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欒元迪 邵克志 王英紅 劉健

1  概述

    “透明工廠”是建立在信息技術和通訊技術的基礎上，這些技術包括OPC開放軟件標準和WEB技術等，主要包含三方面的內容：基于TCP/IP的通訊、WEB模式的網絡應用和面向對象的編程。其核心是Ethernet和TCP/IP。

    隨著信息技術（IT）和通訊技術的發展，許多控制系統生產廠商均看到工業局域網的局限，要想在以后的信息化工業中得以發展及生存，必須向“透明工廠”的方向發展。

    在濟鋼三煉鋼工程中，整個自動化控制系統采用了施耐德公司Quantum系列PLC，實現全過程自動化，網絡系統采用了“透明工廠”的設計思想，實現了設備維護及生產操作人員的遠距離訪問和監視，從而減少了勞動定員及勞動強度。

2  工藝概況

    在濟鋼三煉鋼120t轉爐工程中，主要建設一座900t混鐵爐、一套鐵水預處理裝置、一座120t氧氣頂底復吹轉爐及配套水處理、除塵等公輔設施。

    煉鋼生產的工藝路線為：高爐鐵水罐→混鐵爐→鐵水預處理站→轉爐→LF、VD精煉裝置→連鑄機。

3  “透明工廠”的實現

    2000年施耐德公司率先將符合IEEE802.3規定的以太網應用于工業自動化，從而打破了自動化網絡與信息網絡的疆界，率先推出了工業以太網的標準：TCP/IP Modbus。該標準是在TCP/IP標準中，應用層采用Modbus。同時，施耐德公司將WEB應用到工業自動化，在自動化平臺上內置WEB Server，從而使控制數據易于被不同的操作系統得到，也可以通過公共網絡來訪問工業現場的數據。這種基于WEB的體系結構使工業數據更加同步，網絡集成難度降低，也可以更好的控制網絡的數據流量。

    施耐德公司的“透明工廠”的技術是完全開放的，它可以在所有的自動化環境下與制造執行系統（MES）和企業資源計劃（ERP）無縫連接。它可提供的有關“透明工廠”的產品有：鑲嵌式的WEB服務器、TCP/IP通訊的網絡部件和以太網IO卡件。這些產品為“透明工廠”的實施提供了條件。

    在濟鋼三煉鋼工程中，為建設成一個全自動化、信息化、網絡化的現代化工廠，各工藝流程自動化控制系統均采用了Quantum系列PLC控制系統，結合煉鋼、精煉、連鑄系統的工藝特點。一級為基礎自動化網絡采用符合Modbus TCP/IP協議的10/100M自適應環形工業以太網，各控制系統配置自帶WEB網頁的以太網通訊模板140 NOE 711 10，交換機選用TP-TX/TX系列499NES07100，集線器選用3TP/2FL系列499NEH00410。二級為過程自動化網絡，采用100M的工業以太網，連接轉爐、精煉、連鑄系統，通訊介質采用光纜，并預留三級網絡的接口。

    通過施耐德公司提供的軟件開發平臺及網絡協議，將整個控制系統的控制站及操作站HMI統一編制IP地址，可方便訪問各系統的共享數據。在軟件設計時，將系統的硬件狀態及重要的工藝參數均設置在WEB中，設備維護及生產管理人員可通過網絡系統實現遠距離的訪問，及時了解各系統的運行狀況，增加了系統的透明度，實現了整個煉鋼廠的“透明化”。

3.1  基礎自動化控制系統

    基礎自動化控制系統是保證生產安全運行的基礎，其主要任務是：根據HMI的操作指令、L2級的操作數據和現場各檢測器的信號完成各個工藝設備或者工藝過程的順序控制和PID調節控制；進行工藝過程及設備狀態的實時數據采集、整理，然后傳送到L2級；完成各工藝過程及設備的故障報警處理及顯示。

    (1)  系統網絡結構

    PLC系統選用Quantum系列PLC，包括水處理、除塵等整個系統配置了13套Quantum PLC控制裝置、12套HMI，采用冗余光纖環網。各控制系統配置自帶WEB網頁的以太網通訊模板140 NOE 711 10，交換機選用TP-TX/TX系列499NES07100，集線器選用3TP/2FL系列499NEH00410。

