（中國電子工程設計院世源科技工程有限公司，北京 100855）李中原，張航科

    （羅克韋爾自動(dòng)化（中國）公司，北京 100005）徐建陸
                         
    李中原（1976-）男，內蒙古烏蘭浩特人，工程師，本科，現就職于中國電子工程設計院世源科技工程有限公司，主要研究方向為T(mén)FT-LCD工廠(chǎng)自動(dòng)化控制。

    摘要：本文以第6代TFT-LCD工廠(chǎng)FMCS的實(shí)施案例，初步介紹了羅克韋爾在先進(jìn)的TFT-LCD工廠(chǎng)中FMCS解決方案的應用，說(shuō)明集成架構在大型電子工廠(chǎng)廠(chǎng)務(wù)自動(dòng)化控制系統中的應用，及集成架構的優(yōu)勢，特點(diǎn)和創(chuàng )新性。

    關(guān)鍵詞：集成架構（Integrated Architecture）；FMCS；TFT-LCD

    Abstract: Based on a G6 TFT-LCD FMCS project, we introduce FMCS solution in large-scale TFT-LCD plant. Explain how to use Integrated Architecture(IA) in electrics manufacturing facilities, and what is the advantage and innovation of IAl.

    Key words: Integrated Architecture; Facility management control system; TFT-LCD

    1 項目背景

    本項目為國內首條第6代薄膜晶體管液晶顯示器件（TFTLCD）項目，包括了陣列、彩膜、成盒和模塊等生產(chǎn)工序。

    項目位于合肥新站綜合開(kāi)發(fā)試驗區，面積約40萬(wàn)平方米，總投資近2百億人民幣，將于2010年4季度正式投產(chǎn)，玻璃基板尺寸為1500mm x1850mm，主要用于37英寸及以下液晶電視機及21.6英寸及以下電腦用液晶顯示器。

    2 FMCS系統和集成構架簡(jiǎn)介

    FMCS——Facility Management Control System

    FMCS的基本功能包括：

    接受各個(gè)子系統的運轉資料、狀態(tài)、報警

    趨勢圖

    歷史資料

    遠程監控

    信息的管理和分享

    異常和故障的排除

    運轉模式的建立

    控制策略的修正

    FMCS監控的系統包括：

    空調系統

    潔凈室系統

    工藝冷卻水

    熱水系統

    冷凍水系統

    冷卻水系統

    工藝真空系統

    清掃真空系統

    壓縮空氣系統

    純水系統

    廢水處理系統

    大宗氣體系統

    特氣系統

    化學(xué)品供應系統

    廢氣處理系統等

    集成架構（Integrated Architecture）羅克韋爾的集成架構實(shí)現了傳統工業(yè)自動(dòng)化到電子制造（e-Manufacturing） 的飛躍，它具有如下特點(diǎn)：

    一個(gè)多重控制和信息的平臺。

    專(zhuān)為廣泛地應用而設計，靈活性盡量滿(mǎn)足系統要求。

    專(zhuān)重于良好的系統擴展性，易于使用和降低用戶(hù)成本。

    基于開(kāi)放的工業(yè)標準。

    大容量，高速數據處理速率，高速數據傳輸速度。

    它由四部分組成，如圖1所示。
                       
                                            圖1 集成架構的組成
    3 項目FMCS解決方案概述

    3.1 系統設計的出發(fā)點(diǎn)

    此TFT-LCD 6代線(xiàn)的生產(chǎn)工藝相當先進(jìn)，廠(chǎng)房的規模大(此系統需要連接的直接I/O點(diǎn)有11000點(diǎn)以上，通過(guò)OPC連接的子系統I/O點(diǎn)有23000點(diǎn)以上)。對生產(chǎn)環(huán)境要求愈加苛刻，為滿(mǎn)足生產(chǎn)的要求，保證生產(chǎn)所需的環(huán)境，提高產(chǎn)品的良率，廠(chǎng)務(wù)系統所提供的各項公共資源，如潔凈室的溫濕度（設計要求無(wú)塵室的溫度變化在±1℃，相對濕度的變化在±4%），廢氣排放系統的負壓，工藝冷卻水的出口壓力等各項參數的穩定度，被要求得極為嚴格，不允許任何異常事故發(fā)生（系統被要求全年無(wú)預警停機次數少于6次）。

