活动链接：2012年控制网技术专题---控制系统新时代   
 

    摘要：文章介绍了如何把一个旧控制系统改造为新系统的构建思路及实现方法。

    关键词：DCS；梯型逻辑；改造方案如何利用一个主流控制系统的特点并和现场工艺特性相结合，尤其是在一个具有配置缺陷的旧系统实施技术改造是本文探讨的核心所在。

   1 控制系统改造的必要性

   二烧主工艺控制系统是1994年与美国霍尼韦尔公司签定的技术协议，2001投入生产的TDC-3000集散控制系统，运行到目前问题较大，主要是技术落后，备件停产，设备老化严重，现场设备维护困难，从09年开始屡次出现通讯中断，操作站掉站，控制器反应缓慢，历史模件记录缺失等控制系统末期症状，已经造成烧结机停机3~4次，系统迫切需要进行系统升级改造。

   2 新建控制系统拓扑结构的构建

改造方案的总体思路是用西门子新系统的控制器，网络及操作站替换旧系统。需提前进行工艺结合、程序和工艺画面的编制，并开展模拟调试，现场用三天时间进行旧柜拆除，I/O接线、打点、调试及投产，此方案是把老化掉的旧系统彻底更新，需要变动模块接线和重新编制控制程序，现场过渡工作较艰巨。

   在原霍尼韦尔公司TDC-3000集散控制系统结构中，电控和仪控是分开的，即分电控柜（LM）和仪控柜（APM/HPM）。而现在西门子PCS7系统为三电一体化的模式，所以老系统在控制逻辑上会在LM和PM间有大量通讯数据，增加了光缆通讯负荷和系统负担。而且老系统在控制柜分配上也不尽合理，如图1所示，二烧工艺上有两套烧结机，两套配料系统，即一期烧结配料，二期烧结配料和二者的公共部分，控制系统应按工艺关系配置控制设备，而老系统却是配料一个系统，烧结一个系统，比如要完成一期烧混的生产需要LM35/APM31/APM2/LM25的共同作用，要完成二期烧混的生产需要LM37/HPM33/HPM2/LM25的共同作用，两者的公共部分也在配料系统中，造成在控制逻辑中需要大量通讯数据的传递，增加系统负担和运行风险。考虑上述问题，我们在规划新系统时就按照工艺关系配置控制设备，形成一期烧冷配混，二期烧冷配混及二者的公共部分筛分整粒/原料及成品运输系统。如图2所示，一期烧结控制器CPU下面带了四个远程站，涵盖一期烧冷配混的控制点，同样二期烧结控制器CPU下面亦带了四个远程站，涵盖二期烧冷配混的控制点，而一二期的工艺的公共部分则由图中的公共控制器CPU承担，范围是整粒/原料及成品运输系统，这样的话当一期烧结控制器及其网络出问题的话不会影响二期烧结机的生产，反之亦然。这三对控制器通过交换机连在一个冗余以太环网内，构成一个稳定的通讯结构；同时公共控制器通过环网外的一个外延式以太网连接到供料区的物流中心控制器及运输车间的成品控制器，打通了整个烧结工艺的来料和去料路径的通讯连锁关系，整个配置方案具有区域明晰，主次分明，结构稳定的特点，为将来二烧结车间控制系统的长期稳定运行打下了坚实的基础。
  
