（寧波鋼鐵有限公司，浙江 寧波 315807）王增波

    摘 要：文章主要闡述了羅克韋爾公司制造融合產(chǎn)品與技術(shù)在寧波鋼鐵五豐塘焦化廠(chǎng)全廠(chǎng)控制及信息系統整合中的應用。全廠(chǎng)由7家設計院分別承擔設計的24個(gè)控制子系統（包括DCS及PLC系統）統一采用羅克韋爾公司的Logix控制器平臺產(chǎn)品以及NetLinx開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò )平臺， 通過(guò)羅克韋爾公司先進(jìn)的基于SOA（面向服務(wù)）架構的FactoryTalk軟件平臺實(shí)現所有子系統的無(wú)縫集成，以及全廠(chǎng)集中監控、實(shí)時(shí)過(guò)程模型、生產(chǎn)實(shí)績(jì)KPI分析、能源管理、環(huán)保監控、物料在線(xiàn)管理等功能。

    關(guān)鍵詞：制造融合；Logix；NetLinx；FactoryTalk；SOA面向服務(wù)架構

    Abstract: This paper mainly discusses the application of Rockwell’s manufacturing convergence product and technology in integration of the factory-wide control and information systems of Wufengtang Coke Plant of Ningbo Steel Company. The 24 control subsystems (including DCS and PLC systems) respectively designed by 7 design institutes for the whole factory all adopt Rockwell’s Logix controller platform product and the NetLinx open network platform. With Rockwell’s advanced SOA (service oriented architecture) based FactoryTalk software platform, all subsystems are seamlessly integrated and various functions including factory-wide centralized monitoring and control, real time process modeling, production performance KPI analysis, energy management, environmental protection monitoring, and online materials management are made available.

    Key words: manufacturing convergence; Logix; NetLinx; FactoryTalk; service oriented architecture

    1 前言

    融合創(chuàng )造財富，是新經(jīng)濟的一個(gè)根本命題。十年來(lái)技術(shù)融合、產(chǎn)業(yè)融合、商務(wù)協(xié)同及經(jīng)濟一體化的實(shí)踐，充分印證了“融合創(chuàng )造財富”這一論斷。在信息化浪潮席卷全球和全球經(jīng)濟一體化的今天，市場(chǎng)的競爭更加激烈，利用先進(jìn)的信息技術(shù)建立企業(yè)生產(chǎn)信息數據倉庫和一體化管理，實(shí)現企業(yè)的制造融合是企業(yè)獲得競爭優(yōu)勢的必要手段。

    寧鋼五豐塘焦化工程的設計總規模為年產(chǎn)焦炭220萬(wàn)t，一次設計，分期實(shí)施。目前建成投產(chǎn)的一期工程年產(chǎn)焦炭110萬(wàn)t，包括2?55孔JN60-6型復熱式焦爐以及配套的1?140t/h干熄焦裝置，濕法熄焦系統為備用，以及焦爐裝煤出焦除塵地面站、備煤、篩焦、煤氣凈化及公輔設施等。全廠(chǎng)控制系統采用了羅克韋爾公司的制造融合產(chǎn)品與技術(shù)來(lái)實(shí)現各個(gè)基礎控制級系統的整合，并實(shí)現與廠(chǎng)級管理控制系統、廠(chǎng)級管理信息系統及公司級的管理信息系統的集成融合。

    2項目概述

    2.1 項目特點(diǎn)

   五豐塘焦化廠(chǎng)位于寧波鋼鐵有限公司東邊5公里之外的五豐塘地塊，與大榭島隔海相望，是主廠(chǎng)區焦化因環(huán)保原因拆除而異地重建的焦化廠(chǎng)。由于對五豐塘焦化廠(chǎng)環(huán)保設施的特殊要求，工藝上除塵設備多，廢水處理要求高，采用封閉式的圓形料場(chǎng)儲煤方式；由于距離主廠(chǎng)區較遠，沿海堤設置了兩條長(cháng)達4.3公里的管狀皮帶機分別用于主廠(chǎng)區與焦化廠(chǎng)之間的煉焦煤和焦炭等物料的往返連續輸送。工藝圖如圖1所示。
      