    因此，廠(chǎng)務(wù)設備控制管理系統（FMCS）必須隨時(shí)調整系統輸出，以達到使用者的要求，并將系統狀況進(jìn)行集中監視，提升廠(chǎng)務(wù)工程師的異常事故處理能力及響應速度。

    此FMCS系統的要求總結為三點(diǎn)：大容量，高速率，可靠性。

    3.2 系統概述

    本項目的FMCS系統選用了羅克韋爾自動(dòng)化公司的產(chǎn)品，控制系統主要由ControlLogix控制系統的硬件平臺、ControlLogix Remote IO、PanelView Plus 觸摸屏、RSView SE監控軟件、RSLogix5000編程軟件以及RSLinx通訊軟件等構成，它既具備復雜模擬回路調節能力、友好的人機界面、綜合的操作監視、記錄、報警、信息管理功能及方便的工程軟件，又同時(shí)具有高速的邏輯、順序控制以及性能。

    本方案實(shí)施中共采用了10余套冗余的ControlLogix控制系統、多套Remote ControlLogix IO、冗余機架及I/O電源、冗余的控制網(wǎng)絡(luò )ControlNet、觸摸屏PanelView Plus；在FMCS 控制室內設置了2臺冗余的HMI服務(wù)器，1臺OPC服務(wù)器、2臺工程師站、20余臺操作員站、2臺打印機。

    全廠(chǎng)FMCS的架構如圖2所示。
                          
                                          圖2  系統架構示意
    全廠(chǎng)的監控系統設一個(gè)控制室?？刂剖覂仍O置全廠(chǎng)FMCS監控服務(wù)器、OPC服務(wù)器等，對全廠(chǎng)的空調等設備進(jìn)行監控，同時(shí)設置工程師站、操作員站及域控制器等。

    本系統選用的RSView SE監控軟是基于Micorsoft Windows XP/Vista和Windows2000操作系統的人機界面軟件。其集成的、可擴展的架構，使RSVi ew SE既能適應傳統的、單機HMI應用，又能適應大型分布式工業(yè)自動(dòng)化應用。RSView SE為操作員、工程師和管理者提供關(guān)鍵數據，隨時(shí)隨地將系統的數據提供給用戶(hù)。
                         
                                          圖3  HMI界面示意
    3.3 系統特點(diǎn)和創(chuàng )新性

    下文將從網(wǎng)絡(luò )設置、PLC控制器、冗余設置3方面對本項目中FMCS的解決方案的特點(diǎn)和創(chuàng )新性逐一進(jìn)行闡述。
                         
                                圖4  采用集成架構Netlink網(wǎng)絡(luò )平臺系統網(wǎng)絡(luò )
    3.3.1 網(wǎng)絡(luò )

    在本系統中，采用ControlNet（控制網(wǎng)）和EtherNet/IP作為一級控制系統的主干網(wǎng)。完成智能化地高速地實(shí)時(shí)控制，并共享數據和信息。包括：控制和監視設備的協(xié)調、操作員接口、遠程設備的組態(tài)、編程和故障處理。完全能夠滿(mǎn)足用戶(hù)提出的性能指標參數要求，保證了整個(gè)系統數據傳輸速率和系統的穩定可靠性。

    信息層：采用EtherNet/IP，主干網(wǎng)設計為環(huán)形拓撲結構，提高網(wǎng)絡(luò )的穩定可靠性和擴展性。網(wǎng)絡(luò )的傳輸速率設計為 1000Mbps，具體的站點(diǎn)分布見(jiàn)圖2。

    控制層：采用C o n t r o l N e t，主干網(wǎng)設計為雙線(xiàn)冗余，ControlNet的千米傳輸速率為5Mbps。

    此系統網(wǎng)絡(luò )采用集成架構Ne t L i n k網(wǎng)絡(luò )平臺，各種網(wǎng)絡(luò )（ControlNet、EtherNet/IP等）采用同一協(xié)議——CIP（通用工業(yè)協(xié)議），實(shí)現無(wú)縫集成，一網(wǎng)到底。

