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

1. 項目簡介

承鋼5號高爐煉鐵車間的規(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)機站,空壓機站,鍋爐房等。本項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號高爐的基礎(chǔ)自動化控制系統(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（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21臺以及網(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；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。

控制器部分，對于礦槽系統(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。

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

本系統(tǒng)還留有于二級系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口，通過SCALANCE X200系列交換機連接至主環(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

在PCS7所提供的功能庫的基礎(chǔ)上，我們對其進行了延伸和擴展，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。通過使用該功能庫，工程師一次性的編程即可完成如下工作：

AS控制器中運行的過程控制回路控制算法；
針對控制回路在上位機中相關(guān)畫面下對應(yīng)的監(jiān)視回路圖標(biāo)；
控制回路在上位機中對應(yīng)的操作及參數(shù)設(shè)置子畫面；
控制回路對應(yīng)的相關(guān)報警信息、趨勢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、電磁閥、電動閥等69個電氣回路，都是通過在CFC中調(diào)用自定義功能庫中相應(yīng)類型的功能塊并編譯OS自動上傳至流程畫面的。下面結(jié)合不可逆電機塊MOTOR_NR介紹自定義功能庫實現(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)中報警和OCM（operator control and monitor）這兩個屬性，以便可以將需要的變量狀態(tài)和報警消息顯示在block icon或faceplate上。例如電機的運行狀態(tài)、連鎖狀態(tài)、處于何種被控方式、是否處在報警狀態(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例對應(yīng)管腳的屬性對話框中組態(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管腳的的屬性對話框中定義當(dāng)MONITOR=0時顯示“監(jiān)視切除”，當(dāng)MONITOR=1時顯示“監(jiān)視投入”；在TIME_ON管腳的屬性對話框中定義其用于顯示的標(biāo)簽名“監(jiān)視時間”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，實現(xiàn)了功能塊的初始化和異步啟動及容錯處理。例如，當(dāng)讀取到CPU暖啟動時（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的”Up date Sampling Time”功能，可以自動采集調(diào)用當(dāng)前功能塊的循環(huán)OB的時基值，省去了改變功能塊調(diào)用OB后的手動改寫，既方便又減少了由于忘記改寫而帶來的錯誤。

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

在一個項目中，同類型的功能塊實例在畫面中都會生成與之對應(yīng)的Block Icon實例，但卻只擁有一套Faceplate模板。在監(jiān)控畫面下，點擊某個功能塊實例對應(yīng)的Block Icon時，系統(tǒng)會執(zhí)行相應(yīng)的腳本從對應(yīng)的Block Icon實例中獲取該功能塊實例的相關(guān)屬性，并基于通用的Faceplate模板創(chuàng)建相應(yīng)的Faceplate實例進行監(jiān)控。由于同一個功能塊類型只對應(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個可以切換的面板：

操作面板－用于電機各狀態(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）；
報警面板－用于顯示和處理于本電機回路有關(guān)的報警。

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，用戶自定義功能庫同樣可以通過選擇對應(yīng)功能塊并點擊F1鍵的方式自動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）并制作注冊表文件。

功能塊的發(fā)布：創(chuàng)建了用戶自定義功能庫后，需要將庫發(fā)布方可被其它工程師使用。發(fā)布后的功能庫可以打包成一個可執(zhí)行文件安裝在其它機器中，同系統(tǒng)提供的功能庫一樣被其它工程師使用。所發(fā)布功能庫的安裝文件包含AS功能塊、Block Icon、Faceplate和在線幫助系統(tǒng)。

功能庫的更新：由于建立了基于多項目的主數(shù)據(jù)庫，所以主數(shù)據(jù)庫中的功能庫修改后可以通過清晰、明確的更新向?qū)Ц旅總€子項目中的功能塊實例，這樣便于統(tǒng)一維護程序庫，集中更新，保證了多項目數(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來實現(xiàn)。

4. 項目運行

承鋼5號2500m3高爐項目于2006年12月5日出鐵投產(chǎn)成功。投產(chǎn)后，系統(tǒng)運行穩(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)了基于多項目的符合生產(chǎn)工藝的用戶自定義功能庫，該工程從編程、調(diào)試到投產(chǎn)只用了兩個來月的時間。對同等規(guī)模的高爐來說，可節(jié)省十幾個人月的人工時。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)和驗證。
5. 應(yīng)用體會

工程中借助PCS7平臺，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。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，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項目中 ，并自動生成變量標(biāo)簽(Tags)、調(diào)用動態(tài)圖標(biāo)(block icons)及其對應(yīng)的彈出面板(faceplate)、生成報警消息(Message)、趨勢(Trend)等，甚至連靜態(tài)、動態(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部分的工作非常簡便，大部分的工作都集中AS上，便于統(tǒng)一維護程序庫，集中更新，保證多項目數(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，對功能庫中的各部分做一個全面的規(guī)劃和較為細(xì)致的設(shè)計是非常必要的。比如在設(shè)計AS側(cè)的Block Type時，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)）來對各個端口進行定義，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；
操作時需要哪級操作權(quán)限；
有沒有與過程變量相關(guān)的權(quán)限連鎖；
各個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編程設(shè)備類型規(guī)整且同類設(shè)備眾多的項目確實非常方便，但對于一些規(guī)模較小、設(shè)備類型較雜、接口較多的項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提供的控件來對過程變量進行操作，象按鈕、I/O域等。使用此方法系統(tǒng)將不會進行授權(quán)確認(rèn)，而且不會為這些操作產(chǎn)生操作員記錄（Operator List）。而在實際的工程項目中會經(jīng)常出現(xiàn)增加一些位操作的情況，對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，同時也希望PCS7軟件能夠不斷完善，提供給我們更為靈活、簡便的工具來解決這些問題。