西門子：PCS7自定義功能庫(kù)的開發(fā)及在承鋼2500m3高爐中的應(yīng)用

1. 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

承鋼5號(hào)高爐煉鐵車間的規(guī)模為一座2500m3高爐及其所屬輔助設(shè)施。主要工藝包括：2500m3高爐主體工藝設(shè)施，其中爐頂采用無料鐘串罐方式，熱風(fēng)爐系統(tǒng)采用3座頂燃式熱風(fēng)爐和2座預(yù)熱爐的方式；高爐循環(huán)水泵站；高爐噴煤制粉站；高爐除塵設(shè)施；槽上供料設(shè)施,鼓風(fēng)機(jī)站,空壓機(jī)站,鍋爐房等。本項(xiàng)目的控制范圍涉及上述工藝系統(tǒng)及其所屬輔助工藝設(shè)備。工藝總貌如圖1所示。

承鋼5號(hào)高爐的基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)是典型的電儀合一的大型高爐控制系統(tǒng)，具有較高的控制水平，系統(tǒng)包括：礦槽控制系統(tǒng)、爐頂控制系統(tǒng)、高爐本體控制系統(tǒng)、熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)、出鐵場(chǎng)控制系統(tǒng)、布袋除塵控制系統(tǒng)、水沖渣控制系統(tǒng)、煤粉制備控制系統(tǒng)、煤粉噴吹控制系統(tǒng)、高爐水處理控制系統(tǒng)、鼓風(fēng)機(jī)站及其水處理控制系統(tǒng)、煤氣柜控制系統(tǒng)、鍋爐控制系統(tǒng)等。

圖1：高爐工藝總貌

2. 控制系統(tǒng)構(gòu)成

本工程的控制系統(tǒng)考慮了SIEMENS公司“全集成自動(dòng)化”的理念，不僅選用了標(biāo)準(zhǔn)的PCS7控制控制站和操作站及相應(yīng)軟件，還選用了SCALANCE系列的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，其中包括冗余AS控制器4套，標(biāo)準(zhǔn)AS控制器11套，具有熱插拔功能的ET200M單元62套，Y-Link耦合器1套，OS SERVER 硬件及軟件1對(duì)（套），OS CLIENT硬件及軟件10套，OS 單站硬件及軟件14套，ES 工程師站硬件及軟件9套，SCALANCE各系列交換機(jī)21臺(tái)以及網(wǎng)絡(luò)附件若干。控制系統(tǒng)配置圖如圖2所示：（公輔系統(tǒng)從略）

圖2：控制系統(tǒng)配置圖

各控制站、控制站與操作站之間采用工業(yè)以太網(wǎng)連接。其中，高爐主體部分為1000M光纖環(huán)網(wǎng)，操作站為SERVER/CLIENT結(jié)構(gòu)，設(shè)有冗余SERVER對(duì)和工程師站，在PlantBus和TerminalBus環(huán)網(wǎng)中選用了SCALANCE X414-3系列的1000M冗余管理型交換機(jī)；其它公輔系統(tǒng)以100M光纖星型方式接入主環(huán)網(wǎng)，該部分選用了SCALANCE X200系列的交換機(jī)。

控制器部分，對(duì)于礦槽系統(tǒng)、爐頂系統(tǒng)、高爐本體系統(tǒng)、熱風(fēng)爐系統(tǒng)等高爐主體部分選用AS417-4-2H組件包（雙電源模塊、雙CPU模塊，雙以太網(wǎng)通訊模塊、雙PROFIBUS通訊網(wǎng)絡(luò)），其它公輔系統(tǒng)選用AS414-3組件包。ET200M I/O部分選用帶有熱插拔功能的有源背板和具有高性能的接口模塊IM153-2HF，對(duì)于熱備系統(tǒng)則選用雙電源模塊、雙總線接口模塊。

工程師站、操作員站（包括SERVER、CLIENT、單站）均選用預(yù)裝有PCS7軟件的SIEMENS IL43系列工控機(jī)。

對(duì)于熱備系統(tǒng)的PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，選用Y-LINK將具有PROFIBUS接口的傳動(dòng)裝置和編碼器接入并實(shí)現(xiàn)切換的功能。

本系統(tǒng)還留有于二級(jí)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口，通過SCALANCE X200系列交換機(jī)連接至主環(huán)網(wǎng)并通過SCALANCE S硬件防火墻隔離。

3. 控制系統(tǒng)完成的功能－用戶自定義功能庫(kù)