    CIP協(xié)議的應用，避免了在多種設備和網(wǎng)絡(luò )之間的網(wǎng)橋和網(wǎng)關(guān)的轉換和額外的編程工作，降低開(kāi)發(fā)和維護的成本，從前期的設計到目前的開(kāi)發(fā)編程的成本來(lái)計算，比傳統的編程開(kāi)發(fā)的操作成本降低了13%。

    EtherNet/IP達到1000Mbps，ControlNet 5Mbps，并在CIP這同一協(xié)議下減少數據協(xié)議轉換節點(diǎn)，所以大大提高數據在信息層和控制層的傳輸速度。本系統需要直接連接的I/O點(diǎn)有11000點(diǎn)，通過(guò)OPC連接的I/O點(diǎn)有23000點(diǎn)。根據實(shí)際運行狀況來(lái)看此網(wǎng)絡(luò )設計完全滿(mǎn)足其傳輸要求。

    EtherNet/IP的環(huán)形拓撲設計，ControlNet的冗余設計大大提高了網(wǎng)絡(luò )的穩定可靠性，它是保證降低系統無(wú)預警性停機次數的一個(gè)重要組成部分。

    3.3.2 PLC 控制器

    整個(gè)FMCS采用同一控制平臺——Logix控制平臺。此平臺采用了統一的編程環(huán)境，降低了備件成本，減少了培訓費用，提高了維護效率，減少了維護時(shí)間。采用高可靠性的設備可以保證生產(chǎn)的穩定運行，并提高全廠(chǎng)的自動(dòng)化程度。

    選用高性能的ControlLogix處理器具有如下特點(diǎn)和功能：

    CPU型號：1756-L63。

    處理器為雙核設計，分別負責通訊和邏輯、回路的處理，保證了系統通訊的實(shí)時(shí)性和處理能力的高效性。

    豐富的指令集：其中包括文件處理、順序器、診斷、移位寄存器、程序控制、運動(dòng)控制、傳動(dòng)控制、過(guò)程控制指令。

    強大的I/O處理能力：任意組合時(shí)最多可提供128000個(gè)I/O，最大4000個(gè)模擬量I/O。

    高速程序及數據處理能力：1KBOOL指令的執行時(shí)間僅需0.06毫秒。

    根據整廠(chǎng)設備的位置和實(shí)際需要連接的I/O點(diǎn)數，整個(gè)系統使用了10多套ControlLogix處理器，分布在全廠(chǎng)，保證每個(gè)信號能被快速采集，同時(shí)還要保證平衡每個(gè)ControlLogix處理器的負載，使其處于最佳數據處理效率下。

    控制器在FMCS實(shí)際使用中的優(yōu)越性：

    （1）高速程序及數據處理能力，強大的I/O處理能力，符合系統需求，特別是大量的I/O點(diǎn)數連接，和實(shí)時(shí)性要求。

    （2）系統中有大約800顆溫度、濕度、壓力等儀表信號需要通過(guò)PID運算，對系統中大量的閥門(mén)等設備進(jìn)行控制。L63控制器在PID運算上是有極大的優(yōu)勢。如圖5所示，與傳統的PLC&DCS相比運算效率大大提高。
                        
                              圖5  控制器通過(guò)PID運算對比圖
    （3）控制器中有模塊化的PID運算工具，PIDE 自動(dòng)整定和優(yōu)化功能，如圖6所示。
                      
                  
                             圖6  PIDE自動(dòng)整定和優(yōu)化功能   
     以一組新風(fēng)空調中露點(diǎn)溫度的控制回路PID運算為例：

    確定回路的自整定標簽。即是需要采樣的露點(diǎn)溫度PV和控制的冷盤(pán)管的閥門(mén)CVEU，直接插入數據即可。

    組態(tài)自整定參數。如SP回路設定值等。

    運行自整定模塊并且接受或修改新的值。

    此工具使P ID運算更加便捷，僅PID運算編程部分，使編程的人力成本比傳統編程方式降低35%，整個(gè)編程的效率大大提高。

    3.3.3 系統的冗余設計

    在本系統中所有控制系統均采用冗余的電源、冗余的控制網(wǎng)絡(luò )、冗余的控制器。通過(guò)硬件的冗余控制器，保證了系統的安全性、可靠性、易維護性。此外，上位機也采用冗余服務(wù)器，通過(guò)RSView SE實(shí)現冗余服務(wù)器雙機熱備，大大提高系統的不停擺運行時(shí)間。保證全年無(wú)預警停機次數少于6次。