               
                         图1 二烧原系统HONEYWELL TDC-3000拓扑图
  
                    
                     图2 二烧新系统SIEMENS PCS7拓扑图

    3 新建控制系统程序编制

   因为这次技术升级改造的目的系统为西门子PCS7 400系列的系统，所以根据西门子系统组态的特点，整个系统控制软件的形成一般需经过以下步骤：

    ⑴ 硬件组态

    在新系统硬件构建时， 根据工艺区域我们已经配置了3对冗余控制器：一期烧冷配混控制器，二期烧冷配混控制器及公共部分控制器，同时为I/O接线配置了本地柜和远程柜，在二烧结车间工艺的上游有物流中心控制器和下游的运输车间成品控制器，所有这些硬件的体系结构都需要在组态的控制项目中得到体现。如图3所示，在项目组态软件中，“烧结265PCS7”的项目名下组态了四个控制器，分别是成品控制器CP、公共控制器PUBLIC、一期烧冷控制器SINTER-1及二期烧冷控制器SINTER-2；还有四个工程师站，即左边树形结构中的ES1/ES2/ES3/ES4；三个配料操作站，即PL-OS1/PL-OS2/PL-OS3；四个烧结操作站，即左边树形结构中的SJOS1/SJ-OS2/SJ-OS3/SJ-OS4。在打开的右边的详目中，可以看到有关公共控制器PUBLIC内组态的控制程序块。而在图4中，我们也可以看到一期烧冷控制器SINTER-1的硬件组态情况，在其中组态有两个冗余的控制器，两条冗余的PROFIBUS网络，共同连接着9个ET200模块机架，在这种控制器及过程网均冗余的情况下，模块的输入/输出与控制器的连接及对现场的控制得到了极大的保证。
  
                  
                          图3 二烧新系统SIEMENS PCS7组态图
      
                  
                            图4 二烧新系统硬件组态图

    ⑵ 通讯设置

   在烧结区域的这3对冗余控制器之间及烧结车间与上游物流下游成品运输中，肯定有大量的工艺连锁关系，这就需要建立控制器之间的各种通讯连锁关系，拿到STEP 7的组态中叫AS-AS之间的通讯，一二期烧冷配混控制器之间的通讯连锁、一二期烧冷配混控制器与公共控制器之间的通讯连锁、公共控制器与上游物流下游成品运输控制器之间的通讯连锁等，这些具体的通讯点及软件配置都需要给予考虑。如图5所示。
  
                  
                        图5 二烧新系统网络通讯组态图

   在图中，可以看到，公共控制器与其它四个控制器存在的通讯关系，它们分别是一期烧冷配混控制器SINTER-1、二期烧冷配混控制器SINTER-2、成品运输控制器CP及物流控制器WL,然后有与四个工程师站和七个操作员站的AS-OS之间的通讯关系，整个上位机与控制器间数据的上行下达和控制器间的沟通协调关系在图5的组态中一览无遗 。

    那么具体的控制器到控制器AS-AS的通讯是如何实现的呢？在此以一期烧冷配混控制器SINTER-1和二期烧冷配混控制器SINTER-2之间的连锁通讯的例子来说明一下。在STEP 7组态中，我们调用一对通讯功能块SFB12/SFB13来实现SINTER-1与SINTER-2之间的发收关系，如图6、7所示：在图6中逻辑图中有发送块SFB12，图7中有接收块SFB13，它们组成了一期烧结发给二期烧结的发送和接收的组合，在功能块引脚R_ID的相同的数字DW#16#17说明这一对SFB12/SFB13是对应的发送和接收的组合，它们均用DB20数据块作为数据容器；同理图6中的接收块SFB13和图7中的发送块SFB12组成了一期烧结接收二期烧结的接收和发送组合，而其引脚R_ID的相同的数字DW#16#71说明它们是一对接收和发送的组合，它们均用DB21数据块作为数据容器，这两对收发功能块就完成了一二期烧结控制器间数据的双向传递。
        
                     
                          图6   二烧STEP 7 SINTER-1通讯块组态图  

   至于DB数据容器内的内容取决于工艺上各个控制器间需要传递的连锁信号，如物流与公共控制器间最关键的连锁信号就是公共控制器端发给物流的SZ1-1/SZ1-2的自动运行信号，在正常生产的自动运行状态下，一旦失去SZ1-1/SZ1-2的自动运行信号，物流相应输送线应立即连锁停车。再如筛分整粒系统的启动是3个控制器控制的各工艺区域系统合作协调的结果，具体来讲就是筛分整粒系统的启动、急停顺停等是在烧结，这样的话就表明令从一家出，指令流是从SINTER-1/SINTER-2发往公共PUBLIC和成品CP的，而成品CP的允许及设备反馈信号流和公共PUBLIC设备反馈信号流是回到烧结SINTER-1/SINTER-2，其它家做到令行禁止，共同配合完成整个工艺的运行控制。
  
                      
                                图7 二烧STEP 7 SINTER-2通讯块组态图

   ⑶ 逻辑编程

   在烧结生产流程中，首先应有原燃料的输送、处理、配料、混合加水，烧结冷却、筛分整粒、成品输送等环节，图8所示是烧结工艺的一个局部，即原燃料的输送、储存和成品的输送环节。在烧结工艺的整个流程中，共划分成12个子系统，它们分别是：