在PCS7所提供的功能庫(kù)的基礎(chǔ)上，我們對(duì)其進(jìn)行了延伸和擴(kuò)展，開發(fā)了適合冶金行業(yè)特別是高爐控制方面的自定義功能庫(kù)。通過使用該功能庫(kù)，工程師一次性的編程即可完成如下工作：

AS控制器中運(yùn)行的過程控制回路控制算法；
針對(duì)控制回路在上位機(jī)中相關(guān)畫面下對(duì)應(yīng)的監(jiān)視回路圖標(biāo)；
控制回路在上位機(jī)中對(duì)應(yīng)的操作及參數(shù)設(shè)置子畫面；
控制回路對(duì)應(yīng)的相關(guān)報(bào)警信息、趨勢(shì)歸檔及用戶操作記錄等。
如圖3所示的礦槽系統(tǒng)流程圖中包括了各種電機(jī)、電磁閥、電動(dòng)閥等69個(gè)電氣回路，都是通過在CFC中調(diào)用自定義功能庫(kù)中相應(yīng)類型的功能塊并編譯OS自動(dòng)上傳至流程畫面的。下面結(jié)合不可逆電機(jī)塊MOTOR_NR介紹自定義功能庫(kù)實(shí)現(xiàn)的功能。

圖3：礦槽系統(tǒng)流程圖

3．1．AS中的功能塊類型（block types）

首先需要定義功能塊的特性、聲明功能塊參數(shù)和本地變量。在這部分中，我們注重考慮了功能塊頭和功能塊參數(shù)中報(bào)警和OCM（operator control and monitor）這兩個(gè)屬性，以便可以將需要的變量狀態(tài)和報(bào)警消息顯示在block icon或faceplate上。例如電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、連鎖狀態(tài)、處于何種被控方式、是否處在報(bào)警狀態(tài)等，都可以通過定義功能塊管腳的OCM屬性上傳。還定義了功能塊管腳的文本屬性，從而可以在功能塊實(shí)例對(duì)應(yīng)管腳的屬性對(duì)話框中組態(tài)用于在OS上顯示的文本。如圖4中所示，由于在聲明參數(shù)屬性的代碼中定義了參數(shù)MONITOR、TIME_ON的文本屬性，因而可以在MONITOR管腳的的屬性對(duì)話框中定義當(dāng)MONITOR=0時(shí)顯示“監(jiān)視切除”，當(dāng)MONITOR=1時(shí)顯示“監(jiān)視投入”；在TIME_ON管腳的屬性對(duì)話框中定義其用于顯示的標(biāo)簽名“監(jiān)視時(shí)間”和單位“秒”。這樣使得大量用于顯示的信息都可以在AS中組態(tài)和修改，很好地保證AS/OS的一致性，并大量節(jié)省HMI的工作。

通過調(diào)用SFC6(RD_SINFO)讀取到相關(guān)的OB信息，實(shí)現(xiàn)了功能塊的初始化和異步啟動(dòng)及容錯(cuò)處理。例如，當(dāng)讀取到CPU暖啟動(dòng)時(shí)（OB100），我們編寫了某些重要參數(shù)的初始化程序，當(dāng)讀取到中斷信息（OB80、OB86），則編寫了錯(cuò)誤中斷或循環(huán)中斷處理程序。另外，通過定義SAMPLE_T管腳并配合激活編譯時(shí)的”Up date Sampling Time”功能，可以自動(dòng)采集調(diào)用當(dāng)前功能塊的循環(huán)OB的時(shí)基值，省去了改變功能塊調(diào)用OB后的手動(dòng)改寫，既方便又減少了由于忘記改寫而帶來的錯(cuò)誤。

