6ES7511-1TK01-0AB0型号介绍
1 引言
scada(supervisory control and data acquisition)系统，即远程控制和数据采集与监视系统。scada广泛应用于石油、化工、电力系统、给水系统、市政等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统。scada系统可以分为监控中心，通讯网络，和现场远程测控系统三部分。监控中心硬件常用通用的服务器或服务器集群组成，是通用商用信息化设备。软件则多采用专用的scada系统软件。目前这类软件很多，随了网络技术等技术的发展，监控中心软件展现出越来越**的特性。
2 信息化时代的远程监控
信息化时代的远程监控支持手机作为操作终端；视频与工业数据一体化；b/s结构即浏览器/服务器结构；大地域，大视图，海量数据；远程组态和维护技术；复杂的权限管理；电话拨号轮询scada系统。常见scada系统构图如图1所示。信息化时代为scada提供了空前的通讯技术解决方案。
图1 信息化时代的scada系统构
2.1 通过internet公网来进行通信
由于internet公网是不安全的，所以，不能直接将主站端和子站端通过公网相联接。必须使用安全设备，方便的方式就是使用vpn网关。vpn网关可以通过internet建立安全的隧道，主站端和子站端通过这个安全隧道来传输数据。隧道建立后，主站端和子站端的通讯同本地tcp/ip的通讯方式完全相同，这样将极大地方便数据的传输。vpn网关设备在提供安全隧道的同时，也提供防火墙服务，我们可以通过配置防火墙来进一步**通信系统的安全性。使用internet来通讯的大好处是费用低，速度快，高速度可以达到512kbps。目前，在项目厂区内已现存铁通adsl的internet宽带网，而且价格十分便宜，完全可以利用已有的internet连接来建立安全的数据连接通道。
2.2 通过电话拔号方式与主站端连接
在这种情况下主站端需要安装一台ras服务器，我们的方案是采用具有ras功能的isdn服务器，这样做的好处是，不论客户端是普通电话线，还是isdn线，都可以进行ras连接。子站端的用户可以通过普通的电话线(pstn)及一个普通异步modem拔号到主站端来建立数据通道。这种通信方式的速率只能达到19.2kbps，建立连接速度慢，一般需要20到60秒钟才能建立起连接。并且此时的通信费用相当于长途电话费，如果数据传输时间长，通信费用将会很高。所以只能作为一个备份方案，当其它通信方式出故障时临时使用。
2.3 通过isdn连接
用户可以申请一条isdn线，通过isdn线与中心端连接。isdn的连接速度可以达到64kbps，建立连接的速度非常快，只需要１秒钟左右。我们采用lan isdn modem，只在有数据时才建立连接并传输数据，当系统空闲时并不占用通信线路，所以，这种方式的费用要比第二种方式低一些。
2.4 gprs通信技术连接
gprs是通用分组无线业务(gen -eral packet radio service)的英文简称，是在现有gsm系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为gsm用户提供分组形式的数据业务，用户永远在线且按**计费，迅速降低了服务成本。gprs提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务，特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。gprs理论带宽可达171.2kbit/s，实际应用带宽大约在40～100kbit/s，在此信道上提供tcp/ip连接，可以用于internet连接、数据传输等应用。
2.5 本项目通讯方案确定
综合上述四种通讯连接方式，并根据本项目实际情况，确定主要系统数据通讯通过楼宇自身的局域网来进行，适应较大的通讯数据**和通讯速率，保证整体信息集中系统的通讯稳定和可靠性、保证故障信息的即时、可靠传送。从经济角度是佳的选择。各种通讯连接方式终都是在子站端和主站端建立tcp/ip连接，但需考虑双网的切换管理，软件需要相关的适配和调整。其他通讯方式，如：无线电台通讯等由于通讯设备的高费用，不在本项目中考虑。
