宣钢炼钢厂计算机过程监控系统及管控一体化的设计与实现

宣化钢铁集团有限责任公司易地大修技改工程中，建80t顶底复吹转炉两座，90tLF精炉一座，6机6流小方坯连铸机一台，5机5流矩形坯连铸机一台。该工程主体设备基本上是国内厂家承担制作，控制系统选用美国Rockwell公司A-B品牌PLC，整个转炉-精炼-连铸工艺参数的检测、指示、报警、记录及调节功能均由PLC系统完成。系统采用Rockwell的三级网络，上层为以存太网（EntherNet）实现转炉、精炼、连铸系统的数据交换；中间为控制网（ControlNet）负责PLC系统通信；底层是设备网（DeviceNet）或远程I/O。计算机系统采用客户/服务器（Client/Server,C/S）结构，通过服务器与厂管理网络联接，实现管控一体，构成企业内部互联网（Intranet）。计算机过程控制系统的建立及Intranet的形成，为提高生产效率、工艺过程优化、降低成本、分析各种操作、预防各种事故的发生打下了良好的基础。
一期工程的主要工艺设备有一座转炉，一台小方坯连铸机。采用“高炉铁水-顶底复吹转炉-连铸”的生产工艺流程。自动控制系统应用A-BControlLogix5555 PLC系统，与运行Rockwell系列软件的计算机操作站组成发布式过程和顺序控制系统。
1 过程控制计算机系统的组成
1.1 转炉控制系统
所示，本系统由6套ControlLogix系统、6台计算机操作站和1台服务器通过ControlNet网络组成，完成转炉本体、上料系统、余热锅炉、烟气净化以及煤气回收的检测、控制与通信。转炉冶炼过程实现模型自动控制，预留了副枪等动态控制设备。

转炉倾动采用SEIMENS直流调速系统；氧枪升降系统采用了A-B 1336 IMPACT交流变频器，应用磁场定向控制方法对氧枪实施精确的速度和启动控制，停电时可用启动装置；钢包车、渣车采用交流变频调速，拖缆供电，保证平稳运行、准确停车；原辅料下料、余热锅炉通过PLC联锁控制；一次风机交流变频调速，采用西门子SIMOVERT MT中压变频器，用Profibus总线与控制系统通信。
操作站通过ControlNet网络与PLC系统通信，实现对生产过程的监控功能。由于多个MMI操作站连接在ControlNet上，可能实现分工操作，并且在故障发生时，其操作可由其他操作站代为执行。变频器通过DeviceNet与PLC通信。
服务器可采集各个操作站数据，对数据按要求进行处理后，提供给下一步的过程控制。当服务器运行RSSQL时，可以实现与上位机快速大量的数据交换。RSView32 Actrve Display Server/Client软件支持服务器通过ControlNet网连接到过程控制系统进行数据采集。通过EtherNet网络可以与其他控制系统及管理网络通信。
在服务器或MMI操作站上运行RSLogix5000及相关软件就可使其具备工程师站的功能。MMI软件支持网络编程功能，这样在系统运行过程中，通过网络上任何一台操作站可以对网络上任何一个PLC控制站进行编程、组态及调试。
1.2 六机六流小方坯连铸机控制系统
所示，小方坯连铸机控制系统由7套ControlLogix系统、4台操作站、1台过程计算机及远程I/O PLC组成。主要完成对钢平台拉矫与振动、二次冷却水、切割、出坯的自动控制。