                      
                                     圖1 焦化工藝圖

    五豐塘焦化廠(chǎng)具有料線(xiàn)超長(cháng)、工藝復雜、控制復雜的特點(diǎn)，而控制系統的特點(diǎn)有：

    （1） 設計單位多，有7家設計院分別完成各自承擔的控制系統設計，各自獨立編制控制系統應用軟件。

    （2） 控制系統多，根據不同的生產(chǎn)工段、管理要求，控制系統的數量多達24個(gè)。

    （3） 系統交叉多，同一工藝流程由多家設計院設計和軟件編程。

    根據控制系統的這些特點(diǎn)，考慮到系統可操作性、可視性、可維護性以及管理成本等因素，避免各自獨立的控制系統形成信息孤島，必須對各個(gè)控制系統進(jìn)行整合，整合的目的就是在控制系統層面上實(shí)現硬件、軟件的統一，生產(chǎn)管理層面上實(shí)現集中管理、統一調度。

    2.2 工藝分區

    按工藝控制管理區域的不同，分成五個(gè)控制管理區域（如圖1所示）：

    （1） 備煤區域

    （2） 煉焦區域

    （3） 篩焦區域

    （4） 煤氣凈化區域

    （5） 干熄焦區域

    3 基礎控制子系統解決方案

    備煤區域由運煤管帶機、圓形料場(chǎng)、配煤槽、煤塔及皮帶輸送系統組成。其中運煤管帶機、圓形料場(chǎng)分別設置一套ControlLogix系統，華電總承包負責設計編程；配煤槽設置了一套南京三埃的自動(dòng)配煤裝置專(zhuān)用成套系統；煤塔及皮帶輸送系統設置一套ControlLogix系統，焦耐院負責設計編程?？梢?jiàn)僅僅備煤系統就有分布于不同位置的四套控制系統由三家單位設計編程，如果不進(jìn)行整合，勢必會(huì )產(chǎn)生相互獨立的信息孤島，工藝控制不能協(xié)調進(jìn)行，生產(chǎn)不能統一調度管控。其他區域也存在類(lèi)似的問(wèn)題。

    另外，焦化廠(chǎng)不但具有冶金的特點(diǎn)，還具有化工的性質(zhì)。按照常規設計，控制系統的選型不但有PLC系統，還有DCS系統。原主廠(chǎng)區的焦化控制系統即存在這種問(wèn)題，造成了通訊的困難，人為形成了一個(gè)個(gè)信息孤島。即便能夠通訊，也造成了網(wǎng)絡(luò )系統的復雜和無(wú)序管理。頻繁發(fā)生控制系統和網(wǎng)絡(luò )系統的癱瘓，嚴重影響了生產(chǎn)系統的安全穩定運行。

    基于以上原因，我們在五豐塘焦化工程中，汲取了過(guò)去主廠(chǎng)區焦化廠(chǎng)控制系統在選型和應用中的經(jīng)驗教訓，徹底摒棄傳統思維，全面引入了羅克韋爾的集成架構的融合理念。硬件上采用集合多種控制功能的Logix控制平臺；網(wǎng)絡(luò )通訊采用NetLinx開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò )平臺，可實(shí)現數據在整個(gè)架構內無(wú)縫的路由；軟件上采用了基于FactoryTalk 服務(wù)平臺SOA（面向服務(wù)）的C/S架構軟件平臺。