3 液晶面板车间空调scada监控系统
3.1 液晶显示器无尘室hvac
液晶显示器生产车间不同于舒适性空调房间,室内的温湿度控制要求精度要求温度在23℃±2℃,相对湿度在60%±5%以内,同时对空气的洁净度也有较高要求,使得换气次数较多,新风量大,甚至有直排系统。维持无尘室一定的温湿度与洁净度，为生产工艺过程提供良好的生产环境，从而保障整个生产线的良率。无尘室是液晶生产的关键设施，其中hvac(heating, ventilating and air-conditioning.供暖、通风及空调)系统对于无尘室环境至关重要，维持无尘室一定的温湿度与洁净度，为生产工艺过程提供良好的生产环境，从而**整个生产良品率。洁净空气中含尘量多少的程度(即含尘浓度)。含尘浓度高则洁净度低，含尘浓度低则洁净度高。其中洁净度的划分，即在每立方米内可允许的微尘粒子大于等于0.5um的粒子数目的多少，分为1级、10级、100级、1000级、10000级和100000级。除了美国、日本、德国的洁净室标准外，世界上尚有英国、法国、澳洲及韩国等规格。
hvac控制系统包含了三大部分：冷热源机组、空调机组和空调末端设备的控制，hvac监视系统则实时监测无尘室内供暖通风及空调设备的启停及故障状况、漏电漏水的报警，同时监测无尘室内各部分的温度、湿度、压力以及设备的温度、压力、**、频率等其它参数，并对故障报警、设备启停状态和模拟量数据等作随时的记录保存，从而中央监控人员可以根据监视系统显示的实时数据对相应的报警作及时的处理，可以根据数据趋势图进行分析作相应的预警处理，更可以根据系统记录的历史数据分析系统故障原因。hvac监视系统是整个hvac系统和中央监控人员的人机界面，随时记录和汇报系统的运行状况。
3.2 项目描述
s厂按其生产工艺分为阵列、成盒、模块三个厂房，以及负责全厂动力供给的动力厂房。
由于厂房面积大，无尘室暖通设备分散在整个厂房的各个部分，所需监控的信号点无法集中到一个站，所以采用基于plc的多站分散、集中监视的scada(supervisory control and data acquisition)系统。根据厂房内设备分布情况，在各个区域设立多个分站：成盒分站2个，模块分站2个，阵列分站6个，分别收集周边需要监测的数据；工厂有两个监控室，阵列监控室设立两个监控主站，“成盒模块主站plc1”和“阵列主站plc1”，分别监视成盒模块厂房和阵列厂房的信息，动力监控室设立“动力主站plc1”，同时监视包括成盒模块和阵列厂房的所有信息。以上分布在厂房现场的各plc分站采集到的数据，将通过网络传送到各监控室的plc主站，再由各上位监控计算机连接主站plc，通过上位工业监控软件监视和记录全厂现场的相关信息。
3.3 现场网络架构
监控系统网络架构共由3层网络组成，分别为clk1，clk2和上层以太网络。clk是一种fa(工厂自动化)网络，omron的多种机型可以通过它轻易地进行数据交换。clk网络支持数据共享和信息服务的数据链接功能，可以在需要通信时发送和接收数据。数据共享允许在网络上不同的节点之间共享预先设定的数据区域，这样，当地节点发送区域内的数据会被自动发送到目的节点的接收区域，而不需要用send、recv和cmnd等指令编写专用的通信程序。所有的内存区(cio、lr、dm等区域)，都能够被人为或系统自动设定成收发区域。信息服务主要通过执行相应的通信程序来控制数据在特定节点之间的传输、状态数据的读写、以及操作模式的改变等。clk网络连接介质可以是屏蔽双绞线或光纤，光纤有较强的噪音抑制能力，特别在长距离和大范围的网络中，其优势更明显。
(1) 现场一层plc网络：现场各分站plc和监控室主站plc之间采用欧姆龙控制器链接网光纤冗余环网(controller bbbb)：成盒模块现场4个站plc和位于阵列监控室的成盒模块主站plc1构成一个光纤环网，通过成盒模块现场一层网络clk1，将成盒模块现场各plc采集的数据汇集到成盒模块主站plc1作监控显示；阵列现场6个站plc和位于阵列监控室的阵列主站plc1构成一个光纤环网，通过阵列现场一层网络clk1，将阵列现场各plc采集的数据汇集到阵列主站plc1作监控显示。
