Citect監(jiān)控系統(tǒng)在熱扎中的應(yīng)用

上海寶鋼（集團(tuán)）公司2050熱軋廠，現(xiàn)有四座步進(jìn)式加熱爐，年板坯加熱能力達(dá)500萬噸，包括作為加熱爐燃料供應(yīng)的煤氣加壓站、以及重油、蒸汽站等輔助設(shè)施在內(nèi)，原先全部使用美國ABB-TAYLOR公司的MOD30儀表，組成了加熱爐和煤氣站兩套過程控制系統(tǒng)。在MOD30基礎(chǔ)上構(gòu)成的MOD3206III級系統(tǒng)，作為早期的DCS產(chǎn)品，故障率高，反應(yīng)緩慢，人機(jī)界面僵硬，尤其是與執(zhí)行優(yōu)化燒鋼模型計算的上位計算機(jī)SICOMP M70的通訊經(jīng)常死機(jī)，造成優(yōu)化的燒鋼模型實際上無法投入使用，影響了燒鋼的控制水平，難以保證最小能耗下的最佳燒鋼效果。 　　因而，作為過程生產(chǎn)方和維護(hù)方來說，性能優(yōu)異的過程監(jiān)控系統(tǒng)是實現(xiàn)優(yōu)化過程控制的重要條件。寶鋼要求其監(jiān)控操作系統(tǒng)必須具有下面一些基本特點： 1） 可靠性。即系統(tǒng)應(yīng)是完全安全可靠的，這就要求監(jiān)控系統(tǒng)必須性能穩(wěn)定，并保持在最快速度下實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確上傳和下達(dá)，能夠?qū)崿F(xiàn)功能的分散和冗余以確?！安糠植挥绊懻w”，能夠?qū)崿F(xiàn)對運行和維護(hù)人員及其他進(jìn)入系統(tǒng)人員的有效控制。 2） 靈活性。監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)始終保證人機(jī)界面的友好性，最大限度地滿足各種監(jiān)控要求，不僅便于系統(tǒng)狀態(tài)和過程對象的監(jiān)控，而且要便于維護(hù)人員在系統(tǒng)運行過程中，不斷修改、完善和提高系統(tǒng)運用水平，提供最佳和最適于監(jiān)控操作的界面。此外，系統(tǒng)應(yīng)在硬件和軟件等方面具有模塊化和面向過程對象的結(jié)構(gòu)，確保具有良好的擴(kuò)展性。 3） 開放性。監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)能對于所有符合開放標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品和系統(tǒng)，納入與其直接數(shù)據(jù)通訊的范疇，從而保證在統(tǒng)一的管理和維護(hù)下充分利用系統(tǒng)資源，方便地與各種DCS和PLC控制器件實現(xiàn)通訊，并能與其他信息管理系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。 4） 可維護(hù)性。新型的監(jiān)控系統(tǒng)在軟、硬件方面的模塊化結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大的自診斷功能，方便了對系統(tǒng)故障的分析和診斷，并能夠?qū)崿F(xiàn)在線的監(jiān)控數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用程序修改和監(jiān)控任務(wù)的動態(tài)調(diào)度和分配，便于系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)。更重要的是，新系統(tǒng)應(yīng)能擺脫傳統(tǒng)DCS專用操作站、工程師的束縛，使用性能不斷提高、價格不斷下降的PC機(jī)和高速的局域網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)過程數(shù)據(jù)的采集和共享，從而大大降低監(jiān)控系統(tǒng)的投資和維護(hù)成本。 　　從一九九四年開始，寶鋼針對過程和用戶對過程控制和監(jiān)控操作的實際需要，對原有的MOD30系統(tǒng)分別進(jìn)行了改造，到一九九七年為止，我們以分步實施的方式全部完成了這兩套系統(tǒng)的改造，形成了具有世界先進(jìn)水平和適應(yīng)未來DCS發(fā)展趨勢的新型全冗余分散型控制系統(tǒng)。