    采用NetLinx羅克韋爾自動(dòng)化開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò )架構，能夠很容易實(shí)現各系統的無(wú)縫通訊和無(wú)縫集成的解決方案。NetLinx 采用通用的應用層協(xié)議（ Application Layer）： 控制與信息協(xié)議（ Control and Information Protocol，CIP）, CIP 是基于 NetLinx 架構的核心網(wǎng)絡(luò ) (DeviceNet, ControlNet, EtherNet/IP) 的通用通訊協(xié)議，將多種應用的網(wǎng)絡(luò )完全集成，變成一個(gè)系統。根據備煤系統和篩焦系統料線(xiàn)超長(cháng)的特點(diǎn)，采用了DeviceNet設備網(wǎng)圖爾克現場(chǎng)總線(xiàn)運程I/O方式，具有低安裝費用、安裝速度快以及增強的技術(shù)訪(fǎng)問(wèn)能力的特點(diǎn)，從而可以減少和消除昂貴的停機時(shí)間?？刂茖泳W(wǎng)絡(luò )全部采用了ControlNet網(wǎng)絡(luò )，ControlNet網(wǎng)絡(luò )是高速 (5 Mbps)確定性實(shí)時(shí)控制和擴展 I/O 網(wǎng)絡(luò )，具有生產(chǎn)者/消費者網(wǎng)絡(luò )模式（Producer/consumer Model）：支持多主（ Multi-master），多點(diǎn)傳送（ Multicast）輸入以及端到端（Peer-to-peer）通訊。信息監控層網(wǎng)絡(luò )全部采用了EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò )，EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò )以標準以太網(wǎng)技術(shù)為基礎，是真正的開(kāi)放工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品。透過(guò)EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò )，SE軟件不但能通過(guò)RSLinx Enterprice很容易實(shí)現與分布的ControlLogix控制子系統進(jìn)行通訊，而且也可添加OPC Server，很方便地通過(guò)以太網(wǎng)與第三方控制系統進(jìn)行通訊。

    利用Logix控制平臺的網(wǎng)絡(luò )化智能通訊背板，可實(shí)現三層網(wǎng)絡(luò )的無(wú)縫路由，在RSLinx Classic軟件中任意一點(diǎn)接入，即可對所有三種網(wǎng)絡(luò )設備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )化組態(tài)和維護。RSLinx軟件的功能有編程軟件的連接、建立并組態(tài)通訊驅動(dòng)、瀏覽網(wǎng)絡(luò )和節點(diǎn)、數據采集等，其中數據采集包括直連的數據采集、OPC數據的采集、優(yōu)化的數據采集等。

    當然，由于網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的限制，需要對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行預先規劃和組態(tài)，這就需要專(zhuān)用的網(wǎng)絡(luò )組態(tài)工具軟件，即RSNetWorx for ControlNet、RSNetWorx for DeviceNet、RSNetWorx for EtherNet。ControlNet和DeviceNet必須進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )配置和組態(tài)，否則系統是不能實(shí)現確定性通訊的。

    Logix控制平臺采用統一的RSLogix 5000 編程軟件，完全支持 IEC 1131-3編程方式，包括：梯形圖（Ladder）、功能塊圖 (FBD)、結構化文本 (ST)、順控表 (SFC)等編程方式。覆蓋過(guò)程控制、順序控制、傳動(dòng)控制以及伺服控制的所有控制指令，并可按用戶(hù)習慣的編程方式進(jìn)行編程，其中過(guò)程控制功能完全滿(mǎn)足焦化廠(chǎng)DCS控制功能的需要；完全標簽編程，用戶(hù)無(wú)需學(xué)習、也無(wú)需記憶和分配內存，這是其他PLC編程軟件所無(wú)法比擬的；RSLogix 5000為控制對象自動(dòng)創(chuàng )建數據結構；面向對象編程，并采用了任務(wù)、程序、例程的層級編程方式。

                  
                               圖2 網(wǎng)絡(luò )拓撲圖 

    4 信息與控制系統融合集成解決方案

    4.1 EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò )方案

    EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò )系統拓撲見(jiàn)圖2，根據現場(chǎng)的實(shí)際情況及有利于發(fā)揮網(wǎng)絡(luò )拓撲結構的優(yōu)點(diǎn)，并克服相應的局限的特點(diǎn)，五豐塘網(wǎng)絡(luò )拓撲結構的選擇為混合型拓撲結構，考慮到工業(yè)系統冗余網(wǎng)絡(luò )的重要性，那么，整合后的網(wǎng)絡(luò )以環(huán)型網(wǎng)絡(luò )為主，部分重要性稍次的子系統采用星型連接直接接入環(huán)網(wǎng)節點(diǎn)上的交換機。

