“透明工厂”在济钢三炼钢工程中的应用
2007/9/13 15:20:00
1 概述
“透明工厂”是建立在信息技术和通讯技术的基础上，这些技术包括OPC开放软件标准和WEB技术等，主要包含三方面的内容：基于TCP/IP的通讯、WEB模式的网络应用和面向对象的编程。其核心是Ethernet和TCP/IP。
随着信息技术（IT）和通讯技术的发展，许多控制系统生产厂商均看到工业局域网的局限，要想在以后的信息化工业中得以发展及生存，必须向“透明工厂”的方向发展。
在济钢三炼钢工程中，整个自动化控制系统采用了施耐德公司Quantum系列PLC，实现全过程自动化，网络系统采用了“透明工厂”的设计思想，实现了设备维护及生产操作人员的远距离访问和监视，从而减少了劳动定员及劳动强度。
2 工艺概况
在济钢三炼钢120t转炉工程中，主要建设一座900t混铁炉、一套铁水预处理装置、一座120t氧气顶底复吹转炉及配套水处理、除尘等公辅设施。
炼钢生产的工艺路线为：高炉铁水罐→混铁炉→铁水预处理站→转炉→LF、VD精炼装置→连铸机。
3 “透明工厂”的实现
2000年施耐德公司率先将符合IEEE802.3规定的以太网应用于工业自动化，从而打破了自动化网络与信息网络的疆界，率先推出了工业以太网的标准：TCP/IP Modbus。该标准是在TCP/IP标准中，应用层采用Modbus。同时，施耐德公司将WEB应用到工业自动化，在自动化平台上内置WEB Server，从而使控制数据易于被不同的操作系统得到，也可以通过公共网络来访问工业现场的数据。这种基于WEB的体系结构使工业数据更加同步，网络集成难度降低，也可以更好的控制网络的数据流量。
施耐德公司的“透明工厂”的技术是完全开放的，它可以在所有的自动化环境下与制造执行系统（MES）和企业资源计划（ERP）无缝连接。它可提供的有关“透明工厂”的产品有：镶嵌式的WEB服务器、TCP/IP通讯的网络部件和以太网IO卡件。这些产品为“透明工厂”的实施提供了条件。
在济钢三炼钢工程中，为建设成一个全自动化、信息化、网络化的现代化工厂，各工艺流程自动化控制系统均采用了Quantum系列PLC控制系统，结合炼钢、精炼、连铸系统的工艺特点。一级为基础自动化网络采用符合Modbus TCP/IP协议的10/100M自适应环形工业以太网，各控制系统配置自带WEB网页的以太网通讯模板140 NOE 711 10，交换机选用TP-TX/TX系列499NES07100，集线器选用3TP/2FL系列499NEH00410。二级为过程自动化网络，采用100M的工业以太网，连接转炉、精炼、连铸系统，通讯介质采用光缆，并预留三级网络的接口。
通过施耐德公司提供的软件开发平台及网络协议，将整个控制系统的控制站及操作站HMI统一编制IP地址，可方便访问各系统的共享数据。在软件设计时，将系统的硬件状态及重要的工艺参数均设置在WEB中，设备维护及生产管理人员可通过网络系统实现远距离的访问，及时了解各系统的运行状况，增加了系统的透明度，实现了整个炼钢厂的“透明化”。
3.1 基础自动化控制系统
基础自动化控制系统是保证生产安全运行的基础，其主要任务是：根据HMI的操作指令、L2级的操作数据和现场各检测器的信号完成各个工艺设备或者工艺过程的顺序控制和PID调节控制；进行工艺过程及设备状态的实时数据采集、整理，然后传送到L2级；完成各工艺过程及设备的故障报警处理及显示。
(1) 系统网络结构
PLC系统选用Quantum系列PLC，包括水处理、除尘等整个系统配置了13套Quantum PLC控制装置、12套HMI，采用冗余光纤环网。各控制系统配置自带WEB网页的以太网通讯模板140 NOE 711 10，交换机选用TP-TX/TX系列499NES07100，集线器选用3TP/2FL系列499NEH00410。
整个网络系统采用环形工业以太网，自动控制系统设计为两级网络系统，一级为基础自动化网络，采用符合TCP/IP协议的10/100M自适应环行工业以太网，连接原料系统、净环水系统、浊环水系统、铁水预处理系统、混铁炉系统、除尘系统、煤气回收系统、煤气储备系统和转炉本体系统，通讯介质采用光缆。基础自动化系统网络结构图如图1所示。