(2) 监控二层plc网络：通过现场一层网络，现场plc采集的数据都被汇集到了阵列监控室的两个主站plc1。而动力监控室内对全厂数据的监控显示则通过动力主站1和成盒模块主站1、阵列主站1之间监控二层网络clk2，将成盒模块主站1和阵列主站1汇集的现场数据全部集中到动力主站plc1，完成全厂的监控显示。
(3) 信息层以太网：监控上位机通过以太网和监控室内各主站plc1通讯，实时显示现场数据并作数据记录。信息层以太网链接如图2所示。
图2 信息层以太网链
图3 基于opc标准的软件链接
3.4 系统软件平台和应用环境
(1) 上位工业监控软件：上位工业监控软件采用美国罗克韦尔软件公司开发的rsview 32，rsview32是一种集成式的、组件化的人机接口软件，它运行于bbbbbbs95/98/2000/nt等操作系统下，可实现监视和控制自动化设备和过程。其可以很方便地完成工艺监控画面的形成、数据实时采集、趋势记录分析、报警报表打印等任务。该软件还具有很强的网络浏览器集成功能、嵌入标准的编程语言(vb)、在线帮助、支持实时视频图像和嵌入字处理、电子表格和activex文本等功能。上位软件主要完成对设备的主要工艺参数和运行状态分别以工艺画面和表格的形式进行监视、在画面设置并监视主要控制回路的调节参数及过程、对主要仪表数据进行趋势记录、报警记录及联锁值的设定。
(2) opc(用于过程控制的ole)服务器：过去上位软件与现场自动化设备相连需要开发专用的底层通讯接口，实际应用很不方便。现在opc作为自动化系统、现场总线、现场总线设备和办公管理应用程序之间的有效连接方式，使办公室和现场设备之间的数据交换简捷化、标准化，极大地简化了系统的结构，使原来错综复杂的体系结构变得简单清晰，上位软件只需注意与opc server之间的数据交换，而不必担心具体设备的连接问题。opc是一个工业标准，基于微软的ole(现在的active x)、com(部件对象模型)和dcom(分布式部件对象模型)技术。opc包括一整套接口、属性和方法的标准集，用于过程控制和制造业自动化系统。active x/com技术定义各种不同的软件部件如何交互使用和分享数据。不论过程中采用什么软件或设备，opc为多种多样的过程控制设备之间进行通讯提供了公用的接口。欧姆龙sysmac opc server是专用于欧姆龙系列plc等设备的opc软件，在本系统用于与上位软件rsview32的数据接口，实现罗克韦尔的rsview32与欧姆龙plc的数据交换。
3.5 通讯工具软件
finsgateway是欧姆龙plc的通讯接口工具软件，主要用于上位机与plc各种通讯网络之间的管理，并提供建立通讯的数据接口。在本系统中，其主要用于上位机和plc以太网之间的通讯控制和数据管理，在软件中可以对欧姆龙plc以太网进行设定和服务启停控制。本系统中，监控上位机和监控室内各主站plc1之间物理连接通过以太网来实现；而sysmac opc server通过plc通讯接口工具软件finsgateway与plc进行数据交换，同时又和rsview 32数据库(database)进行数据交换，成为罗克韦尔rsview32和欧姆龙plc的链接的软件接口，软件链接如图3所示。fins(factory interface network service)是omron公司开发的用于fa控制网络的通信协议系统，fins通信使用一组专门的地址，它不同于以太网的地址系统，不管目标节点在以太网还是在另外一个fa网络上，这种寻址方式都提供了一致的通信方法。以太网支持fins通信，plc与plc以及plc与上位机之间可以通过以太网单元传输数据。上位机在程序里可以使用fins指令，plc可以通过send、recv、cmnd指令来发送fins命令。以太网单元通过udp/ip或tcp/ip端口提供fins通信服务，当上位机与plc进行fins通信时，通过向以太网单元fins/udp或tcp/ip端口发送包含fins命令的数据报，可以读写plc的内存数据或控制plc运行。同一网络的设备之间通过执行send、recv、cmnd指令可以收发fins通信命令。fins通信也有其它网络支持，如sysmacbbbb、clk等，处在互连网络的不同类型的网络上的节点可通过网关进行通信。
