楊俊生、朱英浩、卜建軍、孫利剛 （宣化鋼鐵公司第二煉鐵廠自動化車間）
摘要：描述了ABB公司的IndustrialIT– DCS系統(tǒng)在宣鋼第二煉鐵廠球團車間生產(chǎn)過程中的應(yīng)用，并詳細介紹了此控制體系的總體結(jié)構(gòu)及軟件組態(tài)的開發(fā)。
關(guān)鍵詞：IndustrialIT PlD Control Builder F
1 系統(tǒng)的概述
二煉球團車間自控設(shè)備采用具有世界領(lǐng)先水平的全能綜合性開放控制系統(tǒng)IndustrialIT控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)對3#豎爐及整個公用系統(tǒng)（包括煤氣加壓、干燥、配料和潤磨）工藝生產(chǎn)的計量與監(jiān)控。
IndustrialIT 控制系統(tǒng)具有靈活的通訊協(xié)議配置，其支持多種協(xié)議標準。我組工程技術(shù)人員選用了TCP/IP、Modbus、Profibus DP/PA、OPC、DDE等幾種協(xié)議,使系統(tǒng)方便地與其它PLC或現(xiàn)場總線儀表互連,實現(xiàn)系統(tǒng)間兼容與良好的過度。
2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計
2.1 硬件的設(shè)計布局
為保證球團生產(chǎn)系統(tǒng)的安全、連續(xù)、穩(wěn)定生產(chǎn)，全系統(tǒng)控制站處理器和電源均采用冗余配置。每對控制器所帶I/O點數(shù)控制在800點左右，實現(xiàn)功能分散、危險分散。過程控制站之間及其與操作員站之間的通訊總線為粗纜或光纖配置，通訊速率可達10Mbit，使得通訊網(wǎng)絡(luò)更加迅捷、安全。爐本體系統(tǒng)設(shè)置2臺操作員站，其中1臺操作員站兼工程師站,在不組態(tài)時可作為操作員站使用。操作員站冗余使用，任何一臺出現(xiàn)故障時，其功能都可以在其它操作站上實現(xiàn)；公用系統(tǒng)配置1臺操作員站,可以將煤氣加壓、精粉干燥、配料、潤磨、造球等處重要設(shè)備運行情況和生產(chǎn)工藝參數(shù)接入過程站，并在操作站上對所有這些信號可實現(xiàn)顯示、控制、存儲、打印等功能。
2.2工程師站
球團系統(tǒng)設(shè)一臺工程師站，工程師站安裝 Control Builder F 6.2版本中文軟件，運行在 Windows 2000 系統(tǒng)上，工程師站在不組態(tài)時可作為操作員站使用。工程師站使用以太網(wǎng)與過程站及其它設(shè)備進行通信，可以實現(xiàn)硬件編輯、過程站編程、操作員站組態(tài)一體化編程及調(diào)試。
Control Builder F 軟件支持現(xiàn)場總線設(shè)備的數(shù)據(jù)讀取與編程功能。編程語言與圖形化編程語言標準 IEC 1131-3完全兼容,我們工程技術(shù)人員根據(jù)實際控制要求可任意選用 FBD、LD、IL、SFC 等方式。系統(tǒng)具備大量標準功能塊及功能子程序，如調(diào)節(jié)塊具備標準、比率、步進、2位、3位、變參數(shù)等功能塊供用戶根據(jù)實際情況選用，功能塊編程采用參數(shù)表形式，語言面向儀表、工程師。同時該系統(tǒng)也提供用戶自定義接口根據(jù)用戶要求開發(fā)專用功能塊。Control Builder F 軟件編程結(jié)構(gòu)采用項目樹結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)任務(wù)采用多進程方式，根據(jù)不同控制對象組態(tài) 任務(wù)執(zhí)行周期及優(yōu)先級。系統(tǒng)采用全局數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)內(nèi)的變量實現(xiàn)共享，該全局數(shù)據(jù)庫完全下裝到過程級，不采用服務(wù)器/客戶方案，避免服務(wù)器故障造成數(shù)據(jù)交換任務(wù)癱瘓，全局數(shù)據(jù)庫中任何變量更新僅輸入一次即可，變量的檢查也是全系統(tǒng)范圍內(nèi)進行；Control Builder F 軟件可以離線編程，在線修改參數(shù)，被修改的參數(shù)具備自動備份功能可以恢復(fù)；該軟件還可以在線調(diào)試，可以單步運行、跟蹤、仿真調(diào)試。
2. 3操作員站
