client，服務(wù)器及客戶(hù)機運行在WINDOWS2000平臺上，Monitor Pro V7建立在多層次體系結構上，綜合了三種不同的功能：數據存儲功能、數據處理功能、用戶(hù)接口功能。

3.2  過(guò)程自動(dòng)化系統（L2）

    過(guò)程控制系統是工藝生產(chǎn)的關(guān)鍵，該工程L2主要包括：120t轉爐、化驗室、LF/VD精煉、連鑄機，其主要任務(wù)是：各工藝過(guò)程的生產(chǎn)數據采集，數據分析，操作數據設定和打印報表等。

    濟鋼三煉鋼L2系統網(wǎng)絡(luò )結構圖如圖2所示。

圖2  濟鋼三煉鋼L2系統網(wǎng)絡(luò )結構圖

4  系統安全性

    “透明工廠(chǎng)”的核心是通信網(wǎng)絡(luò )，其網(wǎng)絡(luò )技術(shù)是完全開(kāi)放的，網(wǎng)絡(luò )的安全直接決定了系統的安全運行。在該工程中，由于系統網(wǎng)絡(luò )龐大、復雜，為保證其安全、穩定運行，在OPC Server 終端上開(kāi)發(fā)了網(wǎng)絡(luò )故障診斷功能，實(shí)時(shí)檢測網(wǎng)絡(luò )系統故障，如：數據庫故障、ODBC故障、EDI故障等。

    為保證網(wǎng)絡(luò )安全，拒絕非法用戶(hù)登錄和破壞，系統設置了嚴格的授權，網(wǎng)絡(luò )的訪(fǎng)問(wèn)必須由用戶(hù)進(jìn)行身份確認，通過(guò)口令控制賦予不同用戶(hù)不同的權利。另外，系統中還安裝了防火墻軟件和諾頓高效企業(yè)版殺毒軟件，以防范計算機病毒的侵犯。

5  結語(yǔ)

    “透明工廠(chǎng)”在濟鋼新煉鋼工程的應用取得成功，符合當今計算機控制技術(shù)的發(fā)展潮流，具有先進(jìn)性、可靠性、可維護性，便于系統擴展，提高了自動(dòng)化控制水平，減少了設備故障率及維護量，取得了較好的經(jīng)濟效益及社會(huì )效益。