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    （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品與技術在寧波鋼鐵五豐塘焦化廠全廠控制及信息系統整合中的應用。全廠由7家設計院分別承擔設計的24個控制子系統（包括DCS及PLC系統）統一采用羅克韋爾公司的Logix控制器平臺產品以及NetLinx開放的網絡平臺， 通過羅克韋爾公司先進的基于SOA（面向服務）架構的FactoryTalk軟件平臺實現所有子系統的無縫集成，以及全廠集中監控、實時過程模型、生產實績KPI分析、能源管理、環保監控、物料在線管理等功能。

    關鍵詞：制造融合；Logix；NetLinx；FactoryTalk；SOA面向服務架構

    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

    融合創造財富，是新經濟的一個根本命題。十年來技術融合、產業融合、商務協同及經濟一體化的實踐，充分印證了“融合創造財富”這一論斷。在信息化浪潮席卷全球和全球經濟一體化的今天，市場的競爭更加激烈，利用先進的信息技術建立企業生產信息數據倉庫和一體化管理，實現企業的制造融合是企業獲得競爭優勢的必要手段。

    寧鋼五豐塘焦化工程的設計總規模為年產焦炭220萬t，一次設計，分期實施。目前建成投產的一期工程年產焦炭110萬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。全廠控制系統采用了羅克韋爾公司的制造融合產品與技術來實現各個基礎控制級系統的整合，并實現與廠級管理控制系統、廠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

   五豐塘焦化廠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，是主廠區焦化因環保原因拆除而異地重建的焦化廠。由于對五豐塘焦化廠環保設施的特殊要求，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儲煤方式；由于距離主廠區較遠，沿海堤設置了兩條長達4.3公里的管狀皮帶機分別用于主廠區與焦化廠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

    五豐塘焦化廠具有料線超長、工藝復雜、控制復雜的特點，而控制系統的特點有：

    （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，根據不同的生產工段、管理要求，控制系統的數量多達24個。

    （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，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，必須對各個控制系統進行整合，整合的目的就是在控制系統層面上實現硬件、軟件的統一，生產管理層面上實現集中管理、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、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配煤裝置專用成套系統；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。可見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，如果不進行整合，勢必會產生相互獨立的信息孤島，工藝控制不能協調進行，生產不能統一調度管控。其他區域也存在類似的問題。

    另外，焦化廠不但具有冶金的特點，還具有化工的性質。按照常規設計，控制系統的選型不但有PLC系統，還有DCS系統。原主廠區的焦化控制系統即存在這種問題，造成了通訊的困難，人為形成了一個個信息孤島。即便能夠通訊，也造成了網絡系統的復雜和無序管理。頻繁發生控制系統和網絡系統的癱瘓，嚴重影響了生產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，汲取了過去主廠區焦化廠控制系統在選型和應用中的經驗教訓，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；網絡通訊采用NetLinx開放的網絡平臺，可實現數據在整個架構內無縫的路由；軟件上采用了基于FactoryTalk 服務平臺SOA（面向服務）的C/S架構軟件平臺。

    采用NetLinx羅克韋爾自動化開放式網絡架構，能夠很容易實現各系統的無縫通訊和無縫集成的解決方案。NetLinx 采用通用的應用層協議（ Application Layer）： 控制與信息協議（ Control and Information Protocol，CIP）, CIP 是基于 NetLinx 架構的核心網絡 (DeviceNet, ControlNet, EtherNet/IP) 的通用通訊協議，將多種應用的網絡完全集成，變成一個系統。根據備煤系統和篩焦系統料線超長的特點，采用了DeviceNet設備網圖爾克現場總線運程I/O方式，具有低安裝費用、安裝速度快以及增強的技術訪問能力的特點，從而可以減少和消除昂貴的停機時間。控制層網絡全部采用了ControlNet網絡，ControlNet網絡是高速 (5 Mbps)確定性實時控制和擴展 I/O 網絡，具有生產者/消費者網絡模式（Producer/consumer Model）：支持多主（ Multi-master），多點傳送（ Multicast）輸入以及端到端（Peer-to-peer）通訊。信息監控層網絡全部采用了EtherNet/IP網絡，EtherNet/IP網絡以標準以太網技術為基礎，是真正的開放工業以太網產品。透過EtherNet/IP網絡，SE軟件不但能通過RSLinx Enterprice很容易實現與分布的ControlLogix控制子系統進行通訊，而且也可添加OPC Server，很方便地通過以太網與第三方控制系統進行通訊。

    利用Logix控制平臺的網絡化智能通訊背板，可實現三層網絡的無縫路由，在RSLinx Classic軟件中任意一點接入，即可對所有三種網絡設備進行網絡化組態和維護。RSLinx軟件的功能有編程軟件的連接、建立并組態通訊驅動、瀏覽網絡和節點、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、優化的數據采集等。

    當然，由于網絡節點的限制，需要對網絡進行預先規劃和組態，這就需要專用的網絡組態工具軟件，即RSNetWorx for ControlNet、RSNetWorx for DeviceNet、RSNetWorx for EtherNet。ControlNet和DeviceNet必須進行網絡配置和組態，否則系統是不能實現確定性通訊的。

    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。覆蓋過程控制、順序控制、傳動控制以及伺服控制的所有控制指令，并可按用戶習慣的編程方式進行編程，其中過程控制功能完全滿足焦化廠DCS控制功能的需要；完全標簽編程，用戶無需學習、也無需記憶和分配內存，這是其他PLC編程軟件所無法比擬的；RSLogix 5000為控制對象自動創建數據結構；面向對象編程，并采用了任務、程序、例程的層級編程方式。