    整個網絡系統采用環形工業以太網，自動控制系統設計為兩級網絡系統，一級為基礎自動化網絡，采用符合TCP/IP協議的10/100M自適應環行工業以太網，連接原料系統、凈環水系統、濁環水系統、鐵水預處理系統、混鐵爐系統、除塵系統、煤氣回收系統、煤氣儲備系統和轉爐本體系統，通訊介質采用光纜。基礎自動化系統網絡結構圖如圖1所示。

圖1  基礎自動化系統網絡結構圖

    (2)  服務器配置

    在圖2中，設有2臺服務器，分別為基礎自動化（L1）數據庫服務器、L1.5級服務器。L1.5級服務器負責與L2級之間數據通訊與交換，下達L2級服務器指令。L1級數據庫服務器主要負責PLC與上位端（服務器、客戶機）之間的數據傳輸、數據存儲、報警等功能。

    (3)  客戶端配置

    客戶端主要完成對現場設備的檢測、監視、控制、調節、診斷，主要系統有輔原料及鐵合金上料系統、輔原料及鐵合金投料系統、傾動氧槍系統、副槍系統、轉爐本體輔助系統、轉爐本體儀表系統、汽化冷卻及煙氣凈化系統、煤氣回收系統、一二次除塵系統和凈濁環水處理系統。上位監控軟件Server-Client 結構，利用Server-Client網絡軟件的特點，實現各上位監控機之間相互切換、互為備用，達到遠程訪問、監控、操作、調節、診斷的目的。

    (4)  系統通訊

    Quantum系列PLC 具有多種協議的通訊方式，主要有：Modbus TCP/IP、Modbus Plus、Modbus，本系統中充分利用了其強有力的通訊能力。

    ?  Modbus TCP/IP通訊

    在光纖冗余環形以太網上，每個PLC單元及上位監控機都被分配獨一無二的IP地址，PLC的CPU通過本站的NOE通訊模板，利用CONCEPT編程軟件下的I/O SCANNER或TCP/IP讀寫功能塊設置IP地址及傳輸的寄存器地址，經過交換機在以太網上發送、接收信息，上位監控機通過以太網卡經過交換機在以太網上發送、接收信息。

    ?  Modbus Plus通訊

    Momentum 是施耐德公司開發的一種高度靈活、性能穩定、高可靠性的分布式I/O系統，并具有Modbus TCP/IP、Modbus Plus等通訊能力。它的使用給解決現場控制站到中央控制站長距離傳輸問題帶來了極大的方便。在本系統中，上料、投料PLC中采用了Momentum系列，通過Modbus Plus網絡連接，實現遠距離I/O信號的采集。

    (5)  系統軟件配置及功能

    ?  編程軟件

    采用施耐德公司CONCEPT 2.5編程軟件，運用梯形邏輯（LD）及控制功能塊（FBD）相結合的編程方式實現對現場設備進行過程監控、檢測、調節、操作。

    ?  監控軟件

    采用施耐德公司Monitor Pro V7 上位監控軟件Server-Client，服務器及客戶機運行在WINDOWS2000平臺上，Monitor Pro V7建立在多層次體系結構上，綜合了三種不同的功能：數據存儲功能、數據處理功能、用戶接口功能。

3.2  過程自動化系統（L2）

    過程控制系統是工藝生產的關鍵，該工程L2主要包括：120t轉爐、化驗室、LF/VD精煉、連鑄機，其主要任務是：各工藝過程的生產數據采集，數據分析，操作數據設定和打印報表等。

    濟鋼三煉鋼L2系統網絡結構圖如圖2所示。

圖2  濟鋼三煉鋼L2系統網絡結構圖

4  系統安全性

    “透明工廠”的核心是通信網絡，其網絡技術是完全開放的，網絡的安全直接決定了系統的安全運行。在該工程中，由于系統網絡龐大、復雜，為保證其安全、穩定運行，在OPC Server 終端上開發了網絡故障診斷功能，實時檢測網絡系統故障，如：數據庫故障、ODBC故障、EDI故障等。

    為保證網絡安全，拒絕非法用戶登錄和破壞，系統設置了嚴格的授權，網絡的訪問必須由用戶進行身份確認，通過口令控制賦予不同用戶不同的權利。另外，系統中還安裝了防火墻軟件和諾頓高效企業版殺毒軟件，以防范計算機病毒的侵犯。

5  結語

    “透明工廠”在濟鋼新煉鋼工程的應用取得成功，符合當今計算機控制技術的發展潮流，具有先進性、可靠性、可維護性，便于系統擴展，提高了自動化控制水平，減少了設備故障率及維護量，取得了較好的經濟效益及社會效益。