酒钢碳钢薄板厂炼钢控制系统一二级分离技术改造(张进忠)

1 碳钢薄板厂炼钢控制系统一二级分离技术改造 检修工程部自动化控制检修作业区 张进忠 摘摘 要要 碳钢薄板厂炼钢控制系统以 Wonderware 公司的 IAS2 0 Industrial Application Server 软件作为一种全新设计理念的通讯软件首次在冶金行业使用 由于频 繁发生通讯中断 在不断改进后仍然无法杜绝的情况下 通过对一级系统改造为单机直连 并将一二级控制系统分离的方式 彻底解决了通讯中断问题 取得显著的经济效益 关键词 关键词 通讯中断 单机直连 一二级分离 1 系统概述 酒钢本部碳钢薄板厂有 120t 转炉 3 座 LF 精炼炉 3 座 控制系统采用罗克韦尔自动 化公司的 ControlLogix5555 产品 上位机操作画面采用 Wonderware 公司的 Intouch View 9 0 监控软件 中间通过 Wonderware 公司 ISA2 0 Industrial Application Server2 0 通 讯软件 实现数据集成和实时数据库的传输 网络架构为 C S 客户端 服务器 结构 服 务器为主备服务器 每台服务器上安装一个数据服务器与 PLC 通讯 读取 PLC 中的数据 成为整个项目中的全局数据 可以在项目中任何一台计算机上引用 互为冗余的引擎可以 在主备服务器之间切换 单套系统结构图为 图图 1 1 整个系统网络拓扑图为 InTouchInTouchInTouchInTouchInTouch Client Server Architecture PLC AOSAOS 2 转炉转炉PLCPLC室网络机柜室网络机柜 HMI交换机 PLC交换机 2 LF炉PLC室网络 机柜 HMI交换机 PLC交换机 3 LF炉PLC室网 络机柜 HMI交换机 PLC交换机 公辅操作室操 作台1 LF1 LF炉炉PLCPLC室网络机柜室网络机柜 HMI交换机 PLC交换机 1 转炉操作室 1 转炉操作站 L1 L2 1 LF炉操作室 1 LF炉操作站 L1 L2 1 服务器 冗余 2 服务器 冗余 3 服务器 冗余 3 转炉操作室 3 转炉操作 站 L1 L2 2 转炉操作室 2 转炉操作站 L1 L2 公辅操作室 公辅操作站 L1 L2 1 精炼PLC 2 LF炉电磁站 2 LF炉PLC 3 LF炉操作室 3 LF炉操作站 L1 L2 2 LF炉操作室 2 LF操作站 L1 L2 3 LF炉电磁站 3 LF炉PLC 转炉电磁站 1 转炉PLC 2 转炉PLC 3 转炉PLC公辅PLC汽化PLC 红色线路为 光缆 绿色 为5类双绞线 图图 2 2 2 存在的问题 酒钢是国内首家钢铁企业使用 ISA2 0 Industrial Application Server2 0 作为通讯 软件的单位 由于该软件投入市场时间不长 很多问题还没有暴露出来 自 2005 年 4 月份 1 转炉和精炼炉投产以来 多次出现通讯中断 造成上位操作画面无法监控数据 至 2006 年 2 月份 2 3 转炉和 2 3 精炼炉投产后 通讯中断更加频繁 严重制约了生产的稳定 顺行 主要存在的问题有 计算机系统多次发生通讯中断事故 其现象为局部或全部画面数据无变化 持续时间 较长 且不能自动恢复 使画面无法操作和监控 生产无法进行 而且多次导致 6 连铸机 和 CSP 断浇 给公司的效益带来了严重的损失 投产之初通讯中断最严重的阶段 转炉系统每天通讯中断达 5 6 次之多 维护局面相 当被动 3 前期工作 针对通讯中断一方面我们与外方专家联合会诊 外方专家也提出过一系列改造完善方 案 但实施后没有明显效果 另一方面 现场维护人员通过对该系统软硬件 环境等各方 面分析 对该系统进行了优化和改造 主要有以下几个方面 3 13 1 更换网络交换机 采用环网形式更换网络交换机 采用环网形式 3 上下位交换机采用赫斯曼交换机代替原设计的 3COM 交换机 并应用冗余组网模式 取 消光电收发器的使用 提高了网络运行的可靠性及稳定性 3 23 2 调整扫描时间调整扫描时间 根据画面响应时间要求 合理调整扫描周期 对大部分设备的响应速度不需要太快的 适当延长扫描周期 而氧枪等设备则需要快速响应 适当减少了扫描周期 3 33 3 添加脚本添加脚本 添加引擎的自动切换脚本 实现了系统故障时的自动切换 提高系统运行的可靠性 3 43 4 