一、項(xiàng)目簡(jiǎn)介
近年來(lái),連續(xù)鍍鋅生產(chǎn)線(CGL)等薄帶鋼處理線項(xiàng)目成為了鋼鐵行業(yè)投入的熱點(diǎn)之一,我公司陸續(xù)承接了多個(gè)類似的項(xiàng)目,都是以西門子S7-400 PLC,WINCC作為基礎(chǔ)自動(dòng)化控制核心器件。其中湖南省漣源鋼鐵有限公司的冷軋廠連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)線就非常有代表性。
漣源鋼鐵有限公司位于湖南省中部,1958年建成投產(chǎn),現(xiàn)已發(fā)展為擁有總資產(chǎn)151億元以上、年產(chǎn)鋼450萬(wàn)噸以上規(guī)模的特大型工業(yè)企業(yè),是國(guó)家“863”高新技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃CIMS應(yīng)用工程示范單位,國(guó)家重點(diǎn)支持發(fā)展的300家工業(yè)企業(yè)之一。
冷軋廠連續(xù)熱鍍鋅項(xiàng)目于2003年立項(xiàng),目標(biāo)是建成年產(chǎn)鍍鋅帶鋼31萬(wàn)噸,工藝設(shè)備水平一流、產(chǎn)品質(zhì)量一流的生產(chǎn)線。該線的原料可以適應(yīng)厚0.25~3.2mm,寬850~1570mm的冷軋帶鋼;全線可以分為入口段、入口活套、中央段(即工藝段)、出口活套和出口段五大部分及原料、成品供應(yīng)運(yùn)輸輔助系統(tǒng)組成。
入口段由兩臺(tái)開卷機(jī)、一臺(tái)三片模式焊機(jī)和其他輔助設(shè)備構(gòu)成,完成原料的連續(xù)供應(yīng)。最高速度220米/分鐘。
中央段由清洗段、連續(xù)退火爐、熱鍍鋅加熱器(即鋅鍋)、鍍層控制系統(tǒng)(氣刀、鍍層測(cè)厚儀、模型控制器)、小鋅花、光整機(jī)、拉伸矯直機(jī)、無(wú)水鈍化單元、耐指紋涂機(jī)和干燥系統(tǒng)構(gòu)成,完成冷軋帶鋼的連續(xù)退火、鍍鋅、表面質(zhì)量處理工作。最高速度160米/分鐘。該部分是全線的核心,可以說(shuō)出入口的所有的所有設(shè)備都是為了保證中央段平穩(wěn)、順利的運(yùn)行。
出口段由成品飛剪、兩臺(tái)卷取機(jī)和其他輔助設(shè)備構(gòu)成,以保證成品帶鋼順利、高效的分卷、卸載、包裝。最高速度280米/分鐘。
入、出口活套是為了在入口、出口在上料、卸料時(shí)中央段仍然有繼續(xù)運(yùn)行的原料及成品存放區(qū)而設(shè)置的。
二、控制系統(tǒng)的構(gòu)成
整個(gè)控制系統(tǒng)可以分為L2、L1兩級(jí)。
L2主要完成產(chǎn)品原料數(shù)據(jù)、生產(chǎn)計(jì)劃的分發(fā)、下放和成品數(shù)據(jù)的采集、整理,以及全線生產(chǎn)報(bào)表的生成查詢工作。
L1是全線基礎(chǔ)自動(dòng)化控制的統(tǒng)稱,全部選用了西門子產(chǎn)品。中央控制單元由9套S7-416-2DP 和1套S7-315F構(gòu)成;現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集及動(dòng)作執(zhí)行采用PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò),全線共用了近300個(gè)DP子站;交流變頻電機(jī)傳動(dòng)全部使用MASTERDRIVER 6ES70系列變頻器,用CBP2通過(guò)DP網(wǎng)絡(luò)連接到PLC控制系統(tǒng)。
人機(jī)界面(HMI-Human Machine Interface)是在WINCC V6.0平臺(tái)上開發(fā)的,采用了Server-Client模式,為了提高系統(tǒng)的可靠性降低停機(jī)時(shí)間使用了冗余功能。
PLC框架、WINCC Servers/Clients、L2 Servers/Clients及具有以太網(wǎng)功能的單體設(shè)備之間采用10M/100M/1000M以太網(wǎng)連接,根據(jù)設(shè)備間的距離遠(yuǎn)近分別采用光纜、雙絞線連接。
整個(gè)控制系統(tǒng)的以太網(wǎng)配置如下圖所示:
該項(xiàng)目的最大特點(diǎn)就是設(shè)備點(diǎn)多面廣,工藝復(fù)雜,需要大量的參數(shù)設(shè)定、狀態(tài)監(jiān)控。如果采用傳統(tǒng)的硬件操作臺(tái)點(diǎn)進(jìn)行控制則很不直觀,而且也需要非常大的硬件投入。所以我們采用HMI操作為主,操作臺(tái)操作為輔的方式,即只有線路起??刂圃诓僮髋_(tái)上,幾乎所有其他操作、狀態(tài)顯示、故障診斷、事件記錄、過(guò)程數(shù)據(jù)歸檔等都在HMI上實(shí)現(xiàn)。這樣既節(jié)省了大量的硬件投入,同時(shí)也提高了系統(tǒng)的直觀易用性,隨著硬件線路的減少相應(yīng)的故障率、維護(hù)量也可以大幅度的降低。
