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★牟福善（中糧黃海糧油工業(yè)（山東）有限公司，山東日照276800）

摘要：油脂行業(yè)中榨油是傳統(tǒng)的流線型及過程型加工工藝，主要是將大豆經(jīng)過工藝加工后變成大豆油產(chǎn)品的過程，涉及脫皮、壓榨、軋胚、清理、過濾等工藝步驟。傳統(tǒng)控制方式采用兩個系統(tǒng)，它們又分別采用獨立PLC進行控制。在系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性、改造靈活性等方面都較欠缺。因此，需要從系統(tǒng)的角度，在高可靠性、冗余性、靈活性等方面進行改進。本文結(jié)合油脂廠自動化改造項目，分析研究了油脂企業(yè)的生產(chǎn)工藝流程以及涉及的工藝需求，并根據(jù)安全需求情況，分別對油脂企業(yè)榨油工藝中的各個子系統(tǒng)進行了介紹。

關(guān)鍵詞：冗余控制系統(tǒng)；冗余網(wǎng)絡(luò)

所謂民以食為天，糧食是人類賴以生存的必需品，是關(guān)系國計民生的特殊商品。糧油是對谷類、豆類等糧食和油料及其加工成品和半成品的統(tǒng)稱，也是人類主要食物的統(tǒng)稱。隨著資源約束日益加劇和人口不斷增長，以及工業(yè)化、城鎮(zhèn)化的快速推進，我國確保糧油產(chǎn)品供應(yīng)的壓力將長期存在。

工藝控制由結(jié)果控制向過程控制轉(zhuǎn)變，由控制指標向控制參數(shù)轉(zhuǎn)變，由人工控制向自動化控制科學(xué)決策轉(zhuǎn)變。保證糧油生產(chǎn)車間的連續(xù)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，不僅可以有效降低企業(yè)消耗成本，提高經(jīng)濟效益，還能夠為糧油企業(yè)的節(jié)能減排以及國家的經(jīng)濟發(fā)展保駕護航。

1　系統(tǒng)概述

榨油車間PLC系統(tǒng)目前使用GE智能平臺的Rx7i和9070系列控制產(chǎn)品。榨油浸出車間硬件包含一套PLC控制系統(tǒng)，CPU采用美國通用Rx7i系列，I/O模塊及分站采用90-70系列。將預(yù)榨和浸出兩個車間的CPU由獨立架構(gòu)調(diào)整為雙CPU冗余架構(gòu)，并通過冗余光纖進行數(shù)據(jù)同步和切換。

1.1　改造必要性

GERx7i和9070系列產(chǎn)品在1988年成功投放市場，2011年由于元器件的短缺及產(chǎn)品的更新?lián)Q代而正式進入停產(chǎn)狀態(tài)。這就意味著，相關(guān)Rx7i和9070產(chǎn)品在2011年已經(jīng)無法通過官方渠道訂貨，亦無法進行模塊維修等服務(wù)。

Rx7i系列CPU控制器與9070IO分站使用本地擴展和Genius的通訊協(xié)議。升級后的PAC3i控制系統(tǒng)，控制網(wǎng)絡(luò)的實時性更強，吞吐量更大，其最高傳輸速率可達100M甚至1G，遠遠高于現(xiàn)有的通訊速率。Profinet的環(huán)網(wǎng)冗余技術(shù)，可防止閉環(huán)冗余系統(tǒng)的單點失效，整個IO通訊的抗干擾能力也將大大增強，其網(wǎng)絡(luò)連接主要使用光纖或者屏蔽網(wǎng)線。

1.2　雙機熱備系統(tǒng)描述

雙機熱備控制系統(tǒng)為工業(yè)控制領(lǐng)域廣大用戶提供了一個可靠的無擾動切換的安全保護及過程控制系統(tǒng)。PACSystems雙機熱備控制系統(tǒng)采用冗余機架控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，每個CPU機架分別供電、通訊，主備CPU分別安裝于兩個獨立的機架上，以防止系統(tǒng)受到共模干擾導(dǎo)致兩個CPU都受到干擾。系統(tǒng)運行過程中，一旦主系統(tǒng)被檢測到故障，所有控制將被自動切換至備用系統(tǒng)。兩個CPU的掃描過程都是同步化進行的，以保持主CPU和備CPU同步工作，從而在CPU之間切換時對過程的影響和擾動降到最低，即實現(xiàn)無擾動切換。GE系列PACSystemsPLC雙機熱備系統(tǒng)性能指標如下：