更换网线更换网线 原来施工所使用的网线为普通双绞线和水晶头 而且在电缆槽中和其他动力电缆一起 敷设 更换为屏蔽双绞线 使用屏蔽水晶头 减少干扰 保证了通讯质量 3 53 5 服务器直连服务器直连 在主从服务器之间安装直连网卡 作为冗余信息通道 实时监测主从服务器之间的心 跳 当主服务器出现故障时将引擎快速切换到从服务器 反之亦然 3 63 6 更改子网掩码更改子网掩码 将 Galaxy 中所有服务器和操作站的子网掩码由原来设置的 255 255 0 0 调整为 255 255 248 0 减少了 IP 寻址空间 减轻了网络负担 3 73 7 添加添加 HOSTHOST 文件文件 在 Galaxy 中所有 Platform 的系统文件中添加 HOST 文件 同时在 APPServer 中把所 有计算机的 IP 地址改为计算机名称 减少网络寻址时间 3 83 8 简化脚本简化脚本 更改部分模块的不合理设置 删除一些繁琐判断 简化各对象脚本程序 对 CIP 中编 辑的大量模拟量脚本进行清理 在下位程序中重新定义这些点 减少了系统扫描时间和减 轻了系统扫描负担 3 93 9 合并数据源合并数据源 删除工程遗留的重复数据源 将多个数据源合并为一个 工程建设时多人参与 形成 了多个 CIP 对这些项目进行整合 统一各 Platform 工作组 几次的施工形成了多个工作 组 对此进行统一 减少重复扫描和读写 提高通讯质量 3 103 10 变量清理变量清理 清理系统中存在的大量无用信息和变量点 清除的无用变量就有 1000 多点 消除了无 用变量不断进行数据读写对系统造成的堵塞 减少数据读写的数据量 提高通讯质量 4 3 113 11 网络时钟自动同步网络时钟自动同步 所有节点计算机均以 1 转炉主服务器为基准 自动进行时钟同步 3 123 12 定期维护定期维护 定期清理服务器垃圾文件 日志信息 对服务器进行检查 清灰 保持良好的设备及 系统运行环境 定期重启服务器 定期对整个系统重新部署 网络交换机重启 使设备定 期初始化 提高系统运行的稳定性 所有上述改造措施的实施 都是通过对 APPServer 系统不断研究和探索 并与原系统 设计单位和 Wonderware 厂家技术人员交流沟通后制定并实施的 实施后使计算机系统的稳 定性有了很大的提高 通过对维护记录分析比较 通讯中断故障由改造前每周发生 4 次下 降至一两个月发生一次通讯中断故障几率相比 月故障率降低 90 以上 但是由于系统网 络架构和 APPServer 通讯软件存在缺陷 通讯中断问题仍然无法杜绝 由于始终没有有效的措施可以杜绝现用 APPServer 系统的通讯故障 我们提出将转炉 精炼控制系统一级自动化通讯改为单机直连方式并将一 二级系统彻底分离的改造方案 通过和工序相关技术人员探讨沟通 认为该方案可行并着手组织实施 4 项目实施目的 必要性 4 14 1 项目实施的目的项目实施的目的 碳钢薄板厂转炉 精炼炉控制系统通讯中断是多年来困扰我公司计算机维护的技术难 题 由于在原架构内不断进行的优化改造等各种尝试 都没有取得预期的效果 因此 为 了从根本上解决通讯中断问题 使用新的直连网络模式 将一级系统彻底从原架构中分离 出来 提高通讯质量 为生产稳定顺行提高可靠保证 4 14 1 意义和必要性意义和必要性 控制系统分离改造之前 通讯中断时常发生 其现象为局部或全部画面数据无变化 且不能自动恢复 使画面无法操作和监控 生产无法进行 并且生产节奏紧张 处理过程 时间较长 很容易导致 6 连铸机和 CSP 断浇 给公司的效益带来了严重的损失 因此 项 目实施的必要性不言而喻 项目实施后 每台计算机通过 I O Server 通讯从 PLC 中直接读 取数据 各个操作站相互独立 通讯简单一旦单台操作站出现故障操作工用另一台计算机 进行操作 一会影响系统的正常运行 减少故障的次数 同时对系统维护也带来了便利 5 技术原理及方案 5 5 15 1 技术原理技术原理 原通讯原理为 每个点通过对象脚本判断和匹配才能正确找到源数据的实际路径 如下图所示 HMI 如果想取到 PLC 系统中的某点 要通过对象脚本寻找源数据 图图 3 3 该源数据又是通过 APPServer 中配置在 CIP 引擎下的以太网连接到以太网模块所在的 背板上并检测到背板上的设备以指定到唯一处理器 访问处理器中的变量 改造后的通讯原理为 数据通过在安装有 Intouch 