但是由此也帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題,那就是整個(gè)生產(chǎn)線的控制非常依賴于HMI系統(tǒng),即WINCC服務(wù)器系統(tǒng),如果它發(fā)生停機(jī)故障那么整個(gè)生產(chǎn)線也要發(fā)生停車故障,這樣就會(huì)造成原料的極大浪費(fèi),因此對(duì)人機(jī)界面(HMI)的穩(wěn)定性提出了極高的要求。所以在該項(xiàng)目里我們采用了WINCC 冗余服務(wù)器的模式。
三、WINCC 冗余系統(tǒng)的設(shè)置與實(shí)現(xiàn)
一般情況下WINCC 都采用Server-Clients的模式,如圖1沒(méi)有Server2時(shí)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?/span>Server1是HMI服務(wù)器,它一方面和PLC直接通訊采集、設(shè)定數(shù)據(jù);另一方面和Clients通訊發(fā)布畫面和數(shù)據(jù)給Clients;而Clients上的所有畫面和數(shù)據(jù)全部來(lái)自Server1。這樣的優(yōu)勢(shì)是做系統(tǒng)開發(fā)時(shí)只需要在Server1開發(fā)一套系統(tǒng),既可以發(fā)布給所有的Clients共享,而且數(shù)據(jù)管理和維護(hù)更合理和方便,可以把管理級(jí)和過(guò)程級(jí)清晰的分開。但是缺點(diǎn)也是很明顯的,那就是一旦Server1發(fā)生故障,則整個(gè)控制級(jí)就無(wú)法正常工作。如果能象圖中增加Server2,使其和Server1互為熱備,則可以大大的降低系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。WINCC就提供了這樣的解決方案即WINCC冗余系統(tǒng)。
WINCC冗余系統(tǒng)采用兩臺(tái)連接到一起的服務(wù)器協(xié)同工作,運(yùn)行期間,兩臺(tái)服務(wù)器相互監(jiān)控,可以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)對(duì)方是否進(jìn)入故障狀態(tài),如果一臺(tái)服務(wù)器發(fā)生故障,則所有的客戶端自動(dòng)切換到仍然正常的服務(wù)器,從而保證所有客戶端總可以進(jìn)行對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的監(jiān)視和操作。
在一臺(tái)發(fā)生故障期間,正常的服務(wù)器繼續(xù)完成系統(tǒng)內(nèi)的信息、過(guò)程數(shù)據(jù)歸檔和記錄;當(dāng)故障服務(wù)器正常投入后,故障期間的歸檔記錄會(huì)自動(dòng)復(fù)制到恢復(fù)后的服務(wù)器,從而保證了服務(wù)器數(shù)據(jù)的完整和連續(xù)。這一過(guò)程也稱作恢復(fù)后同步。
冗余系統(tǒng)的基本需求:
1.服務(wù)器需要安裝Windows 2000 Server版,WINCC項(xiàng)目配置為多用戶模式(Multi-user)
2.系統(tǒng)要求工作在時(shí)鐘同步方式下。最好整個(gè)系統(tǒng)包括過(guò)程級(jí)和控制級(jí)都進(jìn)行時(shí)鐘同步,最少要在過(guò)程級(jí)進(jìn)行時(shí)鐘同步。如果控制級(jí)也要進(jìn)行時(shí)鐘同步,則需要安裝WINCC的“Time synchronization”選項(xiàng)。
3.從PLC來(lái)的報(bào)警信息必須包含時(shí)間幀信息,在PLC程序內(nèi)用報(bào)警塊觸發(fā)信息就包含時(shí)間幀信息。
4.兩個(gè)Server必須分別連接到PLC,這樣下級(jí)的過(guò)程數(shù)據(jù)和信息可以并行的傳送到Server
5.兩個(gè)Server都需要安裝WINCC “Redundancy”選項(xiàng)
6.兩個(gè)Server在功能的配置上需要完全相同
7.每一個(gè)用戶歸檔都要指定唯一的字段用來(lái)保存最后變化的時(shí)間