這套新系統(tǒng)采用了基于MODCELL過程控制級和CITECT監(jiān)控級以及高速串行數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)的CMS系統(tǒng)。 ■監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 　　CITECT監(jiān)控系統(tǒng)采取客戶/服務(wù)器（Client-Server）的結(jié)構(gòu)方式，使用輸入/輸出服務(wù)器（I/O Server）專管與各過程控制站的數(shù)據(jù)通訊功能，而監(jiān)控操作站和服務(wù)器之間則使用局域網(wǎng)相連。由于系統(tǒng)以擴(kuò)展性架構(gòu)作為其關(guān)鍵性的結(jié)構(gòu)原則，所以具有近乎任意的擴(kuò)展能力。 　　

　　在寶鋼熱軋的系統(tǒng)應(yīng)用中（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示），加熱爐和煤氣站的兩套系統(tǒng)各使用兩臺COMPAQ服務(wù)器，作為各自系統(tǒng)互為冗余的主、副I/O Server，服務(wù)器使用16口高速串行數(shù)據(jù)通訊板（Digiboard）PC 16i / PC 4e，與MODCELL控制站以MODBUS協(xié)議（RS485方式）進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，從而保證服務(wù)器與MODCELL過程控制級之間的所有過程數(shù)據(jù)信息交換在ms內(nèi)完成。過程控制級包括控制主站和子站，每一套子站對應(yīng)于與監(jiān)控級通訊的一個數(shù)字通道。加熱爐過程控制級包括一、二、三、四號爐和公用部分（蒸汽、重油系統(tǒng)）共5套MODCELL控制主站，下屬30個控制子站，煤氣站過程控制級為1個控制主站，包括4個控制子站。 　　加熱爐系統(tǒng)使用四臺、煤氣站使用兩臺PC機(jī)承擔(dān)操作站功能，系統(tǒng)內(nèi)的六臺（或四臺）計算機(jī)使用10Mbps細(xì)纜以太網(wǎng)相連，兩系統(tǒng)之間通過一條1公里長的光纜互連，實現(xiàn)了兩個區(qū)域系統(tǒng)的一體化和過程數(shù)據(jù)的共享。I/O Server使用COMPAQ Proliant 1500R和Proliant 2500R服務(wù)器，Pentium 120/Pentium Pro166，內(nèi)存128M，SCSI 2.1G硬盤。操作站主要使用COMPAQ Deskpro2000, 內(nèi)存64M，采用21”大屏幕顯示器用于監(jiān)控操作。 　　整個監(jiān)控系統(tǒng)中，服務(wù)器安裝中文Windows NT Server操作系統(tǒng)，操作站安裝中文Windows NT Workstation操作系統(tǒng)，作為CITECT運行平臺，并采用Windows NT進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的管理和用戶登錄控制。作為基于Windows NT核心開發(fā)的應(yīng)用程序，CITECT技術(shù)充分利用了這一網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)的I/O Server實際擔(dān)當(dāng)了NT網(wǎng)絡(luò)管理和CITECT應(yīng)用程序的雙重服務(wù)器功能。系統(tǒng)的安全策略利用了NT操作系統(tǒng)和CITECT應(yīng)用程序提供的雙重安全功能，Windows NT在操作系統(tǒng)的層面上管理操作員用戶或網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)管理人員的登錄，而CITECT通過設(shè)置以安全級別為基礎(chǔ)的各種用戶，在應(yīng)用程序?qū)用鎸Σ僮鲉T的操作權(quán)限進(jìn)行控制，保證正常操作，禁止越權(quán)操作。 ■CITECT監(jiān)控系統(tǒng)的功能應(yīng)用 　　▲優(yōu)化的系統(tǒng)冗余性能 　　CITECT系統(tǒng)將實際運行的監(jiān)控任務(wù)模塊化的分為5個主要部分：即輸入/輸出，圖形的顯示和控制，報警，報表和趨勢。在寶鋼熱軋的應(yīng)用中，兩套系統(tǒng)涉及的輸入/輸出總量達(dá)到七千點左右，過程趨勢記錄共一千條左右。在加熱爐和煤氣站的兩套系統(tǒng)內(nèi)，兩套系統(tǒng)內(nèi)部所有監(jiān)控站（包括服務(wù)器和操作站）的運行程序全部保持一致（專用通訊機(jī)還附加了通訊程序），因而多重化的操作站在圖形的顯示和控制方面自然形成了冗余化，任何一臺操作站都可以實現(xiàn)相同的操作。為了最大限度減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊量，降低系統(tǒng)負(fù)荷，提高系統(tǒng)運行效率和動態(tài)響應(yīng)特性，系統(tǒng)實行了按需分配的原則，除了報警信息以外，操作站只請求當(dāng)前系統(tǒng)運行前臺（畫面顯示和控制）和后臺（背景程序）的I/O數(shù)據(jù)，并對I/O數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)通訊采用打包技術(shù)，因而整個監(jiān)控系統(tǒng)的運行效率很高，I/O Server的CPU負(fù)荷小于30%，動態(tài)響應(yīng)特性也很好，直接表現(xiàn)在畫面進(jìn)行任意切換時，從開始切換畫面到所有最新數(shù)據(jù)顯示的時間間隔小于2秒，（同一畫面上的動態(tài)數(shù)據(jù)刷新則更快）。 而只需通過對系統(tǒng)配置程序或配置文件的簡單修改，監(jiān)控系統(tǒng)就可在不修改CITECT運行數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，在線實現(xiàn)輸入/輸出、報警、報表和趨勢等各種任務(wù)的冗余。 CITECT監(jiān)控系統(tǒng)的輸入/輸出冗余采取了下面的靈活方式： 1） 服務(wù)器冗余。正常時，主I/O Server處理與所有MODCELL控制子站的數(shù)據(jù)通訊，副I/O Server在一定的時間間隔內(nèi)（此參數(shù)可通過配置文件修改），測試一下它與MODCELL通訊鏈路是否正常，若不正常則立即觸發(fā)硬件報警信息，通知操作維護(hù)人員及時處理。在另一時間間隔內(nèi)（此參數(shù)也可通過配置文件修改），測試主I/O Server的運行狀態(tài)，如果運行不正常，則立即自動接替主I/O Server的所有輸入/輸出服務(wù)功能。一旦原主服務(wù)器恢復(fù)正常，則CITECT監(jiān)控系統(tǒng)的I/O控制權(quán)，則自動回復(fù)到原來的主I/O Server。因此，在正常情況下，副I/O Server不存取MODCELL參數(shù)，大大減少了MODBUS通訊網(wǎng)絡(luò)上的通訊負(fù)荷。對于那些由服務(wù)器保存的磁盤變量，則通過系統(tǒng)專門的鏡像程序，及時將發(fā)生變化的參數(shù)和變量全部復(fù)制到副I/O Server，從而保證過程數(shù)據(jù)的完整性和一致性。 2） 通訊鏈路冗余。主、副I/O Server通過各自完全獨立的通訊鏈與MODCELL控制子站相連。當(dāng)連接主I/O Server的MODBUS通訊鏈路發(fā)生故障時，副I/O Server就會立即啟動通訊功能，接管與位于故障通訊鏈上的控制子站進(jìn)行的數(shù)據(jù)通訊，直到主通訊鏈恢復(fù)為止。 3） MODCELL控制單元的冗余。當(dāng)連接在主I/O Server的控制子站上的單個MODCELL控制單元通訊發(fā)生故障時，則這塊MODCELL控制單元與CITECT的通訊將由副I/O Server來承擔(dān)，實現(xiàn)局部通訊量的切換。 　　整個監(jiān)控系統(tǒng)就是使用上述這樣的方式，實現(xiàn)了從服務(wù)器、鏈路到控制單元三個層次上的輸入/輸出通訊的冗余化，當(dāng)前掌握I/O控制權(quán)的服務(wù)器負(fù)責(zé)處理與過程控制單元間的所有數(shù)據(jù)通訊，因而從監(jiān)控系統(tǒng)角度最大限度保證了CITECT與MODCELL之間通訊聯(lián)系的可靠性，（對于過程控制級而言，通過同時與I/O Server相連的兩個控制器之間的冗余機(jī)制，實現(xiàn)主副控制單元冗余，這種冗余對監(jiān)控系統(tǒng)是透明的）。 　　