無擾動切換：是。CPU切換時間：50ms。I/O切換時間：0ms。機架冗余：是。同步總線熱備冗余：是。

1.3　PROFINET的環(huán)網(wǎng)冗余技術(shù)

PROFINET由PROFIBUS國際組織（PROFIBUS International，PI）推出，是新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動化總線標準。

介質(zhì)冗余協(xié)議優(yōu)點包括：顯著提高了設(shè)備的可用性，因為單個設(shè)備的故障對通信沒有影響；所需的維修工作可以在沒有任何時間壓力的情況下進行，因為維修過程中工廠不需要停機；(單個斷點）在發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障時，可以進行快速的網(wǎng)絡(luò)診斷并加快故障排除；一旦發(fā)生故障，由于生產(chǎn)停頓而造成的成本就會降低。

2　整體升級策略

升級改造的整體策略是，盡量保持原控制程序不變，轉(zhuǎn)換后程序邏輯與連鎖控制不發(fā)生變化，只是將原有系統(tǒng)的硬件平臺進行升級，軟件邏輯保留。

為了減少工程量和縮短改造工期，硬件和軟件改造升級仍采用GE公司控制系統(tǒng)，將原來GE 90-70系統(tǒng)升級為GE PAC RX3i系列，相應(yīng)的所有機架或模塊替換為GE PAC RX3i系列，軟件升級為CIMPLICITY V10.0版本，授權(quán)為運行版。

2.1　硬件升級

將老舊的9070CPU升級換代為最新的PAC系列CPU，新CPU性能及處理能力將大大提高。控制系統(tǒng)的IO升級（各類IO模塊）。老舊的9070通訊及IO模塊、底板等，將被最新的PAC系列IO替換。

2.2　軟件升級

當(dāng)前新購買的操作電腦對WindowsXP和Windows7已經(jīng)不再更新相應(yīng)驅(qū)動，目前新電腦基本上為Windows10操作系統(tǒng)。原來的軟件已經(jīng)無法在新操作系統(tǒng)上安裝，因此需要將老版本的上位機及編程軟件進行升級，同時升級后的各項軟件功能將大大增強。

2.3　網(wǎng)絡(luò)方面

原系統(tǒng)升級到PAC3i系統(tǒng)之后，主站與分站、分站與分站之間采用的是西門子專用Profinet工業(yè)以太網(wǎng)線，并配置專用Profinet工業(yè)以太網(wǎng)接頭。若站與站距離超過100米，則需要配置相關(guān)的交換機并鋪設(shè)光纜，同時需要在硬件上添加IC695SPF002光纖插頭。

3　硬件系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)采用RX3i系列CPU，并通過profinet總線控制各I/O分站。PACSystems?Rx3i自動化系列產(chǎn)品優(yōu)勢如下：

（1）RX3i擁有一個單一的控制引擎和一個統(tǒng)一的編程環(huán)境，能夠在多種硬件平臺方便地應(yīng)用，并提供控制選擇的真正融合。

（2）Rx3i采用標準化的嵌入式實時控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，克服了長期以來自動化系統(tǒng)無法使用PIII以上的高性能CPU和背板速率過低的難題，消除了自動化系統(tǒng)與計算機技術(shù)之間不斷擴大的技術(shù)差距，極大地提升了自動控制系統(tǒng)的性能。

（3）Rx3i采用標準的、通用的VxWorks實時多任務(wù)操作系統(tǒng)。VxWorks操作系統(tǒng)是目前世界上技術(shù)最領(lǐng)先的嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS），良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，使其在嵌入式實時操作系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)主要地位。