    A系统：精矿运输

   B系统：熔燃运输

   C系统：燃料处理

    D系统：熔剂处理

    E系统：一期配混

    F系统：二期配混

    G系统：一期烧冷

    H系统：二期烧冷

   I系统：一期筛分整粒

    J系统：二期筛分整粒

   K系统：一期运灰

    L系统：二期运灰

    针对这种情况可以把一个子系统编程为一个控制功能块FC，如图3中，可以看到在公共控制器PUBLIC中，有许多已编好的控制功能块，其中FC1是D系统熔剂处理功能块，FC2是C系统燃料处理功能块，FC3是IJ系统筛分整粒，FC4 是A系统精矿运输，FC5是B系统熔燃运输；在一期烧冷配混控制器SINTER-1中，有FC1一期烧结整粒I系统控制块，FC2一期烧结配混E系统控制块，FC3一期烧结烧冷G系统控制块，FC4一期烧结运灰K系统控制块；在二期烧冷配混控制器SINTER-2中，有FC1二期烧结整粒J系统控制块，FC2二期烧结配混F系统控制块，FC3二期烧结烧冷H系统控制块，FC4二期烧结运灰L系统控制块；所有这些控制块及通讯块，组成了烧结工艺的逻辑连锁控制。

    在烧结控制系统中，逻辑控制占70%多的量，主要是胶带机的启动、运转、顺序停车及紧急停车，一般按组成一个子工艺系统的胶带机组的逆启顺停方式进行控制，当然在启动前会有一些选线，选设备，翻板极限到位等条件的具备操作，在运行过程中，逻辑控制也担负某个子工艺系统个别设备的启停、反向和某两个工艺线的在线切换操作，同时逻辑中也包含对设备的一系列保护停车动作，如胶带机的拉绳、跑偏、堵料、撕裂、热继电器过热、电机过流、行走超极限等，对高压电机还有一次性启动保护和限时间间隔启动功能。下面通过图9的STEP 7梯形逻辑图来具体分析一下图8中SZ1-3的控制策略。
  
                    
                                 图8 二烧原料及成品输送工艺流程图

    图9是一个典型的梯形图控制逻辑，一个设备的最终输出逻辑取决于其前面的节点，即各种开点、闭点的与或非情况，基本结构为启动环节、自保环节、条件环节和停止环节，在这个形式中，我们可以看到，SZ1-3的输出逻辑Z1Z3 ZJ就是控制系统输出模块的一个输出点，它在启动环节中有四个系统可以启动它，分别是精矿运输系统A系统启动信号A-START2-RX、熔燃运输B系统启动信号B-START2-RX、杂矿运输启动信号ZK1-START1/ZK2START1和新熔剂线系统R-START1-RX，因启动环节为持续10多秒的暂态，所以需要其设备运行反馈与继电器输出串联起来并与启动环节并联的自保环节，在条件环节中分别通过其小车所在的不同极限位和此皮带下料的接料皮带运行情况决定其运输的料种到达配料槽上、熔剂燃料库还是高炉杂矿槽，其停止环节即为图中不同系统的顺停急停闭点。
   
                      
                                图9 二烧逻辑控制梯形图

   ⑷ 仿真调试

    通过STEP 7中安装的仿真器Simulator，把控制逻辑下装到它内部，并设置逻辑中各种节点状态，就可验证梯形逻辑的正确性、灵活性和安全性，同时也可以调WINCC画面操作与仿真器控制逻辑之间的互动，具体细节就不在此详述了。

   4 新建控制系统现场过渡

   因高炉生产的连续性和恢复炉况的要求，烧结控制系统过渡只有3天，为此我们制定了详细的施工过渡网络图，对每一小时的工作内容和人员力量都有安排，对何时停电、多少时间拆卸旧系统，新系统接线、打点、调试运行都作出部署，以确保改造工程进度，这一项目在2011年5月按计划得到了顺利实施。

   参考文献：

   [1]高金源. 计算机控制系统理论设计与实现[M]. 北京:北京航空航天大学出版社, 2001.

   [2]何衍庆, 戴自祥, 俞金寿. 可编程序控制器原理及应用技巧[M]. 北京:化学工业出版社, 1998.

   肖腾洲（1965-）男，高级工程师，1988年毕业于东北大学计算机应用专业，现就职于本钢炼铁厂，从事工厂DCS/PLC工程与维护工作。  

   摘自《自动化博览》2012年第一期