图1 基础自动化系统网络结构图
(2) 服务器配置
在图2中，设有2台服务器，分别为基础自动化（L1）数据库服务器、L1.5级服务器。L1.5级服务器负责与L2级之间数据通讯与交换，下达L2级服务器指令。L1级数据库服务器主要负责PLC与上位端（服务器、客户机）之间的数据传输、数据存储、报警等功能。
(3) 客户端配置
客户端主要完成对现场设备的检测、监视、控制、调节、诊断，主要系统有辅原料及铁合金上料系统、辅原料及铁合金投料系统、倾动氧枪系统、副枪系统、转炉本体辅助系统、转炉本体仪表系统、汽化冷却及烟气净化系统、煤气回收系统、一二次除尘系统和净浊环水处理系统。上位监控软件Server-Client 结构，利用Server-Client网络软件的特点，实现各上位监控机之间相互切换、互为备用，达到远程访问、监控、操作、调节、诊断的目的。
(4) 系统通讯
Quantum系列PLC 具有多种协议的通讯方式，主要有：Modbus TCP/IP、Modbus Plus、Modbus，本系统中充分利用了其强有力的通讯能力。
? Modbus TCP/IP通讯
在光纤冗余环形以太网上，每个PLC单元及上位监控机都被分配独一无二的IP地址，PLC的CPU通过本站的NOE通讯模板，利用CONCEPT编程软件下的I/O SCANNER或TCP/IP读写功能块设置IP地址及传输的寄存器地址，经过交换机在以太网上发送、接收信息，上位监控机通过以太网卡经过交换机在以太网上发送、接收信息。
? Modbus Plus通讯
Momentum 是施耐德公司开发的一种高度灵活、性能稳定、高可靠性的分布式I/O系统，并具有Modbus TCP/IP、Modbus Plus等通讯能力。它的使用给解决现场控制站到中央控制站长距离传输问题带来了极大的方便。在本系统中，上料、投料PLC中采用了Momentum系列，通过Modbus Plus网络连接，实现远距离I/O信号的采集。
(5) 系统软件配置及功能
? 编程软件
采用施耐德公司CONCEPT 2.5编程软件，运用梯形逻辑（LD）及控制功能块（FBD）相结合的编程方式实现对现场设备进行过程监控、检测、调节、操作。
? 监控软件
采用施耐德公司Monitor Pro V7 上位监控软件Server-Client，服务器及客户机运行在WINDOWS2000平台上，Monitor Pro V7建立在多层次体系结构上，综合了三种不同的功能：数据存储功能、数据处理功能、用户接口功能。
3.2 过程自动化系统（L2）
过程控制系统是工艺生产的关键，该工程L2主要包括：120t转炉、化验室、LF/VD精炼、连铸机，其主要任务是：各工艺过程的生产数据采集，数据分析，操作数据设定和打印报表等。
济钢三炼钢L2系统网络结构图如图2所示。
图2 济钢三炼钢L2系统网络结构图
4 系统安全性
“透明工厂”的核心是通信网络，其网络技术是完全开放的，网络的安全直接决定了系统的安全运行。在该工程中，由于系统网络庞大、复杂，为保证其安全、稳定运行，在OPC Server 终端上开发了网络故障诊断功能，实时检测网络系统故障，如：数据库故障、ODBC故障、EDI故障等。
为保证网络安全，拒绝非法用户登录和破坏，系统设置了严格的授权，网络的访问必须由用户进行身份确认，通过口令控制赋予不同用户不同的权利。另外，系统中还安装了防火墙软件和诺顿高效企业版杀毒软件，以防范计算机病毒的侵犯。
5 结语
“透明工厂”在济钢新炼钢工程的应用取得成功，符合当今计算机控制技术的发展潮流，具有先进性、可靠性、可维护性，便于系统扩展，提高了自动化控制水平，减少了设备故障率及维护量，取得了较好的经济效益及社会效益。
“透明工厂”是建立在信息技术和通讯技术的基础上，这些技术包括OPC开放软件标准和WEB技术等，主要包含三方面的内容：基于TCP/IP的通讯、WEB模式的网络应用和面向对象的编程。其核心是Ethernet和TCP/IP。