通過調(diào)用Alarm_8p功能塊，組態(tài)了用戶定義功能塊中的報(bào)警消息，將該功能塊中需要顯示的報(bào)警消息上傳至OS，如電機(jī)故障、運(yùn)行超時(shí)故障等。AS控制器從Stop狀態(tài)到Run狀態(tài)的過程中，CPU需要處理相關(guān)的初始化代碼，建立與上位機(jī)的通訊連接等。系統(tǒng)啟動(dòng)后再開始執(zhí)行循環(huán)程序，如果在啟動(dòng)初期，系統(tǒng)各控制回路同時(shí)有很多的報(bào)警消息需要上傳到OS，勢(shì)必導(dǎo)致此時(shí)的CPU負(fù)荷偏大。因此，在功能塊的代碼中考慮了報(bào)警抑制部分。此代碼在系統(tǒng)啟動(dòng)初期（或該功能塊被調(diào)用的前幾個(gè)循環(huán)中）抑制該回路的報(bào)警輸出。完成了Alarm_8p功能塊的組態(tài)和報(bào)警抑制代碼的編寫之后，還需要完成該功能塊的報(bào)警組態(tài)。在報(bào)警組態(tài)對(duì)話框中，定義了功能塊的報(bào)警類型、優(yōu)先級(jí)、區(qū)域、來源等特性。特別是利用功能塊相關(guān)報(bào)警定義的報(bào)警屬性可以應(yīng)用于該功能塊類型的所有實(shí)例。如圖5所示，定義了MOTOR_NR功能塊的3條報(bào)警消息的消息文本，通配符$$BlockComment$$代表功能塊實(shí)例中Comment字段中組態(tài)的內(nèi)容，因而可以根據(jù)不同的塊實(shí)例自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的報(bào)警消息，而不用逐條組態(tài)，該功能對(duì)于組態(tài)具有大量相同回路流程的報(bào)警非常方便。

在一個(gè)項(xiàng)目中，同類型的功能塊實(shí)例在畫面中都會(huì)生成與之對(duì)應(yīng)的Block Icon實(shí)例，但卻只擁有一套Faceplate模板。在監(jiān)控畫面下，點(diǎn)擊某個(gè)功能塊實(shí)例對(duì)應(yīng)的Block Icon時(shí)，系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的腳本從對(duì)應(yīng)的Block Icon實(shí)例中獲取該功能塊實(shí)例的相關(guān)屬性，并基于通用的Faceplate模板創(chuàng)建相應(yīng)的Faceplate實(shí)例進(jìn)行監(jiān)控。由于同一個(gè)功能塊類型只對(duì)應(yīng)一套Faceplate，在具有大量相同回路的流程中就省去了大量彈出子畫面的重復(fù)、單調(diào)的制作。如圖7所示MOTOR_NR塊主要有3個(gè)可以切換的面板：

操作面板－用于電機(jī)各狀態(tài)顯示、設(shè)備診斷和常規(guī)操作（帶有操作記錄功能）；
設(shè)定面板－用于設(shè)置某些重要參數(shù)（通常帶有權(quán)限）；
報(bào)警面板－用于顯示和處理于本電機(jī)回路有關(guān)的報(bào)警。

圖7：MOTOR_NR塊的Faceplate

3．3．其它功能

除上述功能外還開發(fā)了如下功能：功能塊的在線幫助功能：與系統(tǒng)提供的功能塊類似，用戶自定義功能庫(kù)同樣可以通過選擇對(duì)應(yīng)功能塊并點(diǎn)擊F1鍵的方式自動(dòng)聚焦到該功能塊的幫助主題上，使用起來方便靈活。所需要做的是為功能塊創(chuàng)建幫助文件（*.hlp）和目錄文件（*.cnt）并制作注冊(cè)表文件。

功能塊的發(fā)布：創(chuàng)建了用戶自定義功能庫(kù)后，需要將庫(kù)發(fā)布方可被其它工程師使用。發(fā)布后的功能庫(kù)可以打包成一個(gè)可執(zhí)行文件安裝在其它機(jī)器中，同系統(tǒng)提供的功能庫(kù)一樣被其它工程師使用。所發(fā)布功能庫(kù)的安裝文件包含AS功能塊、Block Icon、Faceplate和在線幫助系統(tǒng)。

功能庫(kù)的更新：由于建立了基于多項(xiàng)目的主數(shù)據(jù)庫(kù)，所以主數(shù)據(jù)庫(kù)中的功能庫(kù)修改后可以通過清晰、明確的更新向?qū)Ц旅總€(gè)子項(xiàng)目中的功能塊實(shí)例，這樣便于統(tǒng)一維護(hù)程序庫(kù)，集中更新，保證了多項(xiàng)目數(shù)據(jù)的一致性。而Block Icon和Faceplate的更新則可通過將修改后的文件拷貝到相應(yīng)目錄下并編譯OS來實(shí)現(xiàn)。