時(shí)鐘同步,簡(jiǎn)單的說(shuō)就是在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)所有的具有時(shí)鐘的站點(diǎn)都工作在相同的時(shí)間系統(tǒng)上。時(shí)鐘同步系統(tǒng)內(nèi)任一時(shí)刻只存在一個(gè)主時(shí)鐘,其他站點(diǎn)都是從時(shí)鐘,從時(shí)鐘接受主時(shí)鐘的時(shí)鐘同步幀信號(hào)進(jìn)行時(shí)鐘同步,這個(gè)主時(shí)鐘可以是WINCC Server,也可以是PLC的CPU。WINCC的時(shí)鐘同步可以用WINCC的“Time synchronization”選項(xiàng)方便的進(jìn)行設(shè)置;PLC的CPU可以在STEP7的硬件組態(tài)里進(jìn)行設(shè)置。
冗余系統(tǒng)的組態(tài):
冗余系統(tǒng)的前期開發(fā)和多用戶系統(tǒng)的開發(fā)是完全一樣的,只是在系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)要進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M態(tài)。具體的設(shè)置過(guò)程如下:
1.右擊WINCC 的Redundancy點(diǎn)擊OPEN,打開冗余組態(tài)界面(圖2),激活冗余配置,進(jìn)行相關(guān)設(shè)置,而后點(diǎn)擊OK退出。
² 打開Redundancy配置環(huán)境時(shí),在“server:”的輸入框內(nèi)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)輸入當(dāng)前計(jì)算機(jī)名;除“Active Redundancy”外其他都不可以操作。
² 激活“Active Redundancy”選擇框,其他選項(xiàng)都可以操作了。各項(xiàng)含義如表1:
根據(jù)自己項(xiàng)目的實(shí)際使用要求和情況進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置即可。
Ø 2兩項(xiàng)必須要進(jìn)行設(shè)置。
Ø 3~8項(xiàng)的設(shè)置都會(huì)影響到服務(wù)器恢復(fù)后的系統(tǒng)同步內(nèi)容,建議采用默認(rèn)設(shè)置,不過(guò)為了減少恢復(fù)后服務(wù)器系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)可以根據(jù)實(shí)際需要適當(dāng)?shù)販p少同步內(nèi)容。
Ø 9項(xiàng)是指當(dāng)客戶端連接到指定服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障(此時(shí)服務(wù)器未必發(fā)生故障)時(shí)是否自動(dòng)切換到冗余服務(wù)器,建議激活此項(xiàng)。
Ø 10項(xiàng)實(shí)際上是為服務(wù)器相互監(jiān)控提供了另外一種檢測(cè)手段,如果激活此項(xiàng),則需要在服務(wù)器的串口間連接一根串口電纜,此時(shí)除了網(wǎng)絡(luò)路徑外,服務(wù)器間多了一條專用的狀態(tài)檢測(cè)鏈路,冗余系統(tǒng)的監(jiān)控更可靠。需要說(shuō)明的是串口連接只用作狀態(tài)監(jiān)控,而不進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。
“General”標(biāo)簽各項(xiàng)目的含義 |
||
1 |
Default Master |
用來(lái)指定兩臺(tái)服務(wù)器同時(shí)啟動(dòng)時(shí)把那臺(tái)作為主機(jī)激活,另外一臺(tái)可以認(rèn)為是從機(jī)。兩臺(tái)服務(wù)器不可能同時(shí)為主機(jī),必然是一主一從 |
2 |
Redundancy Partner Server |
輸入伙伴服務(wù)器的計(jì)算機(jī)名。如果伙伴服務(wù)器已經(jīng)在線,那么瀏覽按鈕可以幫助查找。 |
3 |
Synchronize all data of the outage period |
定義同步停機(jī)期間的所有數(shù)據(jù) |
4 |
Only synchronize the last days of a failure |
定義只同步停機(jī)最后…天內(nèi)的數(shù)據(jù) |
5 |
Synchronization of Tag Logging after the partner server comes back online |
定義是否同步變量記錄 |
6 |
Synchronization of Alarm Logging after the partner server comes back online |
定義是否同步報(bào)警記錄 |
7 |
Online synchronization for Alarm Logging |
是否同步報(bào)警記錄操作消息和保留的編號(hào)范圍內(nèi)的消息。 |
8 |