随着信息技术（IT）和通讯技术的发展，许多控制系统生产厂商均看到工业局域网的局限，要想在以后的信息化工业中得以发展及生存，必须向“透明工厂”的方向发展。
在济钢三炼钢工程中，整个自动化控制系统采用了施耐德公司Quantum系列PLC，实现全过程自动化，网络系统采用了“透明工厂”的设计思想，实现了设备维护及生产操作人员的远距离访问和监视，从而减少了劳动定员及劳动强度。
2 工艺概况
在济钢三炼钢120t转炉工程中，主要建设一座900t混铁炉、一套铁水预处理装置、一座120t氧气顶底复吹转炉及配套水处理、除尘等公辅设施。
炼钢生产的工艺路线为：高炉铁水罐→混铁炉→铁水预处理站→转炉→LF、VD精炼装置→连铸机。
3 “透明工厂”的实现
2000年施耐德公司率先将符合IEEE802.3规定的以太网应用于工业自动化，从而打破了自动化网络与信息网络的疆界，率先推出了工业以太网的标准：TCP/IP Modbus。该标准是在TCP/IP标准中，应用层采用Modbus。同时，施耐德公司将WEB应用到工业自动化，在自动化平台上内置WEB Server，从而使控制数据易于被不同的操作系统得到，也可以通过公共网络来访问工业现场的数据。这种基于WEB的体系结构使工业数据更加同步，网络集成难度降低，也可以更好的控制网络的数据流量。
施耐德公司的“透明工厂”的技术是完全开放的，它可以在所有的自动化环境下与制造执行系统（MES）和企业资源计划（ERP）无缝连接。它可提供的有关“透明工厂”的产品有：镶嵌式的WEB服务器、TCP/IP通讯的网络部件和以太网IO卡件。这些产品为“透明工厂”的实施提供了条件。
在济钢三炼钢工程中，为建设成一个全自动化、信息化、网络化的现代化工厂，各工艺流程自动化控制系统均采用了Quantum系列PLC控制系统，结合炼钢、精炼、连铸系统的工艺特点。一级为基础自动化网络采用符合Modbus TCP/IP协议的10/100M自适应环形工业以太网，各控制系统配置自带WEB网页的以太网通讯模板140 NOE 711 10，交换机选用TP-TX/TX系列499NES07100，集线器选用3TP/2FL系列499NEH00410。二级为过程自动化网络，采用100M的工业以太网，连接转炉、精炼、连铸系统，通讯介质采用光缆，并预留三级网络的接口。
通过施耐德公司提供的软件开发平台及网络协议，将整个控制系统的控制站及操作站HMI统一编制IP地址，可方便访问各系统的共享数据。在软件设计时，将系统的硬件状态及重要的工艺参数均设置在WEB中，设备维护及生产管理人员可通过网络系统实现远距离的访问，及时了解各系统的运行状况，增加了系统的透明度，实现了整个炼钢厂的“透明化”。
3.1 基础自动化控制系统
基础自动化控制系统是保证生产安全运行的基础，其主要任务是：根据HMI的操作指令、L2级的操作数据和现场各检测器的信号完成各个工艺设备或者工艺过程的顺序控制和PID调节控制；进行工艺过程及设备状态的实时数据采集、整理，然后传送到L2级；完成各工艺过程及设备的故障报警处理及显示。
(1) 系统网络结构
PLC系统选用Quantum系列PLC，包括水处理、除尘等整个系统配置了13套Quantum PLC控制装置、12套HMI，采用冗余光纤环网。各控制系统配置自带WEB网页的以太网通讯模板140 NOE 711 10，交换机选用TP-TX/TX系列499NES07100，集线器选用3TP/2FL系列499NEH00410。
整个网络系统采用环形工业以太网，自动控制系统设计为两级网络系统，一级为基础自动化网络，采用符合TCP/IP协议的10/100M自适应环行工业以太网，连接原料系统、净环水系统、浊环水系统、铁水预处理系统、混铁炉系统、除尘系统、煤气回收系统、煤气储备系统和转炉本体系统，通讯介质采用光缆。基础自动化系统网络结构图如图1所示。
图1 基础自动化系统网络结构图
(2) 服务器配置