    貫穿全廠(chǎng)的網(wǎng)絡(luò )采用了赫斯曼三層工業(yè)交換機作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的核心交換機。采用赫斯曼工業(yè)級二層網(wǎng)管型交換機作為各個(gè)子系統的節點(diǎn)交換機。

    為了便于管理，并提高網(wǎng)絡(luò )的效率和安全性，除了網(wǎng)絡(luò )的物理設計外，還需要對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行邏輯設計，即劃分虛擬網(wǎng)(Virtual LAN)。VLAN虛擬網(wǎng)技術(shù)是將網(wǎng)絡(luò )中的物理基礎設施與網(wǎng)絡(luò )的邏輯基礎設施相分離，使得網(wǎng)管人員能方便而動(dòng)態(tài)地建立和重構虛擬網(wǎng)絡(luò )，以適應部門(mén)機構的協(xié)作與變動(dòng)，方便網(wǎng)絡(luò )管理，降低管理的成本。

    對于一個(gè)大型的工業(yè)局域網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)，VLAN的劃分是非常重要的，它為限制全網(wǎng)范圍的廣播和多點(diǎn)廣播提供了有效的手段。在網(wǎng)絡(luò )設計中選擇切實(shí)可行的技術(shù)進(jìn)行VLAN的靈活劃分，能夠跨越交換機劃分VLAN，通過(guò)路由協(xié)議高性能地實(shí)現VLAN之間的路由及網(wǎng)絡(luò )負載的均衡，并通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)控制列表技術(shù)提供基于VLAN的安全特性。比如在網(wǎng)絡(luò )層面控制子系統之間不能互相訪(fǎng)問(wèn)。

    全廠(chǎng)Vlan劃分按前述工藝分區及控制管理區域劃分。預留Vlan1作為本征Vlan，并用于交換機的管理。

    4.2 軟件解決方案

    系統采用基于SOA（面向服務(wù)）的C/S架構。同傳統的C/S架構不同，所有的C/S應用都將基于FactoryTalk 服務(wù)平臺。SOA架構的特征是以服務(wù)或組件形式出現的業(yè)務(wù)邏輯可以被共享、重用和配置，被廣泛的應用于融合場(chǎng)合的軟件解決方案。羅克韋爾公司在業(yè)界最先采用了SOA架構作為軟件產(chǎn)品解決方案的主體架構，目前FactoryTalk軟件服務(wù)平臺支持的服務(wù)有：實(shí)時(shí)數據服務(wù)、系統資源目錄服務(wù)、操作審查服務(wù)、通用報警與事件服務(wù)、安全管理服務(wù)、系統診斷服務(wù)以及授權管理服務(wù)。通過(guò)FactoryTalk服務(wù)平臺可以無(wú)縫的集成HMI人機界面、Historian實(shí)時(shí)歷史數據庫、生產(chǎn)績(jì)效分析系統、過(guò)程模型系統、EMS能源管理系統以及MES生產(chǎn)執行制造系統。

    如圖2所示，備煤服務(wù)器、焦爐服務(wù)器、篩焦服務(wù)器、煤氣凈化服務(wù)器、干熄焦服務(wù)器等都安裝了FactoryTalk View SE的服務(wù)端軟件。FactoryTalk View SE服務(wù)端由HMI Server與Data Server組成。 Data Server承擔與底層相關(guān)子系統的控制器設備的通訊，與羅克韋爾公司的控制器產(chǎn)品通訊采用了RSLinx Enterprise軟件，該軟件可以實(shí)現與控制器內標簽數據庫一體化集成，以及毫秒級的控制器內定義報警功能，并且實(shí)時(shí)通訊效率也大大優(yōu)于傳統的RSLinx Classic軟件。HMI Server由DISPLAY實(shí)時(shí)畫(huà)面服務(wù)、TAG HMI標簽數據庫服務(wù)、ALARM報警服務(wù)及TREND歷史趨勢服務(wù)組成。煤氣凈化系統、備煤系統、煉焦系統、篩焦系統、干熄焦系統等各個(gè)子系統的操作員站采用了FactoryTalk View SE 客戶(hù)端軟件，用于日常操作。

