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活動(dòng)鏈接：2012年控制網(wǎng)技術(shù)專題---控制系統(tǒng)新時(shí)代
摘要：文章介紹了如何把一個(gè)舊控制系統(tǒng)改造為新系統(tǒng)的構(gòu)建思路及實(shí)現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞：DCS；梯型邏輯；改造方案如何利用一個(gè)主流控制系統(tǒng)的特點(diǎn)并和現(xiàn)場工藝特性相結(jié)合，尤其是在一個(gè)具有配置缺陷的舊系統(tǒng)實(shí)施技術(shù)改造是本文探討的核心所在。
1 控制系統(tǒng)改造的必要性
二燒主工藝控制系統(tǒng)是1994年與美國霍尼韋爾公司簽定的技術(shù)協(xié)議，2001投入生產(chǎn)的TDC-3000集散控制系統(tǒng)，運(yùn)行到目前問題較大，主要是技術(shù)落后，備件停產(chǎn)，設(shè)備老化嚴(yán)重，現(xiàn)場設(shè)備維護(hù)困難，從09年開始屢次出現(xiàn)通訊中斷，操作站掉站，控制器反應(yīng)緩慢，歷史模件記錄缺失等控制系統(tǒng)末期癥狀，已經(jīng)造成燒結(jié)機(jī)停機(jī)3~4次，系統(tǒng)迫切需要進(jìn)行系統(tǒng)升級改造。
2 新建控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的構(gòu)建
改造方案的總體思路是用西門子新系統(tǒng)的控制器，網(wǎng)絡(luò)及操作站替換舊系統(tǒng)。需提前進(jìn)行工藝結(jié)合、程序和工藝畫面的編制，并開展模擬調(diào)試，現(xiàn)場用三天時(shí)間進(jìn)行舊柜拆除，I/O接線、打點(diǎn)、調(diào)試及投產(chǎn)，此方案是把老化掉的舊系統(tǒng)徹底更新，需要變動(dòng)模塊接線和重新編制控制程序，現(xiàn)場過渡工作較艱巨。
在原霍尼韋爾公司TDC-3000集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，電控和儀控是分開的，即分電控柜（LM）和儀控柜（APM/HPM）。而現(xiàn)在西門子PCS7系統(tǒng)為三電一體化的模式，所以老系統(tǒng)在控制邏輯上會(huì)在LM和PM間有大量通訊數(shù)據(jù)，增加了光纜通訊負(fù)荷和系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。而且老系統(tǒng)在控制柜分配上也不盡合理，如圖1所示，二燒工藝上有兩套燒結(jié)機(jī)，兩套配料系統(tǒng)，即一期燒結(jié)配料，二期燒結(jié)配料和二者的公共部分，控制系統(tǒng)應(yīng)按工藝關(guān)系配置控制設(shè)備，而老系統(tǒng)卻是配料一個(gè)系統(tǒng)，燒結(jié)一個(gè)系統(tǒng)，比如要完成一期燒混的生產(chǎn)需要LM35/APM31/APM2/LM25的共同作用，要完成二期燒混的生產(chǎn)需要LM37/HPM33/HPM2/LM25的共同作用，兩者的公共部分也在配料系統(tǒng)中，造成在控制邏輯中需要大量通訊數(shù)據(jù)的傳遞，增加系統(tǒng)負(fù)擔(dān)和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。考慮上述問題，我們在規(guī)劃新系統(tǒng)時(shí)就按照工藝關(guān)系配置控制設(shè)備，形成一期燒冷配混，二期燒冷配混及二者的公共部分篩分整粒/原料及成品運(yùn)輸系統(tǒng)。如圖2所示，一期燒結(jié)控制器CPU下面帶了四個(gè)遠(yuǎn)程站，涵蓋一期燒冷配混的控制點(diǎn)，同樣二期燒結(jié)控制器CPU下面亦帶了四個(gè)遠(yuǎn)程站，涵蓋二期燒冷配混的控制點(diǎn)，而一二期的工藝的公共部分則由圖中的公共控制器CPU承擔(dān)，范圍是整粒/原料及成品運(yùn)輸系統(tǒng)，這樣的話當(dāng)一期燒結(jié)控制器及其網(wǎng)絡(luò)出問題的話不會(huì)影響二期燒結(jié)機(jī)的生產(chǎn)，反之亦然。