在图2中，设有2台服务器，分别为基础自动化（L1）数据库服务器、L1.5级服务器。L1.5级服务器负责与L2级之间数据通讯与交换，下达L2级服务器指令。L1级数据库服务器主要负责PLC与上位端（服务器、客户机）之间的数据传输、数据存储、报警等功能。
(3) 客户端配置
客户端主要完成对现场设备的检测、监视、控制、调节、诊断，主要系统有辅原料及铁合金上料系统、辅原料及铁合金投料系统、倾动氧枪系统、副枪系统、转炉本体辅助系统、转炉本体仪表系统、汽化冷却及烟气净化系统、煤气回收系统、一二次除尘系统和净浊环水处理系统。上位监控软件Server-Client 结构，利用Server-Client网络软件的特点，实现各上位监控机之间相互切换、互为备用，达到远程访问、监控、操作、调节、诊断的目的。
(4) 系统通讯
Quantum系列PLC 具有多种协议的通讯方式，主要有：Modbus TCP/IP、Modbus Plus、Modbus，本系统中充分利用了其强有力的通讯能力。
? Modbus TCP/IP通讯
在光纤冗余环形以太网上，每个PLC单元及上位监控机都被分配独一无二的IP地址，PLC的CPU通过本站的NOE通讯模板，利用CONCEPT编程软件下的I/O SCANNER或TCP/IP读写功能块设置IP地址及传输的寄存器地址，经过交换机在以太网上发送、接收信息，上位监控机通过以太网卡经过交换机在以太网上发送、接收信息。
? Modbus Plus通讯
Momentum 是施耐德公司开发的一种高度灵活、性能稳定、高可靠性的分布式I/O系统，并具有Modbus TCP/IP、Modbus Plus等通讯能力。它的使用给解决现场控制站到中央控制站长距离传输问题带来了极大的方便。在本系统中，上料、投料PLC中采用了Momentum系列，通过Modbus Plus网络连接，实现远距离I/O信号的采集。
(5) 系统软件配置及功能
? 编程软件
采用施耐德公司CONCEPT 2.5编程软件，运用梯形逻辑（LD）及控制功能块（FBD）相结合的编程方式实现对现场设备进行过程监控、检测、调节、操作。
? 监控软件
采用施耐德公司Monitor Pro V7 上位监控软件Server-Client，服务器及客户机运行在WINDOWS2000平台上，Monitor Pro V7建立在多层次体系结构上，综合了三种不同的功能：数据存储功能、数据处理功能、用户接口功能。
3.2 过程自动化系统（L2）
过程控制系统是工艺生产的关键，该工程L2主要包括：120t转炉、化验室、LF/VD精炼、连铸机，其主要任务是：各工艺过程的生产数据采集，数据分析，操作数据设定和打印报表等。
济钢三炼钢L2系统网络结构图如图2所示。
图2 济钢三炼钢L2系统网络结构图
4 系统安全性
“透明工厂”的核心是通信网络，其网络技术是完全开放的，网络的安全直接决定了系统的安全运行。在该工程中，由于系统网络庞大、复杂，为保证其安全、稳定运行，在OPC Server 终端上开发了网络故障诊断功能，实时检测网络系统故障，如：数据库故障、ODBC故障、EDI故障等。
为保证网络安全，拒绝非法用户登录和破坏，系统设置了严格的授权，网络的访问必须由用户进行身份确认，通过口令控制赋予不同用户不同的权利。另外，系统中还安装了防火墙软件和诺顿高效企业版杀毒软件，以防范计算机病毒的侵犯。
5 结语
“透明工厂”在济钢新炼钢工程的应用取得成功，符合当今计算机控制技术的发展潮流，具有先进性、可靠性、可维护性，便于系统扩展，提高了自动化控制水平，减少了设备故障率及维护量，取得了较好的经济效益及社会效益。
投诉建议
提交
查看更多评论
其他资讯
助力企业恢复“战斗状态”：MyMRO我的万物集·固安捷升级开工场景方案
车规MOSFET技术确保功率开关管的可靠性和强电流处理能力
未来十年, 化工企业应如何提高资源效率及减少运营中的碳足迹?
2023年制造业“开门红”，抢滩大湾区市场锁定DMP工博会
2023钢铁展洽会4月全新起航 将在日照触发更多商机