画面的操作站中安装 I O Server 通讯软件 配置在 Intouch 识别的访问名 并将其指向唯一的处理器 则可直接读取处理器数据 5 25 2 技术方案技术方案 根据酒钢碳钢薄板厂生产现状 首先在对画面进行离线改造后 在转炉 精炼各增加 一台单机直连操作站试运行 在生产中不断完善后 将所有的操作站更换为单机直连通讯 模式 废除一级服务器系统 并在 APPServer 环境中将一 二级分离 废除 APPServer 中 6 的一级通讯对象 引擎以及用于 APPServer 系统的服务器平台和所有一级信息 由此 原 APPServer 通讯和 C S 网络架构模式只使用于二级系统 5 35 3 实施内容实施内容 5 3 15 3 1 对监控画面重新编程挂点 准备相关备件和原材料 对监控画面重新编程挂点 准备相关备件和原材料 监控画面挂点方式为 将原画面中 Galaxy 系统通过对象取数方式改为由 Opclink 直接 读取 PLC 数据方式 整个转炉 3 座 包括公用和汽化 和精炼炉 3 座 系统监控画面编程点数 12000 多 个 因为取数方式的变化 访问名随之变化 所有标记名必须在画面中重新定义 Galaxy 数据读取方式为 以画面中的一个点为例 在 Intouch 画面中建立一个 Galaxy 系统中的全局数据表达式 如图 图图 4 4 该表达式中 RBOFLanceInWaterTrunkTT 即为 APPServer 中的对象名 对象是建立在一 个运行平台中的 APPEngine 所包含的某一区域当中 该对象中包含的 PV 变量即为从 PLC 读取到 DASERVER 中的一个点 如图所示 由模板派生出的对象 RBOFLanceInWaterTrunkTT 所继承来的变量 PV 所映射的源数据 图图 5 5 由 Opclink 直接读取 PLC 挂点方式为 通过建立在 Opclink 中的 Topic 名 上用于 Intouch 画面的访问名 下指向 PLC 系统处理器 起到承上启下的作用 其实现方法为 在 Opclink 中建立一个 Topic 7 图图 6 6 该名称与 Intouch 中的访问名必须一致 在 Intouch 中标记名字典中定义的项目名即 是下位程序中的变量名 图图 7 7 在 Rslinx 中指定访问名与处理器的对应关系 操作站上运行 Intouch 画面和 Opclink 数 据即可从 PLC 读取至 Intouch 画面 取数方便快捷 8 图图 8 8 5 3 25 3 2 敷设下位交换机至转炉操作室的通讯光缆 安装交换机 敷设下位交换机至转炉操作室的通讯光缆 安装交换机 5 3 35 3 3 3 3 座转炉座转炉 3 3 座精炼各增加一台单机直连操作站 生产中操作使用 对发现的问座精炼各增加一台单机直连操作站 生产中操作使用 对发现的问 题进行完善 题进行完善 画面挂点不仅要从画面 APPServer 下位程序中一一对应修改 更需要与 APPServer 脚本相对照并做出判断 在脱离 APPServer 系统后单机实现与原来相同的操作功能 一部 分在 APPServer 脚本里实现的运算和赋值功能 需要在 Intouch 中增加脚本或在程序中编 程运算逻辑 比如 原 APPServer 脚本里对一个操作按钮存在扫描周期内复位的信号 如 图 图图 9 9 在 Intouch 画面修改时 必须将按钮信号动作脚本在原基础上新加复位脚本或在下位 程序中增加置位复位逻辑程序 如图 图图 1010 特别需要对原 APPServer 中通过 Galaxy 系统实现一 二级数据共享的变量各自定义和 分离 以取得一 二级系统在分离后不影响原功能实现 9 5 3 45 3 4 将转炉精炼炉所有一级操作站更换为单机直连通讯模式 并实现操作站历史趋将转炉精炼炉所有一级操作站更换为单机直连通讯模式 并实现操作站历史趋 势和历史报警记录存储和查询功能 势和历史报警记录存储和查询功能 5 3 55 3 5 在在 APPServerAPPServer 系统中将一 二级进行分离 废除一级通讯系统 系统中将一 二级进行分离 废除一级通讯系统 分离前虽然操作站已经使用单机进行通讯 但 APPServer 仍作为网络架构中的一个数 据采集系统与 PLC 处理器保持数据读取功能 因此 一是必须确保 APPServer 系统中一级 相关信息和功能在单机操作上完全实现 