這三對控制器通過交換機(jī)連在一個(gè)冗余以太環(huán)網(wǎng)內(nèi)，構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的通訊結(jié)構(gòu)；同時(shí)公共控制器通過環(huán)網(wǎng)外的一個(gè)外延式以太網(wǎng)連接到供料區(qū)的物流中心控制器及運(yùn)輸車間的成品控制器，打通了整個(gè)燒結(jié)工藝的來料和去料路徑的通訊連鎖關(guān)系，整個(gè)配置方案具有區(qū)域明晰，主次分明，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特點(diǎn)，為將來二燒結(jié)車間控制系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
圖1 二燒原系統(tǒng)HONEYWELL TDC-3000拓?fù)鋱D
圖2 二燒新系統(tǒng)SIEMENS PCS7拓?fù)鋱D
3 新建控制系統(tǒng)程序編制
因?yàn)檫@次技術(shù)升級改造的目的系統(tǒng)為西門子PCS7 400系列的系統(tǒng)，所以根據(jù)西門子系統(tǒng)組態(tài)的特點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)控制軟件的形成一般需經(jīng)過以下步驟：
⑴ 硬件組態(tài)
在新系統(tǒng)硬件構(gòu)建時(shí)， 根據(jù)工藝區(qū)域我們已經(jīng)配置了3對冗余控制器：一期燒冷配混控制器，二期燒冷配混控制器及公共部分控制器，同時(shí)為I/O接線配置了本地柜和遠(yuǎn)程柜，在二燒結(jié)車間工藝的上游有物流中心控制器和下游的運(yùn)輸車間成品控制器，所有這些硬件的體系結(jié)構(gòu)都需要在組態(tài)的控制項(xiàng)目中得到體現(xiàn)。如圖3所示，在項(xiàng)目組態(tài)軟件中，“燒結(jié)265PCS7”的項(xiàng)目名下組態(tài)了四個(gè)控制器，分別是成品控制器CP、公共控制器PUBLIC、一期燒冷控制器SINTER-1及二期燒冷控制器SINTER-2；還有四個(gè)工程師站，即左邊樹形結(jié)構(gòu)中的ES1/ES2/ES3/ES4；三個(gè)配料操作站，即PL-OS1/PL-OS2/PL-OS3；四個(gè)燒結(jié)操作站，即左邊樹形結(jié)構(gòu)中的SJOS1/SJ-OS2/SJ-OS3/SJ-OS4。在打開的右邊的詳目中，可以看到有關(guān)公共控制器PUBLIC內(nèi)組態(tài)的控制程序塊。而在圖4中，我們也可以看到一期燒冷控制器SINTER-1的硬件組態(tài)情況，在其中組態(tài)有兩個(gè)冗余的控制器，兩條冗余的PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，共同連接著9個(gè)ET200模塊機(jī)架，在這種控制器及過程網(wǎng)均冗余的情況下，模塊的輸入/輸出與控制器的連接及對現(xiàn)場的控制得到了極大的保證。
圖3 二燒新系統(tǒng)SIEMENS PCS7組態(tài)圖
圖4 二燒新系統(tǒng)硬件組態(tài)圖
⑵ 通訊設(shè)置
在燒結(jié)區(qū)域的這3對冗余控制器之間及燒結(jié)車間與上游物流下游成品運(yùn)輸中，肯定有大量的工藝連鎖關(guān)系，這就需要建立控制器之間的各種通訊連鎖關(guān)系，拿到STEP 7的組態(tài)中叫AS-AS之間的通訊，一二期燒冷配混控制器之間的通訊連鎖、一二期燒冷配混控制器與公共控制器之間的通訊連鎖、公共控制器與上游物流下游成品運(yùn)輸控制器之間的通訊連鎖等，這些具體的通訊點(diǎn)及軟件配置都需要給予考慮。如圖5所示。
圖5 二燒新系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊組態(tài)圖
在圖中，可以看到，公共控制器與其它四個(gè)控制器存在的通訊關(guān)系，它們分別是一期燒冷配混控制器SINTER-1、二期燒冷配混控制器SINTER-2、成品運(yùn)輸控制器CP及物流控制器WL,然后有與四個(gè)工程師站和七個(gè)操作員站的AS-OS之間的通訊關(guān)系，整個(gè)上位機(jī)與控制器間數(shù)據(jù)的上行下達(dá)和控制器間的溝通協(xié)調(diào)關(guān)系在圖5的組態(tài)中一覽無遺 。
