IndustrialIT在宣钢二炼球团生产过程中的应用

摘要：描述了ABB公司的IndustrialIT– DCS系统在宣钢第二炼铁厂球团车间生产过程中的应用，并详细介绍了此控制体系的总体结构及软件组态的开发。
　　
1 系统的概述
　　二炼球团车间自控设备采用具有世界领先水平的全能综合性开放控制系统IndustrialIT控制系统，以实现对3#竖炉及整个公用系统（包括煤气加压、干燥、配料和润磨）工艺生产的计量与监控。
　　IndustrialIT 控制系统具有灵活的通讯协议配置，其支持多种协议标准。我组工程技术人员选用了TCP/IP、Modbus、Profibus DP/PA、OPC、DDE等几种协议,使系统方便地与其它PLC或现场总线仪表互连,实现系统间兼容与良好的过度。
　　
　　2 系统的硬件设计
　　2.1 硬件的设计布局
　　为保证球团生产系统的安全、连续、稳定生产，全系统控制站处理器和电源均采用冗余配置。每对控制器所带I/O点数控制在800点左右，实现功能分散、危险分散。过程控制站之间及其与操作员站之间的通讯总线为粗缆或光纤配置，通讯速率可达10Mbit，使得通讯网络更加迅捷、安全。炉本体系统设置2台操作员站，其中1台操作员站兼工程师站,在不组态时可作为操作员站使用。操作员站冗余使用，任何一台出现故障时，其功能都可以在其它操作站上实现；公用系统配置1台操作员站,可以将煤气加压、精粉干燥、配料、润磨、造球等处重要设备运行情况和生产工艺参数接入过程站，并在操作站上对所有这些信号可实现显示、控制、存储、打印等功能。
　　
　　2.2工程师站
　　球团系统设一台工程师站，工程师站安装 Control Builder F 6.2版本中文软件，运行在 Windows 2000 系统上，工程师站在不组态时可作为操作员站使用。工程师站使用以太网与过程站及其它设备进行通信，可以实现硬件编辑、过程站编程、操作员站组态一体化编程及调试。
　　
　　Control Builder F 软件支持现场总线设备的数据读取与编程功能。编程语言与图形化编程语言标准 IEC 1131-3完全兼容,我们工程技术人员根据实际控制要求可任意选用 FBD、LD、IL、SFC 等方式。系统具备大量标准功能块及功能子程序，如调节块具备标准、比率、步进、2位、3位、变参数等功能块供用户根据实际情况选用，功能块编程采用参数表形式，语言面向仪表、工程师。同时该系统也提供用户自定义接口根据用户要求开发专用功能块。Control Builder F 软件编程结构采用项目树结构，系统任务采用多进程方式，根据不同控制对象组态 任务执行周期及优先级。系统采用全局数据库，系统内的变量实现共享，该全局数据库完全下装到过程级，不采用服务器/客户方案，避免服务器故障造成数据交换任务瘫痪，全局数据库中任何变量更新仅输入一次即可，变量的检查也是全系统范围内进行；Control Builder F 软件可以离线编程，在线修改参数，被修改的参数具备自动备份功能可以恢复；该软件还可以在线调试，可以单步运行、跟踪、仿真调试。
　　
　　2. 3操作员站
　　操作员站硬件选用适用工业现场DELL工控机。球团系统共设置3台操作员站,操作员站安装 IndustrialIT DigiVis 6.2软件，操作语言中文,软件运行环境为 Windows 2000操作系统。操作员站使用以太网与过程站及其它设备进行通信，由于系统数据库为全局，所以操作员站之间数据及画面完全可以共享。
　　
　　IndustrialIT DigiVis软件显示功能支持标准预定义显示:如总貌显示、回路面板显示(面板也可以根据用户要求实现自定义)、控制组显示、趋势显示、报警显示、操作记录列表(实现各种操作的实时记录和实时打印)显示等，用户自定义流程图显示即支持传统DCS流程图，又支持三维立体图形画面，软件具有强大的三维图形库可以调用，该库可以由用户自行扩充，同时画面支持位图功能，使作图更加简单，画面更加直观。位号动态显示不仅支持传统数字表示，而且支持各种动画表示，同时还可弹出对应面板操作。图形数量无软件限制，画面更新时间为1秒，可以由编程软件定义；此系统还可实时诊测显示：系统总体、系统过程站和系统模件三大部分，诊断状态信息在诊测画面上以图形方式显示及文字详细提示；DigiVis软件趋势显示功能支持趋势组态，趋势点数量无软件限制，画面可以进行灵活操作，同时支持FTP协议数据远传功能；DigiVis还可以实时操作记录及打印。
　　
　　2.4过程站与现场远程I/O站
　　过程控制站采用IndustrialIT AC800F 现场总线控制器与现场远程S800 I/O站。AC800F控制器功能强大，配有运算速度高达150MIPS的32位超标量RISC型处理器(精简指令系统CPU)Intel80960HT25/75，并配大容量内存(4M的FlashEPROM和4M的RAM)及实时多任务嵌入式操作系统pSOS+.充分满足工业过程控制对实时性和可靠性的严格要求.控制器的处理速度极快，其控制周期可根据控制需要设置,最快可设为5ms。I/O模件扫描周期也可组态,对模拟量T≥10ms,对开关量T≥2ms。控制器的处理能力和效率很高，每秒可处理1400多个 PID回路，满足工厂不同被控对象的控制要求。现场总线控制器配置的冗余Profibus DP 模件实现与远程I/O之间的通讯。过程站采用粗缆或环形光纤以太网与操作员站及其它设备进行通信。系统数据库为全局,所有变量及标签均可以系统范围共享。模件具备实时检测及远程诊测功能。