操作員站硬件選用適用工業(yè)現(xiàn)場DELL工控機。球團系統(tǒng)共設(shè)置3臺操作員站,操作員站安裝 IndustrialIT DigiVis 6.2軟件，操作語言中文,軟件運行環(huán)境為 Windows 2000操作系統(tǒng)。操作員站使用以太網(wǎng)與過程站及其它設(shè)備進行通信，由于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫為全局，所以操作員站之間數(shù)據(jù)及畫面完全可以共享。
IndustrialIT DigiVis軟件顯示功能支持標準預(yù)定義顯示:如總貌顯示、回路面板顯示(面板也可以根據(jù)用戶要求實現(xiàn)自定義)、控制組顯示、趨勢顯示、報警顯示、操作記錄列表(實現(xiàn)各種操作的實時記錄和實時打印)顯示等，用戶自定義流程圖顯示即支持傳統(tǒng)DCS流程圖，又支持三維立體圖形畫面，軟件具有強大的三維圖形庫可以調(diào)用，該庫可以由用戶自行擴充，同時畫面支持位圖功能，使作圖更加簡單，畫面更加直觀。位號動態(tài)顯示不僅支持傳統(tǒng)數(shù)字表示，而且支持各種動畫表示，同時還可彈出對應(yīng)面板操作。圖形數(shù)量無軟件限制，畫面更新時間為1秒，可以由編程軟件定義；此系統(tǒng)還可實時診測顯示：系統(tǒng)總體、系統(tǒng)過程站和系統(tǒng)模件三大部分，診斷狀態(tài)信息在診測畫面上以圖形方式顯示及文字詳細提示；DigiVis軟件趨勢顯示功能支持趨勢組態(tài)，趨勢點數(shù)量無軟件限制，畫面可以進行靈活操作，同時支持FTP協(xié)議數(shù)據(jù)遠傳功能；DigiVis還可以實時操作記錄及打印。
2.4過程站與現(xiàn)場遠程I/O站
過程控制站采用IndustrialIT AC800F 現(xiàn)場總線控制器與現(xiàn)場遠程S800 I/O站。AC800F控制器功能強大，配有運算速度高達150MIPS的32位超標量RISC型處理器(精簡指令系統(tǒng)CPU)Intel80960HT25/75，并配大容量內(nèi)存(4M的FlashEPROM和4M的RAM)及實時多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)pSOS+.充分滿足工業(yè)過程控制對實時性和可靠性的嚴格要求.控制器的處理速度極快，其控制周期可根據(jù)控制需要設(shè)置,最快可設(shè)為5ms。I/O模件掃描周期也可組態(tài),對模擬量T≥10ms,對開關(guān)量T≥2ms?？刂破鞯奶幚砟芰托屎芨?，每秒可處理1400多個 PID回路，滿足工廠不同被控對象的控制要求?，F(xiàn)場總線控制器配置的冗余Profibus DP 模件實現(xiàn)與遠程I/O之間的通訊。過程站采用粗纜或環(huán)形光纖以太網(wǎng)與操作員站及其它設(shè)備進行通信。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫為全局,所有變量及標簽均可以系統(tǒng)范圍共享。模件具備實時檢測及遠程診測功能。
S800 I/O 站通過ProfiBus DP總線與現(xiàn)場控制器通信.S800 I/O 站具有監(jiān)控,平滑轉(zhuǎn)換及故障報告功能。
球團公用部分和3#豎爐涉及I/O點配置：
①模擬量輸入信號：爐體與公用部分各種溫度信號、壓力信號、流量信號、配料秤和生熟球秤物料等，采集到些信號經(jīng)過程站處理后在操作站上顯示，可對當前生產(chǎn)過程進行具體監(jiān)控；
②模擬量輸出信號：對爐體與公用部分煤氣流量、空氣流量的控制，實現(xiàn)對點火溫度的控制，對配料秤實現(xiàn)自動PID控制，提升配料的精度，減輕配料工勞動強度；
③開關(guān)量輸入信號：爐體與公用部分電器設(shè)備的啟停信號，采集到這些信號在操作站流程圖上顯示各電器設(shè)備的運行情況；
④開關(guān)量輸出信號：爐體與公用部分電器設(shè)備的控制信號，可在操作站上對相應(yīng)電器設(shè)備進行集中控制。
3 軟件的編譯
我組工程技術(shù)人員針對球團生產(chǎn)過程編譯的應(yīng)用程序Control Builder F 軟件