那么具體的控制器到控制器AS-AS的通訊是如何實(shí)現(xiàn)的呢？在此以一期燒冷配混控制器SINTER-1和二期燒冷配混控制器SINTER-2之間的連鎖通訊的例子來說明一下。在STEP 7組態(tài)中，我們調(diào)用一對通訊功能塊SFB12/SFB13來實(shí)現(xiàn)SINTER-1與SINTER-2之間的發(fā)收關(guān)系，如圖6、7所示：在圖6中邏輯圖中有發(fā)送塊SFB12，圖7中有接收塊SFB13，它們組成了一期燒結(jié)發(fā)給二期燒結(jié)的發(fā)送和接收的組合，在功能塊引腳R_ID的相同的數(shù)字DW#16#17說明這一對SFB12/SFB13是對應(yīng)的發(fā)送和接收的組合，它們均用DB20數(shù)據(jù)塊作為數(shù)據(jù)容器；同理圖6中的接收塊SFB13和圖7中的發(fā)送塊SFB12組成了一期燒結(jié)接收二期燒結(jié)的接收和發(fā)送組合，而其引腳R_ID的相同的數(shù)字DW#16#71說明它們是一對接收和發(fā)送的組合，它們均用DB21數(shù)據(jù)塊作為數(shù)據(jù)容器，這兩對收發(fā)功能塊就完成了一二期燒結(jié)控制器間數(shù)據(jù)的雙向傳遞。
圖6 二燒STEP 7 SINTER-1通訊塊組態(tài)圖
至于DB數(shù)據(jù)容器內(nèi)的內(nèi)容取決于工藝上各個(gè)控制器間需要傳遞的連鎖信號，如物流與公共控制器間最關(guān)鍵的連鎖信號就是公共控制器端發(fā)給物流的SZ1-1/SZ1-2的自動(dòng)運(yùn)行信號，在正常生產(chǎn)的自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，一旦失去SZ1-1/SZ1-2的自動(dòng)運(yùn)行信號，物流相應(yīng)輸送線應(yīng)立即連鎖停車。再如篩分整粒系統(tǒng)的啟動(dòng)是3個(gè)控制器控制的各工藝區(qū)域系統(tǒng)合作協(xié)調(diào)的結(jié)果，具體來講就是篩分整粒系統(tǒng)的啟動(dòng)、急停順停等是在燒結(jié)，這樣的話就表明令從一家出，指令流是從SINTER-1/SINTER-2發(fā)往公共PUBLIC和成品CP的，而成品CP的允許及設(shè)備反饋信號流和公共PUBLIC設(shè)備反饋信號流是回到燒結(jié)SINTER-1/SINTER-2，其它家做到令行禁止，共同配合完成整個(gè)工藝的運(yùn)行控制。
圖7 二燒STEP 7 SINTER-2通訊塊組態(tài)圖
⑶ 邏輯編程
在燒結(jié)生產(chǎn)流程中，首先應(yīng)有原燃料的輸送、處理、配料、混合加水，燒結(jié)冷卻、篩分整粒、成品輸送等環(huán)節(jié)，圖8所示是燒結(jié)工藝的一個(gè)局部，即原燃料的輸送、儲(chǔ)存和成品的輸送環(huán)節(jié)。在燒結(jié)工藝的整個(gè)流程中，共劃分成12個(gè)子系統(tǒng)，它們分別是：
A系統(tǒng)：精礦運(yùn)輸
B系統(tǒng)：熔燃運(yùn)輸
C系統(tǒng)：燃料處理
D系統(tǒng)：熔劑處理
E系統(tǒng)：一期配混
F系統(tǒng)：二期配混
G系統(tǒng)：一期燒冷
H系統(tǒng)：二期燒冷
I系統(tǒng)：一期篩分整粒
J系統(tǒng)：二期篩分整粒
K系統(tǒng)：一期運(yùn)灰
L系統(tǒng)：二期運(yùn)灰
針對這種情況可以把一個(gè)子系統(tǒng)編程為一個(gè)控制功能塊FC，如圖3中，可以看到在公共控制器PUBLIC中，有許多已編好的控制功能塊，其中FC1是D系統(tǒng)熔劑處理功能塊，F(xiàn)C2是C系統(tǒng)燃料處理功能塊，F(xiàn)C3是IJ系統(tǒng)篩分整粒，F(xiàn)C4 是A系統(tǒng)精礦運(yùn)輸，F(xiàn)C5是B系統(tǒng)熔燃運(yùn)輸；在一期燒冷配混控制器SINTER-1中，有FC1一期燒結(jié)整粒I系統(tǒng)控制塊，F(xiàn)C2一期燒結(jié)配混E系統(tǒng)控制塊，F(xiàn)C3一期燒結(jié)燒冷G系統(tǒng)控制塊，F(xiàn)C4一期燒結(jié)運(yùn)灰K系統(tǒng)控制塊；在二期燒冷配混控制器SINTER-2中，有FC1二期燒結(jié)整粒J系統(tǒng)控制塊，F(xiàn)C2二期燒結(jié)配混F系統(tǒng)控制塊，F(xiàn)C3二期燒結(jié)燒冷H系統(tǒng)控制塊，F(xiàn)C4二期燒結(jié)運(yùn)灰L系統(tǒng)控制塊；所有這些控制塊及通訊塊，組成了燒結(jié)工藝的邏輯連鎖控制。