　　
　　S800 I/O 站通过ProfiBus DP总线与现场控制器通信.S800 I/O 站具有监控,平滑转换及故障报告功能。
　　球团公用部分和3#竖炉涉及I/O点配置：
　　①模拟量输入信号：炉体与公用部分各种温度信号、压力信号、流量信号、配料秤和生熟球秤物料等，采集到些信号经过程站处理后在操作站上显示，可对当前生产过程进行具体监控；
　　②模拟量输出信号：对炉体与公用部分煤气流量、空气流量的控制，实现对点火温度的控制，对配料秤实现自动PID控制，提升配料的精度，减轻配料工劳动强度；
　　③开关量输入信号：炉体与公用部分电器设备的启停信号，采集到这些信号在操作站流程图上显示各电器设备的运行情况；
　　④开关量输出信号：炉体与公用部分电器设备的控制信号，可在操作站上对相应电器设备进行集中控制。
　　
　　3 软件的编译
　　 我组工程技术人员针对球团生产过程编译的应用程序Control Builder F 软件
　　是Industrial IT系统的工程工具，它是集组态(包括硬件配置、控制策略、HIS即人机接口等组态)、工程调试和诊断功能为一体的工具软件包。Control Build F采用统一的系统全局数据库和交叉参考工具，不仅能方便地完成控制组态，而且是一个高性能的过程调试工具。Industrial IT系统过程控制站PS和现场控制器AC800F所需的各种控制算法和策略都是由 Control Build F来组态的，并采用图形化的组态方法(符合IEC1131- 3标准)。Control Build F也用于对操作站人机接口(HIS)功能的组态并还可直接对现场总线设备进行组态。控制算法和策略组态可选用以下 IEC1131- 3标准组态方法中的一种或几种：FBD （功能方块图）、LD （梯形图）、SFC （顺序功能图）、IL （指令表）和ST（结构化文本）。
　　
　　Control Build F安装在Industrial IT系统工程师站上,完成后的组态结果由工程师站通过系统网络下载至相应的PS、FC及操作站OS中。系统提供一个含有模拟量处理、数字量处理、回路调节、逻辑顺序控制、逻辑运算、监视功能、采集功能、算术运算、TCP/IP协议通迅接口、Modbus协议通迅接口和IEC870-5协议通迅接口(Telecontrol)11大类、190多种功能模块(标准算法程序)的功能块库。用户还可自定义功能块。ControlBuild F提供200多个标准图形符号(静态和动态)及大量美观实用的立体图例可供HIS组态选用。
　　
　　Control Build F在执行组态编译时能自动查找定位错误源，交叉参考功能可帮助工程师迅速查找对应的变量位号、功能块及操作画面。Control Build F可引入或导出ASCII程序、显示画面、变量位号和部分项目树。Control Build F还可输出包括全部组态结果的图形化工程文档。
　　为了加强对精粉、硼润土、煤气能源、成品的计量和监控，提高自动控制水平，在生产过程中工程技术人员设置了13路PID控制回路，其中配料给料圆盘转速控制回路9个，3#竖炉东西煤气与助燃风流量回路控制4个。在实践中我们对PID调节器算法修正进行了模型辨识。由于控制的准连续性,对数字PID控制器参数的整定,可立足于连续系统PID调节器的设计,即连续系统整定PID调节参数的许多经验和规律都可以用到这里来。在实践中,我们立足于对象的模型是变频器和执行器,因而首先采用实验经验法。实验经验法给出了参数的大致范围,为整定调节器参数提供了有价值的参考,在此基础上再加凑试,便能较快地确定调节器参数。在整定过程中应该注意到,同一调节质量是可以由不同的参数组合实现的。因此,即使完全凑试,由于参数数目少,整定过程也很简单。
　　
　　但是在配料和竖炉风温回路PID控制过程中,控制变量因受到执行元件机械和物理性能的约束而限制在有限范围内,即其变化率也有一定的限制范围。由计算机给出的控制量U在上述范围内,那么控制可以按预期的结果进行。总而言之超出最大阀门开度或进入执行元件的饱和区,那么实际执行的限制量就不再是计算值,由此将引起不期望的效应,这类效应通常称为饱和效应。这类现象在给定值发生突变时特别容易发生,我们分析这类效应在PID算法中带来的影响及克服的办法：
　　1.用有效偏差的PID位置算法。在PID位置算法中,除了对控制量u的限制外,对控制量变化率在的限制也会引起饱和,它可以采用类似的修正方法予以消除;
　　2. PlD增量算法的饱和作用及其抑制。在PID增量算法中,由于执行元件本身是机械或物理的积分储存单元,在算法中不出现累加和式,所以不会发生位置算法那样的累积效应,这样就直接避免了导致大幅度超调的积分累积效应。这是增量算法相对于位置算法的一个优点。但是,在增量算法中.却有可能出现比例及微分饱和现象。
　　
　　我们工程技术人员对影响饱和