Synchronization after process connection error (Tag + Alarm Logging) |
定義當(dāng)服務(wù)器和組態(tài)連接(PLC)之間的網(wǎng)絡(luò)連接出錯(cuò)后是否同步歸檔內(nèi)容(如果取消激活此項(xiàng),可以減少服務(wù)器負(fù)載 |
9 |
WinCC client switch in case of a process connection error |
定義當(dāng)服務(wù)器和組態(tài)連接(PLC)之間的網(wǎng)絡(luò)連接出錯(cuò)后是否將WinCC客戶機(jī)切換到冗余伙伴服務(wù)器 |
10 |
Serial connection to redundant partner |
如果選定冗余伙伴的串行連接,則通過(guò)該串口進(jìn)行服務(wù)器的控制信息交換。 |
(表1)
當(dāng)冗余功能設(shè)定完畢后,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成內(nèi)部標(biāo)簽組“Redundancy”,該組內(nèi)有四個(gè)標(biāo)簽,用戶可以直接用它們進(jìn)行狀態(tài)診斷及信息顯示。
Ø @RM_MASTER:如果當(dāng)前服務(wù)器是主機(jī),則置位為1;否則為0。
Ø @RM_MASTER_NAME:當(dāng)前主機(jī)服務(wù)器的設(shè)備名。
Ø @RM_SERVER_NAME:客戶端當(dāng)前訪問(wèn)的服務(wù)器名。
Ø @RM_OFFLINE_US_NAME:服務(wù)器恢復(fù)在線后,正在同步的用戶歸檔名。
2.為客戶機(jī)指定首選服務(wù)器。配置好計(jì)算機(jī)和冗余功能,生產(chǎn)了服務(wù)器數(shù)據(jù)(Server Data)后,右擊“Server Data”然后點(diǎn)擊“Client-specific Setting”,打開客戶機(jī)服務(wù)器指定界面(如圖3),為每個(gè)客戶機(jī)指定首選服務(wù)器,然后點(diǎn)擊OK退出。
為客戶端指定首選服務(wù)器是為了更好的平衡服務(wù)器的負(fù)擔(dān),指定了首選服務(wù)器的客戶端會(huì)自動(dòng)的優(yōu)先連接到指定的服務(wù)器,沒(méi)有指定的則始終連接到主服務(wù)器上。
3.退出WINCC管理器,點(diǎn)擊“開始”、“SIMATIC”、“WINCC”、“TOOLS”下的“Project Duplicator”復(fù)制出冗余項(xiàng)目到冗余服務(wù)器。用“Project Duplicator”復(fù)制冗余項(xiàng)目的好處是可以自動(dòng)的完成另外一臺(tái)服務(wù)器的冗余配置同時(shí)生產(chǎn)完全相同的項(xiàng)目。
至此WINCC冗余項(xiàng)目已經(jīng)設(shè)置生成完畢,可以投入運(yùn)行了。
冗余系統(tǒng)的工作過(guò)程:
當(dāng)服務(wù)器都正常時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行拓?fù)淙鐖D4所示,每臺(tái)客戶端PC都連接到自己的首選服務(wù)器。此時(shí)服務(wù)器A是主機(jī);B為從機(jī);客戶端1、2連接當(dāng)服務(wù)器A,客戶端3連接到服務(wù)器B。
當(dāng)其中一臺(tái)(如服務(wù)器A)發(fā)生故障,所有的客戶端PC都自動(dòng)切換到另一臺(tái)(如服務(wù)器B)上工作, HMI系統(tǒng)可以正常的運(yùn)行,而不影響使用。切換完的運(yùn)行拓?fù)淙雸D5所示。
當(dāng)服務(wù)器A在線后,客戶機(jī)1連接回服務(wù)器A,客戶機(jī)2、3仍然連接到服務(wù)器B。從這里我們也能看出為客戶機(jī)指定首選服務(wù)器的作用。
四、項(xiàng)目的運(yùn)行及應(yīng)用體會(huì)
2005年11月,WINCC冗余系統(tǒng)已經(jīng)在漣源鋼鐵公司冷軋廠連續(xù)鍍鋅生產(chǎn)線調(diào)試完成并且順利投入運(yùn)行。WINCC標(biāo)簽總量超過(guò)6萬(wàn),畫面170余幅,報(bào)警信息2萬(wàn)多條,變量歸檔130多個(gè),經(jīng)過(guò)一年多的實(shí)際運(yùn)行,用戶反映良好,沒(méi)有因?yàn)?/span>WINCC服務(wù)器故障而造成生產(chǎn)線停車。而且WINCC冗余系統(tǒng)除了增加一套服務(wù)器的軟硬件外,不需要增加系統(tǒng)開發(fā)的成本,從而用非常小的投入,能夠極大地提高系統(tǒng)的可靠性,對(duì)于當(dāng)前越來(lái)越龐大和復(fù)雜的自動(dòng)化控制系統(tǒng)是一種非常好的解決方案。