4. 項(xiàng)目運(yùn)行

承鋼5號(hào)2500m3高爐項(xiàng)目于2006年12月5日出鐵投產(chǎn)成功。投產(chǎn)后，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，特別是熱備控制器性能較好，象礦槽系統(tǒng)、爐頂系統(tǒng)等程序量較大的部分在熱備條件下，CPU的掃描周期仍在40毫秒左右。由于合理的規(guī)劃了工程結(jié)構(gòu)，特別是開發(fā)了基于多項(xiàng)目的符合生產(chǎn)工藝的用戶自定義功能庫(kù)，該工程從編程、調(diào)試到投產(chǎn)只用了兩個(gè)來月的時(shí)間。對(duì)同等規(guī)模的高爐來說，可節(jié)省十幾個(gè)人月的人工時(shí)。這也正是PCS7系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化工作的成效在承鋼高爐工程中得到了初步的體現(xiàn)和驗(yàn)證。
5. 應(yīng)用體會(huì)

工程中借助PCS7平臺(tái)，有利于我們編制出更為標(biāo)準(zhǔn)化、集成化的用戶自定義功能庫(kù)。該軟件從形式上將編程軟件、監(jiān)控軟件、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)軟件集中在同一平臺(tái)，從功能上將控制器功能塊的各種信息通過編譯OS(compile OS)的方式上傳到OS的WinCC項(xiàng)目中 ，并自動(dòng)生成變量標(biāo)簽(Tags)、調(diào)用動(dòng)態(tài)圖標(biāo)(block icons)及其對(duì)應(yīng)的彈出面板(faceplate)、生成報(bào)警消息(Message)、趨勢(shì)(Trend)等，甚至連靜態(tài)、動(dòng)態(tài)的文本信息也可以直接由AS塊編譯后在OS中生成，這樣OS部分的工作非常簡(jiǎn)便，大部分的工作都集中AS上，便于統(tǒng)一維護(hù)程序庫(kù)，集中更新，保證多項(xiàng)目數(shù)據(jù)的一致性，省去了原先AS、OS兩部分握手的大量工作。目前各大PLC系統(tǒng)生產(chǎn)商都相繼推出了類似功能，例如Schneider公司的UAG軟件，Rockwell公司的Logixview軟件等，但與PCS7平臺(tái)提供的有關(guān)軟件功能相比，上述軟件基本是在PLC編程軟件和HMI組態(tài)軟件之外添加了第三套軟件，用于完成PLC與HMI的握手。這樣就增加了在不同軟件界面間的導(dǎo)入、導(dǎo)出或是派生的過程，可操作性較為復(fù)雜，程序?qū)哟闻c畫面結(jié)構(gòu)的聯(lián)系得不到較好的體現(xiàn)。

用戶自定義功能庫(kù)中的AS功能塊、OS中的block icon和faceplate是相互聯(lián)系緊密的整體，所以在編寫程序的前期，對(duì)功能庫(kù)中的各部分做一個(gè)全面的規(guī)劃和較為細(xì)致的設(shè)計(jì)是非常必要的。比如在設(shè)計(jì)AS側(cè)的Block Type時(shí)，我們較為充分的考慮了操作員需要監(jiān)控的輸入、輸出及輸入輸出接口，以及所需的操作方式等，并結(jié)合系統(tǒng)屬性（OCM相關(guān)）來對(duì)各個(gè)端口進(jìn)行定義，以便這些端口可以在OS上正常、靈活的顯示與操作。對(duì)于相關(guān)參數(shù)的選擇我們考慮了如下方面：

為了獲得設(shè)備清晰的狀態(tài)信息，操作員需要監(jiān)控什么類型的數(shù)據(jù)；
用何種方式顯示這些變量；
哪些變量可以被操作員控制；
操作時(shí)需要哪級(jí)操作權(quán)限；
有沒有與過程變量相關(guān)的權(quán)限連鎖；
各個(gè)變量將在什么視圖窗口中顯示；
使用PCS7中的用戶自定義功能庫(kù)編程設(shè)備類型規(guī)整且同類設(shè)備眾多的項(xiàng)目確實(shí)非常方便，但對(duì)于一些規(guī)模較小、設(shè)備類型較雜、接口較多的項(xiàng)目也存在一些不靈活方便的地方。比如PCS7中不建議直接在流程畫面中使用WinCC提供的控件來對(duì)過程變量進(jìn)行操作，象按鈕、I/O域等。使用此方法系統(tǒng)將不會(huì)進(jìn)行授權(quán)確認(rèn)，而且不會(huì)為這些操作產(chǎn)生操作員記錄（Operator List）。而在實(shí)際的工程項(xiàng)目中會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)增加一些位操作的情況，對(duì)于這些操作目前我們正在摸索如何能夠產(chǎn)生操作記錄的方法，同時(shí)也希望PCS7軟件能夠不斷完善，提供給我們更為靈活、簡(jiǎn)便的工具來解決這些問題。