★牟福善（中粮黄海粮油工业（山东）有限公司，山东日照276800）

摘要：油脂行业中榨油是传统的流线型及过程型加工工艺，主要是将大豆经过工艺加工后变成大豆油产品的过程，涉及脱皮、压榨、轧胚、清理、过滤等工艺步骤。传统控制方式采用两个系统，它们又分别采用独立PLC进行控制。在系统稳定性、安全性、改造灵活性等方面都较欠缺。因此，需要从系统的角度，在高可靠性、冗余性、灵活性等方面进行改进。本文结合油脂厂自动化改造项目，分析研究了油脂企业的生产工艺流程以及涉及的工艺需求，并根据安全需求情况，分别对油脂企业榨油工艺中的各个子系统进行了介绍。

关键词：冗余控制系统；冗余网络

所谓民以食为天，粮食是人类赖以生存的必需品，是关系国计民生的特殊商品。粮油是对谷类、豆类等粮食和油料及其加工成品和半成品的统称，也是人类主要食物的统称。随着资源约束日益加剧和人口不断增长，以及工业化、城镇化的快速推进，我国确保粮油产品供应的压力将长期存在。

工艺控制由结果控制向过程控制转变，由控制指标向控制参数转变，由人工控制向自动化控制科学决策转变。保证粮油生产车间的连续稳定运转，不仅可以有效降低企业消耗成本，提高经济效益，还能够为粮油企业的节能减排以及国家的经济发展保驾护航。

1　系统概述

榨油车间PLC系统目前使用GE智能平台的Rx7i和9070系列控制产品。榨油浸出车间硬件包含一套PLC控制系统，CPU采用美国通用Rx7i系列，I/O模块及分站采用90-70系列。将预榨和浸出两个车间的CPU由独立架构调整为双CPU冗余架构，并通过冗余光纤进行数据同步和切换。

1.1　改造必要性

GERx7i和9070系列产品在1988年成功投放市场，2011年由于元器件的短缺及产品的更新换代而正式进入停产状态。这就意味着，相关Rx7i和9070产品在2011年已经无法通过官方渠道订货，亦无法进行模块维修等服务。

Rx7i系列CPU控制器与9070IO分站使用本地扩展和Genius的通讯协议。升级后的PAC3i控制系统，控制网络的实时性更强，吞吐量更大，其最高传输速率可达100M甚至1G，远远高于现有的通讯速率。Profinet的环网冗余技术，可防止闭环冗余系统的单点失效，整个IO通讯的抗干扰能力也将大大增强，其网络连接主要使用光纤或者屏蔽网线。

1.2　双机热备系统描述

双机热备控制系统为工业控制领域广大用户提供了一个可靠的无扰动切换的安全保护及过程控制系统。PACSystems双机热备控制系统采用冗余机架控制系统结构，每个CPU机架分别供电、通讯，主备CPU分别安装于两个独立的机架上，以防止系统受到共模干扰导致两个CPU都受到干扰。系统运行过程中，一旦主系统被检测到故障，所有控制将被自动切换至备用系统。两个CPU的扫描过程都是同步化进行的，以保持主CPU和备CPU同步工作，从而在CPU之间切换时对过程的影响和扰动降到最低，即实现无扰动切换。GE系列PACSystemsPLC双机热备系统性能指标如下：

无扰动切换：是。CPU切换时间：50ms。I/O切换时间：0ms。机架冗余：是。同步总线热备冗余：是。

1.3　PROFINET的环网冗余技术

PROFINET由PROFIBUS国际组织（PROFIBUS International，PI）推出，是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。

介质冗余协议优点包括：显著提高了设备的可用性，因为单个设备的故障对通信没有影响；所需的维修工作可以在没有任何时间压力的情况下进行，因为维修过程中工厂不需要停机；(单个断点）在发生网络故障时，可以进行快速的网络诊断并加快故障排除；一旦发生故障，由于生产停顿而造成的成本就会降低。

2　整体升级策略

升级改造的整体策略是，尽量保持原控制程序不变，转换后程序逻辑与连锁控制不发生变化，只是将原有系统的硬件平台进行升级，软件逻辑保留。

为了减少工程量和缩短改造工期，硬件和软件改造升级仍采用GE公司控制系统，将原来GE 90-70系统升级为GE PAC RX3i系列，相应的所有机架或模块替换为GE PAC RX3i系列，软件升级为CIMPLICITY V10.0版本，授权为运行版。

2.1　硬件升级

将老旧的9070CPU升级换代为最新的PAC系列CPU，新CPU性能及处理能力将大大提高。控制系统的IO升级（各类IO模块）。老旧的9070通讯及IO模块、底板等，将被最新的PAC系列IO替换。