在燒結(jié)控制系統(tǒng)中，邏輯控制占70%多的量，主要是膠帶機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)、順序停車及緊急停車，一般按組成一個(gè)子工藝系統(tǒng)的膠帶機(jī)組的逆啟順停方式進(jìn)行控制，當(dāng)然在啟動(dòng)前會(huì)有一些選線，選設(shè)備，翻板極限到位等條件的具備操作，在運(yùn)行過程中，邏輯控制也擔(dān)負(fù)某個(gè)子工藝系統(tǒng)個(gè)別設(shè)備的啟停、反向和某兩個(gè)工藝線的在線切換操作，同時(shí)邏輯中也包含對設(shè)備的一系列保護(hù)停車動(dòng)作，如膠帶機(jī)的拉繩、跑偏、堵料、撕裂、熱繼電器過熱、電機(jī)過流、行走超極限等，對高壓電機(jī)還有一次性啟動(dòng)保護(hù)和限時(shí)間間隔啟動(dòng)功能。下面通過圖9的STEP 7梯形邏輯圖來具體分析一下圖8中SZ1-3的控制策略。
圖8 二燒原料及成品輸送工藝流程圖
圖9是一個(gè)典型的梯形圖控制邏輯，一個(gè)設(shè)備的最終輸出邏輯取決于其前面的節(jié)點(diǎn)，即各種開點(diǎn)、閉點(diǎn)的與或非情況，基本結(jié)構(gòu)為啟動(dòng)環(huán)節(jié)、自保環(huán)節(jié)、條件環(huán)節(jié)和停止環(huán)節(jié)，在這個(gè)形式中，我們可以看到，SZ1-3的輸出邏輯Z1Z3 ZJ就是控制系統(tǒng)輸出模塊的一個(gè)輸出點(diǎn)，它在啟動(dòng)環(huán)節(jié)中有四個(gè)系統(tǒng)可以啟動(dòng)它，分別是精礦運(yùn)輸系統(tǒng)A系統(tǒng)啟動(dòng)信號A-START2-RX、熔燃運(yùn)輸B系統(tǒng)啟動(dòng)信號B-START2-RX、雜礦運(yùn)輸啟動(dòng)信號ZK1-START1/ZK2START1和新熔劑線系統(tǒng)R-START1-RX，因啟動(dòng)環(huán)節(jié)為持續(xù)10多秒的暫態(tài)，所以需要其設(shè)備運(yùn)行反饋與繼電器輸出串聯(lián)起來并與啟動(dòng)環(huán)節(jié)并聯(lián)的自保環(huán)節(jié)，在條件環(huán)節(jié)中分別通過其小車所在的不同極限位和此皮帶下料的接料皮帶運(yùn)行情況決定其運(yùn)輸?shù)牧戏N到達(dá)配料槽上、熔劑燃料庫還是高爐雜礦槽，其停止環(huán)節(jié)即為圖中不同系統(tǒng)的順停急停閉點(diǎn)。
圖9 二燒邏輯控制梯形圖
⑷ 仿真調(diào)試
通過STEP 7中安裝的仿真器Simulator，把控制邏輯下裝到它內(nèi)部，并設(shè)置邏輯中各種節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，就可驗(yàn)證梯形邏輯的正確性、靈活性和安全性，同時(shí)也可以調(diào)WINCC畫面操作與仿真器控制邏輯之間的互動(dòng)，具體細(xì)節(jié)就不在此詳述了。
4 新建控制系統(tǒng)現(xiàn)場過渡
因高爐生產(chǎn)的連續(xù)性和恢復(fù)爐況的要求，燒結(jié)控制系統(tǒng)過渡只有3天，為此我們制定了詳細(xì)的施工過渡網(wǎng)絡(luò)圖，對每一小時(shí)的工作內(nèi)容和人員力量都有安排，對何時(shí)停電、多少時(shí)間拆卸舊系統(tǒng)，新系統(tǒng)接線、打點(diǎn)、調(diào)試運(yùn)行都作出部署，以確保改造工程進(jìn)度，這一項(xiàng)目在2011年5月按計(jì)劃得到了順利實(shí)施。
參考文獻(xiàn)：
[1]高金源. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2001.
[2]何衍慶, 戴自祥, 俞金壽. 可編程序控制器原理及應(yīng)用技巧[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 1998.
肖騰洲（1965-）男，高級工程師，1988年畢業(yè)于東北大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)，現(xiàn)就職于本鋼煉鐵廠，從事工廠DCS/PLC工程與維護(hù)工作。
摘自《自動(dòng)化博覽》2012年第一期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號