    整個(gè)系統的冗余設計，主要由以下3部分組成（參見(jiàn)圖7）：
                        
                                         圖7  冗余設置
    ControlLogix控制系統核心部件的冗余設計，其無(wú)擾動(dòng)切換時(shí)間在60ms以?xún)取?br />
    控制網(wǎng)ControlNet的冗余設計。

    上位機服務(wù)器的冗余設計，根據實(shí)際的tag點(diǎn)的容量其無(wú)擾動(dòng)切換時(shí)間在200ms以?xún)取?br />
    （1）控制系統冗余特點(diǎn)

    ControlLogix控制系統冗余的設置非常簡(jiǎn)單：

    在RSLogix 5000軟件編程的第一步，只需簡(jiǎn)單的做一個(gè)勾選。如圖8、圖9所示。
                          
                                 圖8   ControlLogix控制系統冗余的設置（第1步）
                      
                                圖9   ControlLogix控制系統冗余的設置（第2步）
    除了在RSLogix 5000中可以進(jìn)行冗余設計和查看冗余信息外，在Rslink中，也可以對冗余模塊進(jìn)行冗余設定（如手動(dòng)切換）和冗余信息的查看。如圖10、圖11所示。
                   
                                    圖10  冗余設定
                    
                                    圖11  冗余信息查看
    ControlLogix冗余控制系統主要特性：

    采用標準的Logix5563控制器和ControlNet網(wǎng)橋。

    系統的冗余自動(dòng)完成，無(wú)需用戶(hù)編程。

    完全的無(wú)擾動(dòng)切換。

    處理器冗余工作時(shí)，主/從CPU自動(dòng)同步，主/從CPU的無(wú)擾切換時(shí)間<60ms，在1個(gè)程序掃描周期內完成切換。

    對任一通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接到冗余控制器機架的設備，切換是透明的。

    應用程序從主控制器裝入到從控制器的過(guò)程是透明的。

    （2）冗余控制網(wǎng)ControlNet

    控制網(wǎng)ControlNet的冗余配置，采用不同路徑的冗余網(wǎng)絡(luò )配置，ControlLogix同時(shí)偵聽(tīng)兩條網(wǎng)絡(luò )上的信息，而選擇其中信息質(zhì)量更好的網(wǎng)絡(luò )信息，極大地提高了網(wǎng)絡(luò )的可靠性，其具有以下特點(diǎn)：

    A網(wǎng)、B網(wǎng)同時(shí)傳送實(shí)時(shí)可靠的數據。

    當故障發(fā)生時(shí)，網(wǎng)絡(luò )可實(shí)現無(wú)擾動(dòng)、無(wú)滯后的自動(dòng)切換，同時(shí)產(chǎn)生診斷信息顯示通道故障。

    4 總結

    羅克韋爾自動(dòng)化的集成架構作為本項目的系統解決方案，其先進(jìn)的產(chǎn)品特性和開(kāi)放的技術(shù)使得控制系統的先進(jìn)、穩定和可靠得到了充分保證。筆者希望本工程能為類(lèi)似高世代TFT-LCD廠(chǎng)房FMCS的建設提供一定的借鑒。

    其他作者： 張航科，男，浙江東陽(yáng)人，工程師，本科，現就職于中國電子工程設計院世源科技工程有限公司，主要研究方向為T(mén)FT-LCD工廠(chǎng)設計。

    徐建陸，男，江蘇大豐人，工程師，本科，現就職于羅克韋爾自動(dòng)化（中國）公司，主要研究方向為半導體自動(dòng)化應用。

    摘自《自動(dòng)化博覽》2010年第九期