為了分散系統(tǒng)的工作負(fù)荷，保證系統(tǒng)的運行效率，在熱軋監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中，我們采取了I/O與其它監(jiān)控服務(wù)分開的原則，即主I/O Server作為冗余的報警、報表及趨勢服務(wù)器，而由副I/O Server作為主的報警、報表和趨勢服務(wù)器。在正常情況下，所有CITECT操作站都只向副I/O Server請求有關(guān)報警、報表和趨勢等信息，由監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部自動實現(xiàn)主副服務(wù)器的信息鏡像，保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性。當(dāng)副I/O Server發(fā)生故障時，則所有操作站對上述監(jiān)控信息的請求轉(zhuǎn)向冗余的主I/O Server。與I/O通訊冗余不同的是，即使副I/O Server經(jīng)故障處理恢復(fù)了正常運行，除非操作站經(jīng)過重啟動或主I/O Server發(fā)生故障停機(jī)，否則監(jiān)控信息將仍保持由主I/O Server處理，這樣做是為了減少由于系統(tǒng)不斷檢查原先的主控信息服務(wù)器是否恢復(fù)正常，而導(dǎo)致的過度檢查負(fù)荷。 　　▲靈活豐富的監(jiān)控功能 　　CITECT監(jiān)控系統(tǒng)向用戶提供了極大的應(yīng)用靈活性和系統(tǒng)開放性。在寶鋼熱軋的加熱爐和煤氣站系統(tǒng)中，根據(jù)系統(tǒng)的特點和生產(chǎn)工藝的要求，我們在系統(tǒng)設(shè)計中開發(fā)了大量新穎、實用的監(jiān)控功能，產(chǎn)生了系統(tǒng)改造最明顯、最直觀的效果，也在提高效率、確保安全、降低維護(hù)成本等方面產(chǎn)生了突出的效益。新的加熱爐和煤氣站監(jiān)控系統(tǒng)，一改過去以落后的面板顯示和機(jī)械按鈕操作，跳過傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)的簡單模擬畫面，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化操作、三維動態(tài)畫面顯示、全鼠標(biāo)操作、多媒體化、完整的監(jiān)控操作記錄等多種監(jiān)控服務(wù)功能。 　　▲開放的通訊功能 　　作為系統(tǒng)改造的一個基本動因，是建立與執(zhí)行燒鋼優(yōu)化數(shù)學(xué)模型計算的上位計算機(jī)的穩(wěn)定良好通訊。在熱軋加熱爐的整個監(jiān)控系統(tǒng)中，設(shè)置了一臺專職的通訊前置機(jī)，在其具備所有通常的基礎(chǔ)上，在后臺運行另一個通訊程序，實現(xiàn)所有爐況信息向上位計算機(jī)的發(fā)送和接收上位機(jī)設(shè)定的優(yōu)化燒鋼設(shè)定值。該通訊機(jī)同時使用兩種方式進(jìn)行通訊，即通過上位計算機(jī)的TCP/IP網(wǎng)關(guān)進(jìn)行的以太網(wǎng)上的數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)與ALPHA燒鋼控制計算機(jī)通訊，以及通過RS232串口轉(zhuǎn)20mA電流環(huán)，與SICOMP M70（為上位計算機(jī)的備用機(jī)）進(jìn)行串行通訊。 　　▲軟件化檢修掛牌 　　在寶鋼熱軋的CITECT監(jiān)控系統(tǒng)中，由于使用了全鼠標(biāo)操作，所有數(shù)據(jù)和狀態(tài)只在畫面上顯示，使原來在機(jī)械式按鈕和按鍵上進(jìn)行的檢修掛牌無法實現(xiàn)，造成了安全隱患。