并且单机操作站与处理器的数据交换不再受到 APPServer 的影响 二要将 APPServer 中二级系统取自一级系统的信息单独建立或从原一 级系统中继承下来 这两个步骤完成后 在 APPServer 系统中将所有对象 区域 引擎 包括对象引擎和 CIP 引擎 以及一级服务器平台全部 Undeploy 上来 6 一二级分离后系统概况 6 16 1 系统结构系统结构 改造后 一级系统为 PLC 操作站直接通讯方式 并且废除一级系统通讯服务器及 APPServer 软件中一级架构信息 只保留两台原一级服务器对二级进行数据采集和传输 改造后一级单系统网络结构为 InTouchInTouchInTouch 图图 1111 改造后整体网络拓扑图为 10 转炉转炉PLCPLC室网络机柜室网络机柜 HMI交换机 PLC交换机 2 LF炉PLC室网络机 柜 HMI交换机 PLC交换机 3 LF炉PLC室网络 机柜 HMI交换机 PLC交换机 公用操作室操作台 HMI交换机 1 LF1 LF炉炉PLCPLC室网络机柜室网络机柜 HMI交换机 PLC交换机 1 转炉操作室 1 转炉操作站 L1 L2 1 LF炉操作室 1 LF炉操作站 L1 L2 3 服务器 冗余 2 转炉操作室 2 转炉操作 站 L1 L2 3 转炉操作室 3 转炉操作站 L1 L2 公辅操作室 公辅操作站 L1 1 精炼PLC 2 LF炉电磁站 2 LF炉PLC 3 LF炉操作室 3 LF炉操作站 L1 L2 2 LF炉操作室 2 LF操作站 L1 L2 3 LF炉电磁站 3 LF炉PLC 转炉电磁站 1 转炉PLC 2 转炉PLC 3 转炉PLC公辅PLC汽化PLC 交换机 交换机交换机 红色线路为光 缆 绿色 粉 色为5类双绞线 绿色为一级网 络 粉色为二 级网络 图图 1212 改造后去掉一级系统 1 转炉主从服务器 2 转炉主从服务器和公辅主从服务器共 6 台 服务器 只留有原 3 转炉主从服务器作为与二级通信的服务器 两台服务器承担着通讯数 据采集功能 服务器上 CIP 引擎分布如下 AOS BOF3 Primary CIP AppEngine BOF3 包括 3 BOF 炉的 ENB CIP AppEngine PUB 1 包括公用 如合金 1 混铁炉等的 ENB CIP AppEngine BOF2 包括 2 BOF 炉的 ENB CIP AppEngine BOF1 包括 1 BOF 炉的 ENB AOS BOF3 Standby CIP AppEngine LF3 3 LF 炉的 ENB CIP AppEngine LF2 2 LF 炉的 ENB CIP AppEngine LF1 1 LF 炉的 ENB 改造后的二级对象引擎的分布情况 对象层次 APPSERVER AOS BOFL2Server 原有二级系统 BOF 炉服务器 3 个对象引擎 BOFL2Server AppEngine 原有二级系统对象引擎 1 BOF 炉 BOFL2Server AppEngine2 原有二级系统对象引擎 2 BOF 炉 BOFL2Server AppEngine3 原有二级系统对象引擎 3 BOF 炉 11 AOS LFL2Server 原有二级系统 LF 炉服务器 3 个对象引擎 LFL2Server AppEngine 原有二级系统对象引擎 1 LF 炉 LFL2Server AppEngine2 原有二级系统对象引擎 2 LF 炉 LFL2Server AppEngine3 原有二级系统对象引擎 3 LF 炉 在二级系统改造中对二级系统从 PLC 数据采集进行了很多尝试 最终数据采集模式定 为 PLC DASERVER Object 采取这样的取数方式 取消了 Redundant 中间环节 6 26 2 系统功能及性能系统功能及性能 一二级系统分离后 操作站画面从岗位操作角度看与改造前没有任何区别 即系统控 制功能和性能完全相同 但在数据采集 通讯方式以及网络架构上来说 已成为两种截然 不同的模式 并且操作站增加了历史趋势和历史报警记录的数据存储和查询功能 因为作 为以 APPServer 为平台进行历史数据采集存储的 INSQL 服务器在一二级分离后失去了原来 的作用 历史趋势和报警记录等历史数据必须在单机操作站中实现 历史趋势以 Intouch 中包含的趋势记录控件调用和定义 并在标记名字典中对所需记录的点定义为数据记录 在本机操