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　　摘要：本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用了自動(dòng)化行業(yè)創(chuàng)新和的技術(shù)，在本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，采用羅克韋爾自動(dòng)化公司全以太網(wǎng)的全廠*化解決方案，為用戶提供從控制器、網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控軟件到報(bào)表及Web發(fā)布系統(tǒng)的整體解決方案。實(shí)現(xiàn)了工廠的高度自動(dòng)化和信息化，現(xiàn)已成功實(shí)施并運(yùn)行。具有廣闊的應(yīng)用前景。

        一、概述
　　
　　中國(guó)是個(gè)能源資源相對(duì)貧乏的國(guó)家。人均石油、天然氣、煤炭資源的可采儲(chǔ)量分別為世界平均水平的3%、4.3%、55.4%。相對(duì)而言，中國(guó)的煤炭資源zui為豐富。隨著國(guó)家對(duì)燃料煤的節(jié)能和減排的重視，清潔燃煤技術(shù)在國(guó)內(nèi)得到了飛速的發(fā)展。
　　
　　在國(guó)內(nèi)某煤制氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,被控對(duì)象較為分散。模擬量在總的控制對(duì)象中占的比例大致為25%。同時(shí)，對(duì)于被控對(duì)象還要求能在中央控制室能夠?qū)崿F(xiàn)集中監(jiān)控。自動(dòng)化混合控制器PlantPAx繼承了傳統(tǒng)DCS和傳統(tǒng)PLC的優(yōu)點(diǎn)，不但擅長(zhǎng)于數(shù)字量的控制，其模擬量及回路調(diào)節(jié)控制能力已經(jīng)優(yōu)于傳統(tǒng)DCS。而近年來工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)逐漸成熟并得到了廣泛應(yīng)用。在煤制氣系統(tǒng)的集中監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用PlantPAx混合控制系統(tǒng)和工業(yè)以太網(wǎng)是一種合理的選擇。對(duì)于全廠分布控制器的集中監(jiān)控，多家自動(dòng)化廠商均推出了服務(wù)器客戶端模式（C/S）的監(jiān)控軟件。在本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，采用羅克韋爾自動(dòng)化公司全以太網(wǎng)的全廠*化解決方案，為用戶提供從控制器、網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控軟件到報(bào)表及Web發(fā)布系統(tǒng)的整體解決方案。
　　
　　二、設(shè)計(jì)方案
　　
　　在該煤制氣系統(tǒng)中，主要按工藝和位置分為以下幾個(gè)子系統(tǒng)：煤倉、煤氣發(fā)生爐、加壓、鍋爐、脫硫和空分。每套子系統(tǒng)從邏輯上相互獨(dú)立，受不同的人員管理，同時(shí)又具有一些連鎖保護(hù)的邏輯。另外比較特別的要求是，空分系統(tǒng)由于對(duì)可靠性要求較高，關(guān)鍵回路需要采用冗余的現(xiàn)場(chǎng)I/O。
　　
　　2.1網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
　　
　　在工廠控制及信息化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)中，羅克韋爾與思科聯(lián)合提出了融合的以太網(wǎng)方案。即在I/O控制層與數(shù)據(jù)信息層均采用以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)。并通過對(duì)以太網(wǎng)絡(luò)的管理滿足工業(yè)用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷規(guī)劃及安全等方面的要求。在本方案的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)中，參照羅克韋爾與思科聯(lián)合發(fā)布的融合以太網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)白皮書。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分為三個(gè)層級(jí)：現(xiàn)場(chǎng)I/O層，控制信息層和管理信息層。　　　　現(xiàn)場(chǎng)I/O層：現(xiàn)場(chǎng)I/O層對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性、可靠性有較高的要求。不允許出現(xiàn)由于I/O網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包延時(shí)而造成的控制錯(cuò)誤。另外，I/O層的網(wǎng)絡(luò)如果采用以太網(wǎng)架構(gòu)，當(dāng)冗余控制器發(fā)生IP地址切換時(shí)，不允許出現(xiàn)I/O通訊的中斷。以上兩點(diǎn)一直是過去多年以太網(wǎng)被應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)I/O層的zui大技術(shù)困難。EtherNet/IP的設(shè)備級(jí)以太環(huán)網(wǎng)技術(shù)（DeviceLevelRing，簡(jiǎn)稱DLR）很好的解決了上述問題。其具有高實(shí)時(shí)性及可靠性的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)某一節(jié)點(diǎn)中斷，環(huán)網(wǎng)的恢復(fù)時(shí)間可以控制在3ms以內(nèi)。而本系統(tǒng)選用的Controllogix系列DLR網(wǎng)絡(luò)適配器采用了嵌入式交換技術(shù)，無需使用交換機(jī)即可搭建一個(gè)I/O環(huán)網(wǎng)。這可以有效的減少施工時(shí)間，降低運(yùn)行維護(hù)的難度，普通電氣工程師無需IT知識(shí)即可對(duì)該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行維護(hù)和診斷。在空分系統(tǒng)中使用的1715系列冗余I/O也支持這一網(wǎng)絡(luò)。
　　