是Industrial IT系統(tǒng)的工程工具，它是集組態(tài)(包括硬件配置、控制策略、HIS即人機接口等組態(tài))、工程調(diào)試和診斷功能為一體的工具軟件包。Control Build F采用統(tǒng)一的系統(tǒng)全局數(shù)據(jù)庫和交叉參考工具，不僅能方便地完成控制組態(tài)，而且是一個高性能的過程調(diào)試工具。Industrial IT系統(tǒng)過程控制站PS和現(xiàn)場控制器AC800F所需的各種控制算法和策略都是由 Control Build F來組態(tài)的，并采用圖形化的組態(tài)方法(符合IEC1131- 3標準)。Control Build F也用于對操作站人機接口(HIS)功能的組態(tài)并還可直接對現(xiàn)場總線設(shè)備進行組態(tài)?？刂扑惴ê筒呗越M態(tài)可選用以下 IEC1131- 3標準組態(tài)方法中的一種或幾種：FBD （功能方塊圖）、LD （梯形圖）、SFC （順序功能圖）、IL （指令表）和ST（結(jié)構(gòu)化文本）。
Control Build F安裝在Industrial IT系統(tǒng)工程師站上,完成后的組態(tài)結(jié)果由工程師站通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)下載至相應(yīng)的PS、FC及操作站OS中。系統(tǒng)提供一個含有模擬量處理、數(shù)字量處理、回路調(diào)節(jié)、邏輯順序控制、邏輯運算、監(jiān)視功能、采集功能、算術(shù)運算、TCP/IP協(xié)議通迅接口、Modbus協(xié)議通迅接口和IEC870-5協(xié)議通迅接口(Telecontrol)11大類、190多種功能模塊(標準算法程序)的功能塊庫。用戶還可自定義功能塊。ControlBuild F提供200多個標準圖形符號(靜態(tài)和動態(tài))及大量美觀實用的立體圖例可供HIS組態(tài)選用。
Control Build F在執(zhí)行組態(tài)編譯時能自動查找定位錯誤源，交叉參考功能可幫助工程師迅速查找對應(yīng)的變量位號、功能塊及操作畫面。Control Build F可引入或?qū)С鯝SCII程序、顯示畫面、變量位號和部分項目樹。Control Build F還可輸出包括全部組態(tài)結(jié)果的圖形化工程文檔。
為了加強對精粉、硼潤土、煤氣能源、成品的計量和監(jiān)控，提高自動控制水平，在生產(chǎn)過程中工程技術(shù)人員設(shè)置了13路PID控制回路，其中配料給料圓盤轉(zhuǎn)速控制回路9個，3#豎爐東西煤氣與助燃風流量回路控制4個。在實踐中我們對PID調(diào)節(jié)器算法修正進行了模型辨識。由于控制的準連續(xù)性,對數(shù)字PID控制器參數(shù)的整定,可立足于連續(xù)系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計,即連續(xù)系統(tǒng)整定PID調(diào)節(jié)參數(shù)的許多經(jīng)驗和規(guī)律都可以用到這里來。在實踐中,我們立足于對象的模型是變頻器和執(zhí)行器,因而首先采用實驗經(jīng)驗法。實驗經(jīng)驗法給出了參數(shù)的大致范圍,為整定調(diào)節(jié)器參數(shù)提供了有價值的參考,在此基礎(chǔ)上再加湊試,便能較快地確定調(diào)節(jié)器參數(shù)。在整定過程中應(yīng)該注意到,同一調(diào)節(jié)質(zhì)量是可以由不同的參數(shù)組合實現(xiàn)的。因此,即使完全湊試,由于參數(shù)數(shù)目少,整定過程也很簡單。
但是在配料和豎爐風溫回路PID控制過程中,控制變量因受到執(zhí)行元件機械和物理性能的約束而限制在有限范圍內(nèi),即其變化率也有一定的限制范圍。由計算機給出的控制量U在上述范圍內(nèi),那么控制可以按預(yù)期的結(jié)果進行。總而言之超出最大閥門開度或進入執(zhí)行元件的飽和區(qū),那么實際執(zhí)行的限制量就不再是計算值,由此將引起不期望的效應(yīng),這類效應(yīng)通常稱為飽和效應(yīng)。這類現(xiàn)象在給定值發(fā)生突變時特別容易發(fā)生,我們分析這類效應(yīng)在PID算法中帶來的影響及克服的辦法：
1.用有效偏差的PID位置算法。在PID位置算法中,除了對控制量u的限制外,對控制量變化率在的限制也會引起飽和,它可以采用類似的修正方法予以消除;
2. PlD增量算法的飽和作用及其抑制。在PID增量算法中,由于執(zhí)行元件本身是機械或物理的積分儲存單元,在算法中不出現(xiàn)累加和式,所以不會發(fā)生位置算法那樣的累積效應(yīng),這樣就直接避免了導(dǎo)致大幅度超調(diào)的積分累積效應(yīng)。這是增量算法相對于位置算法的一個優(yōu)點。但是,在增量算法中.卻有可能出現(xiàn)比例及微分飽和現(xiàn)象。
我們工程技術(shù)人員對影響飽