                  
                               圖2 網絡拓撲圖 

    4 信息與控制系統融合集成解決方案

    4.1 EtherNet/IP網絡方案

    EtherNet/IP網絡系統拓撲見圖2，根據現場的實際情況及有利于發揮網絡拓撲結構的優點，并克服相應的局限的特點，五豐塘網絡拓撲結構的選擇為混合型拓撲結構，考慮到工業系統冗余網絡的重要性，那么，整合后的網絡以環型網絡為主，部分重要性稍次的子系統采用星型連接直接接入環網節點上的交換機。

    貫穿全廠的網絡采用了赫斯曼三層工業交換機作為整個網絡的核心交換機。采用赫斯曼工業級二層網管型交換機作為各個子系統的節點交換機。

    為了便于管理，并提高網絡的效率和安全性，除了網絡的物理設計外，還需要對網絡進行邏輯設計，即劃分虛擬網(Virtual LAN)。VLAN虛擬網技術是將網絡中的物理基礎設施與網絡的邏輯基礎設施相分離，使得網管人員能方便而動態地建立和重構虛擬網絡，以適應部門機構的協作與變動，方便網絡管理，降低管理的成本。

    對于一個大型的工業局域網絡來說，VLAN的劃分是非常重要的，它為限制全網范圍的廣播和多點廣播提供了有效的手段。在網絡設計中選擇切實可行的技術進行VLAN的靈活劃分，能夠跨越交換機劃分VLAN，通過路由協議高性能地實現VLAN之間的路由及網絡負載的均衡，并通過訪問控制列表技術提供基于VLAN的安全特性。比如在網絡層面控制子系統之間不能互相訪問。

    全廠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）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 服務平臺。SOA架構的特征是以服務或組件形式出現的業務邏輯可以被共享、重用和配置，被廣泛的應用于融合場合的軟件解決方案。羅克韋爾公司在業界最先采用了SOA架構作為軟件產品解決方案的主體架構，目前FactoryTalk軟件服務平臺支持的服務有：實時數據服務、系統資源目錄服務、操作審查服務、通用報警與事件服務、安全管理服務、系統診斷服務以及授權管理服務。通過FactoryTalk服務平臺可以無縫的集成HMI人機界面、Historian實時歷史數據庫、生產績效分析系統、過程模型系統、EMS能源管理系統以及MES生產執行制造系統。

    如圖2所示，備煤服務器、焦爐服務器、篩焦服務器、煤氣凈化服務器、干熄焦服務器等都安裝了FactoryTalk View SE的服務端軟件。FactoryTalk View SE服務端由HMI Server與Data Server組成。 Data Server承擔與底層相關子系統的控制器設備的通訊，與羅克韋爾公司的控制器產品通訊采用了RSLinx Enterprise軟件，該軟件可以實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，并且實時通訊效率也大大優于傳統的RSLinx Classic軟件。HMI Server由DISPLAY實時畫面服務、TAG HMI標簽數據庫服務、ALARM報警服務及TREND歷史趨勢服務組成。煤氣凈化系統、備煤系統、煉焦系統、篩焦系統、干熄焦系統等各個子系統的操作員站采用了FactoryTalk View SE 客戶端軟件，用于日常操作。

    超級服務器同樣安裝了FactoryTalk View SE的服務端軟件，超級服務器需要訪問所有的子系統的實時數據，超級服務器還安裝了FactoryTalk Historian SE產品。FactoryTalk Historian SE服務端將通過服務平臺的LIVE DATA實時數據服務從Data Server獲取實時數據用于長期的、海量的歷史數據的存儲。Historian 產品支持螺旋門數據壓縮算法，可以實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數據庫訪問接口，可以實現對海量歷史數據的高速SQL檢索，實現各種高級的實時歷史數據挖掘及分析。Historian服務為廠級能源管理系統、生產績效分析系統提供歷史數據服務。服務器還安裝了Factorytalk Vatagepoint軟件，該軟件是一個專業的基于B/S架構的數據挖掘分析軟件，通過Factorytalk服務平臺獲取實時或歷史數據，支持EXCEL報表的WEB發布功能，并自帶曲線、棒圖、餅圖、電子面板等各種豐富的圖形報表功能。與Historian集成，可以實現生產KPI關鍵指標管理分析、能源管理等各種高級應用。超級服務器同時還為過程計算機、生產績效分析系統、公司能源中心提供實時數據服務，大屏幕客戶機也從超級服務器獲取實時數據及畫面服務。

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

    5 結束語

    寧波鋼鐵五豐塘焦化廠的控制系統可以說是一個龐大的、復雜的、分布式的控制系統，通過采用NetLinx羅克韋爾自動化開放式網絡架構和基于FactoryTalk 服務平臺SOA（面向服務）的C/S架構軟件平臺，無論是ControlLogix還是第三方的專用控制系統，均實現了全廠控制系統的有機融合，針對超長料線、工藝復雜、控制復雜的生產工藝系統，很好地實現了生產的統一調度、協調管理、集中監控功能。實現了中控室的集中監視操作和控制，減少了操作人員，提高了生產管理水平和效率，從根本上消除了因控制系統及網絡問題造成的設備停機及生產中斷；控制系統及網絡管理維護簡單方便，焦化廠的自動化水平和信息技術水平產生了質的飛躍。自2009年11月23日投產以來，保證了生產的安全穩定運行。

    王增波(1970-)，男，河北柏鄉人，大專學歷，現任寧波鋼鐵有限公司焦化廠電儀高級工程師，負責全廠過程控制系統運行維護及儀表自動化專業技術管理工作。