2.2　软件升级

当前新购买的操作电脑对WindowsXP和Windows7已经不再更新相应驱动，目前新电脑基本上为Windows10操作系统。原来的软件已经无法在新操作系统上安装，因此需要将老版本的上位机及编程软件进行升级，同时升级后的各项软件功能将大大增强。

2.3　网络方面

原系统升级到PAC3i系统之后，主站与分站、分站与分站之间采用的是西门子专用Profinet工业以太网线，并配置专用Profinet工业以太网接头。若站与站距离超过100米，则需要配置相关的交换机并铺设光缆，同时需要在硬件上添加IC695SPF002光纤插头。

3　硬件系统功能

本系统采用RX3i系列CPU，并通过profinet总线控制各I/O分站。PACSystems™Rx3i自动化系列产品优势如下：

（1）RX3i拥有一个单一的控制引擎和一个统一的编程环境，能够在多种硬件平台方便地应用，并提供控制选择的真正融合。

（2）Rx3i采用标准化的嵌入式实时控制系统结构，克服了长期以来自动化系统无法使用PIII以上的高性能CPU和背板速率过低的难题，消除了自动化系统与计算机技术之间不断扩大的技术差距，极大地提升了自动控制系统的性能。

（3）Rx3i采用标准的、通用的VxWorks实时多任务操作系统。VxWorks操作系统是目前世界上技术最领先的嵌入式实时操作系统（RTOS），良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，使其在嵌入式实时操作系统领域占据主要地位。

3.1　CPU

选型型号：IC695CPE330，拥有32位的1GHz双核微处理器和64Mbytes用户内存的高性能控制器，无需多个控制器，使用户控制更加简单。

3.2　通讯背板

选型型号：IC695CHS012（12槽）。RX3i通用背板（机架）有7、12和16槽三种尺寸用于满足用户的应用需要。它支持带电插拔来减少停机时间。

3.3　电源模块

选型型号：IC695PS140。RX3i的电源模块像I/O一样简单地插在背板上，并且能与任何标准型号的RX3iCPU协同工作。每个电源模块都具有自动电压适应功能，用户无需跳线选择不同的输入电压。电源模块具有限流功能，发生短路时，电源模块会自动关断来避免硬件损坏。

4　人-机互联

人-机联系是值班员与计算机对话的窗口，值班员可借助鼠标和键盘方便地在CRT屏幕上与计算机对话。其中包括：具有任务管理功能，任务在创建、编辑、拷贝、启动、继续过程中会自动核对来料仓与目的仓内物料是否匹配、设置参数是否完整等检查。

4.1　系统数据库

实时数据库：数据库中的值应根据运行工况的实时变化而不断地更新，记录被监控设备的当前状态。实时库的刷新周期及数据精度可以设定。

历史数据库：对实时数据库中的每一点，可由用户事先定义并按设定的周期存入历史数据库中。历史数据库应能存储12个月的数据，所有的历史数据应能转存至光盘做长期存档。

4.2　报警功能

上位软件CIMPLICITY是一个方便、灵活、可靠、易于扩展的报警系统，能够报告系统活动及系统潜在的问题，保障系统安全运行。组态软件分布式报警管理提供多种报警管理功能，包括：无限的报警区管理、基于事件的报警、报警优先级、报警过滤功能，以及通过拨号网络的远程报警管理，可实现过程报警、故障报警，可根据报警优先权和报警时间的先后顺序进行报警。

4.3　界面需求

界面具有自控系统网络结构图、生产报表、设定参数上传下载、单个设备操作、故障、警告事件记录功能等，历史曲线及数据存储时间为30天以上。

（1）所有用户操作界面上显示的电机、阀门、仪表等设备图框及弹出框风格必须标准一致，大小统一。管道（指向线）风格及宽度大小保持一致，管道颜色应根据介质的不同严格区分。

（2）单个设备电机弹出式控制框可以设定手动/自动、联锁运行、联锁解除、打开（启动）、关闭（停止）按钮、事件记录窗口、所有联锁可勾选等操作显示功能。所有的控制调节回路都可以在操作站或工程师站上实现显示、参数设定和PID调节。

5　总结

冗余系统的意义在于：采取两套同样独立配置的硬件，在其中一套系统出现故障时，另一套系统能立即启动。一套单独的系统也许运行的故障率很高，但采取冗余措施后，在不改变内部设计的情况下，这套系统的可靠性可以大幅度提高。假如单独系统的故障率为50%，而采取冗余系统后马上可以将故障率降低到25%。冗余架构适用于粮油行业，并在行业中有广泛的应用，其系统完全满足工业现场的设备规范，并符合相应的国家标准。

作者简介：

牟福善（1976-），男，山东日照人，工程师，学士，现就职于中粮黄海粮油工业（山东）有限公司，主要从事电气管理工作。

摘自《自动化博览》2023年4月刊