3.1　CPU

選型型號：IC695CPE330，擁有32位的1GHz雙核微處理器和64Mbytes用戶內(nèi)存的高性能控制器，無需多個控制器，使用戶控制更加簡單。

3.2　通訊背板

選型型號：IC695CHS012（12槽）。RX3i通用背板（機架）有7、12和16槽三種尺寸用于滿足用戶的應(yīng)用需要。它支持帶電插拔來減少停機時間。

3.3　電源模塊

選型型號：IC695PS140。RX3i的電源模塊像I/O一樣簡單地插在背板上，并且能與任何標準型號的RX3iCPU協(xié)同工作。每個電源模塊都具有自動電壓適應(yīng)功能，用戶無需跳線選擇不同的輸入電壓。電源模塊具有限流功能，發(fā)生短路時，電源模塊會自動關(guān)斷來避免硬件損壞。

4　人-機互聯(lián)

人-機聯(lián)系是值班員與計算機對話的窗口，值班員可借助鼠標和鍵盤方便地在CRT屏幕上與計算機對話。其中包括：具有任務(wù)管理功能，任務(wù)在創(chuàng)建、編輯、拷貝、啟動、繼續(xù)過程中會自動核對來料倉與目的倉內(nèi)物料是否匹配、設(shè)置參數(shù)是否完整等檢查。

4.1　系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

實時數(shù)據(jù)庫：數(shù)據(jù)庫中的值應(yīng)根據(jù)運行工況的實時變化而不斷地更新，記錄被監(jiān)控設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)。實時庫的刷新周期及數(shù)據(jù)精度可以設(shè)定。

歷史數(shù)據(jù)庫：對實時數(shù)據(jù)庫中的每一點，可由用戶事先定義并按設(shè)定的周期存入歷史數(shù)據(jù)庫中。歷史數(shù)據(jù)庫應(yīng)能存儲12個月的數(shù)據(jù)，所有的歷史數(shù)據(jù)應(yīng)能轉(zhuǎn)存至光盤做長期存檔。

4.2　報警功能

上位軟件CIMPLICITY是一個方便、靈活、可靠、易于擴展的報警系統(tǒng)，能夠報告系統(tǒng)活動及系統(tǒng)潛在的問題，保障系統(tǒng)安全運行。組態(tài)軟件分布式報警管理提供多種報警管理功能，包括：無限的報警區(qū)管理、基于事件的報警、報警優(yōu)先級、報警過濾功能，以及通過撥號網(wǎng)絡(luò)的遠程報警管理，可實現(xiàn)過程報警、故障報警，可根據(jù)報警優(yōu)先權(quán)和報警時間的先后順序進行報警。

4.3　界面需求

界面具有自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖、生產(chǎn)報表、設(shè)定參數(shù)上傳下載、單個設(shè)備操作、故障、警告事件記錄功能等，歷史曲線及數(shù)據(jù)存儲時間為30天以上。

（1）所有用戶操作界面上顯示的電機、閥門、儀表等設(shè)備圖框及彈出框風(fēng)格必須標準一致，大小統(tǒng)一。管道（指向線）風(fēng)格及寬度大小保持一致，管道顏色應(yīng)根據(jù)介質(zhì)的不同嚴格區(qū)分。

（2）單個設(shè)備電機彈出式控制框可以設(shè)定手動/自動、聯(lián)鎖運行、聯(lián)鎖解除、打開（啟動）、關(guān)閉（停止）按鈕、事件記錄窗口、所有聯(lián)鎖可勾選等操作顯示功能。所有的控制調(diào)節(jié)回路都可以在操作站或工程師站上實現(xiàn)顯示、參數(shù)設(shè)定和PID調(diào)節(jié)。

5　總結(jié)

冗余系統(tǒng)的意義在于：采取兩套同樣獨立配置的硬件，在其中一套系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，另一套系統(tǒng)能立即啟動。一套單獨的系統(tǒng)也許運行的故障率很高，但采取冗余措施后，在不改變內(nèi)部設(shè)計的情況下，這套系統(tǒng)的可靠性可以大幅度提高。假如單獨系統(tǒng)的故障率為50%，而采取冗余系統(tǒng)后馬上可以將故障率降低到25%。冗余架構(gòu)適用于糧油行業(yè)，并在行業(yè)中有廣泛的應(yīng)用，其系統(tǒng)完全滿足工業(yè)現(xiàn)場的設(shè)備規(guī)范，并符合相應(yīng)的國家標準。

作者簡介：

牟福善（1976-），男，山東日照人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于中糧黃海糧油工業(yè)（山東）有限公司，主要從事電氣管理工作。

摘自《自動化博覽》2023年4月刊