PLC通过ControlNet组成控制站，直接完成对生产过程的控制和数据采集；以实时多任务系统软件支持下的计算机组成操作站；各操作室的操作台都配备了FLEX扩展I/O，通过远程I/O通信网与主PLC控制站实现通信，变频器与PLC也通过远程I/O方式通信，它们共同组成分布式控制系统；过程计算机实现数据库管理、生产管理、工艺优化、二冷自动配水、浇铸速度优化、物流跟踪、尾坯优化等功能；通过EtherNet连接其他计算机网络，并支持ODBC数据联接方式。
连铸机自动化系统采取“三电一体”设计思想，通过检测仪表、现场限位等采集工艺生产过程和设备运行状态的各种数据，实现过程回路和电气设备顺序控制。
2 控制系统的特点
2.1 ControlNet网络
ControlNet网络是新一代自动化控制网络，满足ICE61158国际工业现场总线标准。它提供了一种在PLC之间，PLC与MMI操作站及I/O子系统之间实现高速（5Mbps）的、可冗余的通信方式。它可以支持多达99个节点，最大网络距离20km。它可连接总线型、树型、星型及混合型等不同的网络拓扑结构。通过ControlNet可以在单一网络上完成关键性数据传送、I/O更新、处理器互锁、对等通信等功能。
Producer/Consumer通信模式可以使不同的处理器之间进行信号交换，I/O数据可以同时被多个设备共享。扩展模块及远程I/O模块可直接挂接在ControlNeth,使控制模块最可能接近现场检测元件，减少检测、控制信号的衰减、干扰，同时节约电缆，便于维护。
2.2 EtherNet网络
EtherNet网络是在操作站与服务器之间通过TCP/IP组成的Windows NT网络。Windows NT网络具有数据、文件共享的能力，通过统一的数据库接口（ODBC）使各操作站的历史、实时数据和文件集中管理，便于生产调度，可进一步实现管控一体。
2.3 系统安全性
本系统从基础级和管理级两方面加强系统的安全性。①ControlLogix系统本身具有较强的自检能力，如模块级故障检测、现场故障检测、断线诊断、现场断电、空载情况、电子保险、输出点故障的组态等。针对模块故障、背板通信故障，CPU能启动故障程序以保证系统的安全。②利用Windows NT用户管理功能，通过账号方式分配给操作员和工程师不同的权限，使系统避免由于人为原因造成破坏。
3 信息管理网络
管理网络设计为星型拓扑结构的1000M交换以太网。采用两级交换，主干为千兆光纤，服务器与中心交换机用千兆铜缆连接，二维交换机与集线器，集线器与用户计算机采用五类双绞线连接，使桌面带宽达100M。整个管理网络与生产现场的控制网络通过服务器连接，以实现管控一体化。
生产信息管理系统基于Intranet技术，以浏览器作为用户终端软件，服务器端采用大型数据库软件形在C/S的结构方式。提供的主要功能有：①生产数据采集 包括原材料消耗单、成品入库单、生产过程记录单的数据提交集确认。②生产统计及生产成本数据处理 包括产量统计、风位生产中消耗统计、各生产环节的生产实物投入、产出统计和厂内价格的资金投入等。③成本影响因素的动态分析及趋势预测 采用数据控掘技术，对生产成本构成的主要影响因素进行多角度的快速分析，并进行趋势预测。④通过计算机网络技术，配以通讯对讲系统、工业电视系统实现生产调度功能。
另外，管理网络具有实现可视会议系统以及现场生产视频监视系统的能力；预留了与公司总部网络及Internet连接的接口。
4 管控一体化的设计思想
4.1 钢铁企业信息环境的特点
钢铁企业的信息环境有其自身的特点：①分布性 这是由于地址位置分散和企业部门划分造成的，根据此特点要求采用分布式的计算机网络系统。②实时性 这是生产设备控制信息必须满足的条件。③可靠性 要求系统具有较高的诊断和容错功能。一方面避免传递错误信息，另一方面在出现错误时要有较强的恢复能力。④自治性 各控制系统和管理系统在集成运行的前提下，还必须保证各自独立运行能力，避免局部错误影响整个系统。⑤异构性 要求必须选用具有异构功能的网络系统。
4.2 构造管控一体化通信网络
要实施综合自动化，实现管控一体化，就必须设计出一种能在工业现场环境下运行的、性能可靠、造价及维护费用低廉的通信系统，形成企业底层网络，以完成现场设备之间的数字通信，进一步实现与管理层网络之间的信息交换。
4.3 选用先进的现场总线控制系统
当今迅速发展的现场总线技术能较好的满足企业信息环境的特点，使传统的测量和控制仪表具有数字计算和数字通信能力。同时利用同轴电缆、双绞线、光纤等介质将仪表与控制系统组成网络，以规范的通信协议实现数据传输与信息交换，形成满足需要的自动化系统。
现场总线作为智能设备联系的纽带，可以把挂接在其上的智能设备作业网络节点，不但可以完成基本的监控功能，同时还具有整体优化及管控一体化的综合自动化功能。
4.4 建设先进的计算机管理网络结构体系
C/S结构是现行企业信息网络的优选结构体系。首先，在相同的性能需求下可以使整个计算机系统的投资大幅降低；其次，它具有很好的开放性、兼容性和容错能力，并且易于功能和用户的扩充。
C/S结构体系实现了分布式协作处理业务。客户机可以分布设置在企业的各个部门，分别进行各自的业务处理，而且具有协作处理和计算的环境，发挥各自特长相互协作运行，实现有效的管控一体化管理。
5 结语
管控一体化是实现企业综合自动化的必然要求，它能对生产过程中的信息进行有效的控制和协调，提高决策和管理水平，实现生产过程优化和更先进的控制，从而提高产品质量、增加产量、降低成本，增强企业的市场竞争能力。