　　控制信息層：控制信息層主要用于操作員站、工程師站、數(shù)據(jù)庫等與控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互及生產(chǎn)信息化的功能。這一層網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求不及I/O層嚴(yán)格。但是對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的控制具有較高的要求。在本項(xiàng)目這一層級(jí)的網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中，中控室選用兩套Stratix8300系列三層管理型工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，與每個(gè)子系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)的Stratix8000系列二層管理型工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)一起構(gòu)成一個(gè)冗余星型網(wǎng)絡(luò)。Stratix系列管理型交換機(jī)具有VLAN,IGMPSnooping等功能，可以有效的進(jìn)行邏輯劃分和合理利用帶寬。
　　
　　管理信息層：管理信息層網(wǎng)絡(luò)主要是實(shí)現(xiàn)與工廠的辦公網(wǎng)絡(luò)連接。在本項(xiàng)目中，通過Cisico防火墻進(jìn)行二層和三層網(wǎng)絡(luò)的隔離。其中Web發(fā)布服務(wù)器由于需要獲取生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，又要發(fā)布報(bào)表供辦公網(wǎng)用戶使用，故需將其置于防火墻的DMZ區(qū)。
　　
　　2.2硬件設(shè)計(jì)
　　
　　在本系統(tǒng)的硬件選型上，選用了羅克韋爾集成架構(gòu)的核心控制器ControllogixPAC控制平臺(tái)。使用該控制平臺(tái)，可以根據(jù)需要任意搭建CPU、網(wǎng)絡(luò)、I/O冗余或非冗余的系統(tǒng)。該平臺(tái)*標(biāo)簽編程、自動(dòng)內(nèi)存分配、上位機(jī)可以直連的內(nèi)置標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫等特點(diǎn)。
　　
　　另外，本系統(tǒng)的空分子系統(tǒng)需要I/O冗余的功能。在選型上，采用了羅克韋爾發(fā)布的1715系列分布式雙通道冗余I/O。該系列I/O是從硬件上真正意義上的雙通道冗余I/O，當(dāng)一通道故障時(shí)，另一通道還可保證系統(tǒng)的正常工作。可以避免由此帶來的停機(jī)或?yàn)?zāi)難性故障。另外，該I/O的組態(tài)也非常簡(jiǎn)單。在組態(tài)時(shí)，成對(duì)的冗余I/O無需任何的編程，在程序中*可以按照單通道模塊的編程方式進(jìn)行配置。
　　
　　2.3軟件設(shè)計(jì)
　　
　　本系統(tǒng)選用FactoryTalk系列軟件套件。由于系統(tǒng)有多達(dá)7個(gè)操作員站。所以選用FactoryTalkViewSE服務(wù)器/客戶端模式的監(jiān)控軟件。這樣可以有效的減少直接訪問PAC的工作站的數(shù)量，降低PAC負(fù)荷，提高通訊效率。同時(shí)選用FactoryTalkHistorian實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫軟件記錄生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，并使用VantagePoint和ViewPoint軟件實(shí)現(xiàn)操作畫面和報(bào)表的Web發(fā)布。方便用戶從辦公網(wǎng)及時(shí)獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù)。如前面網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)所述，Web服務(wù)器被放置在防火墻的DMZ區(qū)。同時(shí)設(shè)工程師站一臺(tái)，安裝PAC及軟件配置相應(yīng)的套件。FactoryTalk系列軟件套件采用了SOA架構(gòu)。比如，ViewSE與數(shù)據(jù)庫軟件Historian共享LiveData服務(wù)，都從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器中獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。這樣的架構(gòu)也有效的提升了運(yùn)行效率，節(jié)約系統(tǒng)資源。
　　
　　2.4系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)
　　
　　本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上全面采用了羅克韋爾自動(dòng)化的PlantPAx軟硬件套件。分層化的全以太網(wǎng)設(shè)計(jì)，有效的進(jìn)行了系統(tǒng)負(fù)荷分配，同時(shí)使系統(tǒng)具有高度的數(shù)據(jù)共享能力。由于選用的控制器、交換機(jī)和監(jiān)控軟件是同一廠家的產(chǎn)品，可以利用廠家提供的預(yù)置模板控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，直接查看交換機(jī)的端口狀態(tài)、負(fù)荷等信息，幫助維護(hù)人員直觀有效的診斷網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況。擺脫傳統(tǒng)以太網(wǎng)對(duì)電氣維護(hù)人員不可見或高不可攀的弊病。同時(shí)系統(tǒng)采用的*的控制器和I/O硬件具有高度的可靠性，編程方便，易于維護(hù)。
　　
　　在選用的高性能的硬件和搭建合理網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，選用了組態(tài)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、Web報(bào)表等軟件套件，提高工廠的信息化程度。真正實(shí)現(xiàn)信息化工廠。
　　
　　三、小結(jié)
　　
　　本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用了自動(dòng)化行業(yè)創(chuàng)新和的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了工廠的高度自動(dòng)化和信息化，現(xiàn)已成功實(shí)施并運(yùn)行。具有廣闊的應(yīng)用前景。