    超級服務(wù)器同樣安裝了FactoryTalk View SE的服務(wù)端軟件，超級服務(wù)器需要訪(fǎng)問(wèn)所有的子系統的實(shí)時(shí)數據，超級服務(wù)器還安裝了FactoryTalk Historian SE產(chǎn)品。FactoryTalk Historian SE服務(wù)端將通過(guò)服務(wù)平臺的LIVE DATA實(shí)時(shí)數據服務(wù)從Data Server獲取實(shí)時(shí)數據用于長(cháng)期的、海量的歷史數據的存儲。Historian 產(chǎn)品支持螺旋門(mén)數據壓縮算法，可以實(shí)現歷史數據在不失真前提的高度壓縮，并且支持OLE DB、ODBC等通用SQL數據庫訪(fǎng)問(wèn)接口，可以實(shí)現對海量歷史數據的高速SQL檢索，實(shí)現各種高級的實(shí)時(shí)歷史數據挖掘及分析。Historian服務(wù)為廠(chǎng)級能源管理系統、生產(chǎn)績(jì)效分析系統提供歷史數據服務(wù)。服務(wù)器還安裝了Factorytalk Vatagepoint軟件，該軟件是一個(gè)專(zhuān)業(yè)的基于B/S架構的數據挖掘分析軟件，通過(guò)Factorytalk服務(wù)平臺獲取實(shí)時(shí)或歷史數據，支持EXCEL報表的WEB發(fā)布功能，并自帶曲線(xiàn)、棒圖、餅圖、電子面板等各種豐富的圖形報表功能。與Historian集成，可以實(shí)現生產(chǎn)KPI關(guān)鍵指標管理分析、能源管理等各種高級應用。超級服務(wù)器同時(shí)還為過(guò)程計算機、生產(chǎn)績(jì)效分析系統、公司能源中心提供實(shí)時(shí)數據服務(wù)，大屏幕客戶(hù)機也從超級服務(wù)器獲取實(shí)時(shí)數據及畫(huà)面服務(wù)。

    工程師站安裝了FactoryTalk View Studio組態(tài)軟件，由于控制中心所有FactoryTalk View SE服務(wù)器及客戶(hù)端都基于統一的FactoryTalk服務(wù)平臺，共用統一的資源目錄管理服務(wù)，在工程師站上可以在線(xiàn)維護所有的FactoryTalk View SE應用子系統，實(shí)現了真正意義上的集中式的維護管理。

    5 結束語(yǔ)

    寧波鋼鐵五豐塘焦化廠(chǎng)的控制系統可以說(shuō)是一個(gè)龐大的、復雜的、分布式的控制系統，通過(guò)采用NetLinx羅克韋爾自動(dòng)化開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò )架構和基于FactoryTalk 服務(wù)平臺SOA（面向服務(wù)）的C/S架構軟件平臺，無(wú)論是ControlLogix還是第三方的專(zhuān)用控制系統，均實(shí)現了全廠(chǎng)控制系統的有機融合，針對超長(cháng)料線(xiàn)、工藝復雜、控制復雜的生產(chǎn)工藝系統，很好地實(shí)現了生產(chǎn)的統一調度、協(xié)調管理、集中監控功能。實(shí)現了中控室的集中監視操作和控制，減少了操作人員，提高了生產(chǎn)管理水平和效率，從根本上消除了因控制系統及網(wǎng)絡(luò )問(wèn)題造成的設備停機及生產(chǎn)中斷；控制系統及網(wǎng)絡(luò )管理維護簡(jiǎn)單方便，焦化廠(chǎng)的自動(dòng)化水平和信息技術(shù)水平產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。自2009年11月23日投產(chǎn)以來(lái)，保證了生產(chǎn)的安全穩定運行。

    王增波(1970-)，男，河北柏鄉人，大專(zhuān)學(xué)歷，現任寧波鋼鐵有限公司焦化廠(chǎng)電儀高級工程師，負責全廠(chǎng)過(guò)程控制系統運行維護及儀表自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)技術(shù)管理工作。