因而系統(tǒng)設(shè)計了軟件化檢修掛牌功能，設(shè)備只有在指定生產(chǎn)人員的正確密碼輸入后才能進(jìn)行生產(chǎn)檢修掛牌和摘牌，系統(tǒng)不僅能夠及時顯示當(dāng)前的設(shè)備檢修狀態(tài)，還禁止了設(shè)備在掛牌檢修狀態(tài)下的啟動操作，徹底保證了監(jiān)控操作的安全性。所有的掛摘牌操作也作為操作記錄內(nèi)容的一部分被記錄下來，因而在這一監(jiān)控系統(tǒng)中，設(shè)備的檢修過程這一管理信息也進(jìn)入了過程控制系統(tǒng)。 　　▲烘爐升溫曲線的自動跟蹤 　　加熱爐在每次停爐檢修的前后，其降溫或升溫過程都有非常嚴(yán)格的要求，以保證爐內(nèi)耐材的使用壽命。在新的監(jiān)控系統(tǒng)中，操作人員只需在升溫或降溫開始時，將各時段的目標(biāo)溫度和時間軸位置輸入相應(yīng)表格（也可選擇預(yù)置的數(shù)據(jù)表格），系統(tǒng)就可在趨勢畫面中實時地將目標(biāo)值、實際測量值比較顯示，指導(dǎo)操作人員或自動進(jìn)行溫升控制。這一功能的實現(xiàn)使整個爐體升、降溫過程的溫度偏差，遠(yuǎn)低于50℃的目標(biāo)要求，減少了升溫過程溫度偏差對爐齡壽命的影響。 　　▲集中監(jiān)視和多媒體報警 　　集中監(jiān)視是監(jiān)控系統(tǒng)的基本要求，在熱軋加熱爐的應(yīng)用中，我們充分利用集中監(jiān)視的優(yōu)越性。在加熱爐中，爐內(nèi)循環(huán)冷卻水的運行情況，直接關(guān)系到爐內(nèi)梁、柱冷卻情況，對加熱爐系統(tǒng)的正常生產(chǎn)有著至關(guān)重要的作用。因此，我們將每座爐子爐體內(nèi)61點循環(huán)冷卻水水溫及流量開關(guān)，設(shè)置了專用的集中監(jiān)視畫面，并且畫面中溫度顯示和實際的測溫點位置對應(yīng)起來，并設(shè)置了多媒體化的預(yù)警和報警功能，當(dāng)溫度過高時，系統(tǒng)不僅發(fā)出報警聲，而且能夠自動切換到發(fā)生報警的冷卻水溫度集中監(jiān)視畫面，等待操作者確認(rèn)處理。此外，對于其他一些不需切換畫面，但需要提醒操作人員特別注意的報警信息，我們還設(shè)置了不同的語音報警和提示信息。 　　▲故障處理軟件指南 　　就象任何一個成功的應(yīng)用軟件系統(tǒng)，都必須具備良好完備的操作幫助和指南一樣，作為過程控制系統(tǒng)重要組成部分的監(jiān)控系統(tǒng)，一個準(zhǔn)確、有效的操作幫助和提示，也將對系統(tǒng)的良好運行產(chǎn)生有益的作用。在熱軋加熱爐和煤氣站的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中，我們編制了部分故障處理的在線幫助功能，雖然數(shù)量還需要在今后的應(yīng)用中不斷增加，但也起到了明顯的效果。當(dāng)加熱爐或煤氣站發(fā)生停爐或煤氣切斷等重大故障或嚴(yán)重報警時，系統(tǒng)將自動產(chǎn)生聲光報警，并自動切換到專用報警狀態(tài)指示畫面，操作者除了可以看到對應(yīng)的報警狀態(tài)外，還可以看到相應(yīng)的故障處理指南和重要數(shù)據(jù)指示，這就為迅速排除故障提供了有力的幫助。 　　 　　▲系統(tǒng)應(yīng)用效果 　　上面介紹的這些豐富的監(jiān)控功能，只是整個系統(tǒng)強(qiáng)勁功能的一小部分，而且這些功能的實現(xiàn)在CITECT系統(tǒng)中非常的簡便，但是在傳統(tǒng)的DCS中，也許會累得設(shè)計人員滿頭大汗呢！這些功能以及其他監(jiān)控功能的實現(xiàn)，為寶鋼熱軋生產(chǎn)帶來了巨大的直接和間接經(jīng)濟(jì)效益。解決通訊瓶頸，實現(xiàn)自動化燒鋼功能，光是這一項就可為寶鋼生產(chǎn)年降低燃料費用890萬元以上；實現(xiàn)冗余技術(shù)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，提高了加熱爐和煤氣站的作業(yè)率；節(jié)約了備件維護(hù)費用。新系統(tǒng)突出的監(jiān)控性能，為整個加熱爐爐區(qū)控制降低能耗、提高加熱目標(biāo)溫度命中率，產(chǎn)生了明顯的作用，原來系統(tǒng)難以可靠控制的加熱爐目標(biāo)溫度命中率，在新系統(tǒng)中已穩(wěn)定地實現(xiàn)了99%以上。