3.6 冗余以太网的建立
在欧姆龙cs1 系列plc中，以太网单元cs1w-etn21支持100base-tx型工业以太网，媒体接入控制采用csma/cd技术，传输方式采用基带，网络层和传输层采用tcp/ip或udp/ip协议，应用层可采用fins通信协议。finsgateway作为网络通信的中介软件，并安装以太网驱动单元(etn_unit)和两块cs1w-etn21网络单元建立冗余以太网络。在固定的时间间隔内，网络状态的特定通信数据段在网络间被广播，用来监测冗余网络的通断情况和网络节点的在线和离线状态。fins通信服务建立后，当冗余网络的主网络出现单元错误，断线，在线更换等情况时，网络通信立刻切换到备用网络进行。
3.7 plc编程软件
cx-programmer是欧姆龙公司plc的软件编程、调试工具程序，其运行在bbbbbbs98 t€0操作系统下，具有丰富、简捷的操作环境和强大的编程、调试功能。欧姆龙的sysmac cs1系列plc具有较丰富的指令系统，其包括继电器指令、定时器和计数器指令、计算指令(包括三角函数、指数、幂运算等)、数据转换、诊断、位移寄存器、比较、数据传送、程序控制和pid控制等指令。利用这些指令即可完成本系统现场环境、设备参数的数据采集、处理和传送。
3.8 plc硬件配置
各站plc采用目前欧姆龙公司新产品cs1机型，cs1系列plc按照工业控制的严格要求设计制造，是目前**的plc之一。欧姆龙plc相关中文资料丰富，使用方便；欧姆龙在国内有研发中心、工厂、物流中心，plc产品货源充足、备品备件方便；欧姆龙在国内还有技术服务中心、维修中心，后期技术服务方便、国内维修便利。
根据分站和主站plc负载大小可选择不同档次的cpu：分站plc只处理本地的数据，数据量小，cpu采用欧姆龙cs1系列cs1h-cpu44h；主站需处理全厂各分站plc传送来的数据，数据量大，cpu采用欧姆龙cs1系列性能强的cs1h-cpu67h，其指令处理速度快，程序、数据容量都是大。
1 引言
焦炉集气管压力、鼓风机前吸力是焦化生产工艺上需要控制好的两个重要参数。其中集气管压力直接影响焦炭的质量、炉体寿命、焦化化产品回收率、能源消耗和环境污染等，而风机前吸力则是整个焦炉和化产回收系统能否在设计工艺条件下运行的关键参数。
2005年，我厂在原有两座4.3-80型顶装焦炉的基础上增建了一座60孔jndk43-03f型复热式、单集气管捣固焦炉，组成了共五根集气管，同用一套鼓冷系统的生产体系。复杂的工艺使各集气管压力自动调节相互间耦合现象严重，造成各集气管压力难以稳定，机前吸力也难以控制，原设计的集气管压力和机前吸力自动控制系统事实上难以完全满足新的生产工艺需要，并因此造成三座炉子冒烟冒火现象非常严重，直接影响了焦炉的正常生产以及生产环境。为此，我厂对焦炉集气管压力调节系统进行了优化改进。
2 原控制系统分析
在3#焦炉投产初期，原1#、2#焦炉集气管压力调节分别由数字调节器、压力变送器等仪表组成单回路控制系统来控制各自的集气管的压力，而3#炉是由交换机控制室的西门子s7-300plc计算机控制系统组成单回路控制系统分别控制a、b两根集气管压力。机前吸力则由鼓风机控制室西门子pcs7控制系统，通过鼓风机转速的自动调节达到控制机前吸力的目的。
2.1 原控制系统工作原理
(1) 集气管压力调控。1#、2#焦炉现场变送器将测得的焦炉集气管压力信号转换为4～20ma dc电信号，送到数字调节器进行pid运算处理，再根据当前压力值同内部给定值的偏差大小，从而输出相应的4～20ma dc电信号给电动执行机构，控制阀门的开关，达到压力控制的目的。3#焦炉则将现场变送器将测得的焦炉集气管压力信号转换为4～20ma dc电信号送到模块转换成数字信号后再送至plc进行运算处理，然后再输出相应的4～20ma dc电信号给集气管a、b的电动执行机构，达到集气压力控制的目的。
(2) 鼓风机前吸力调控。根据转速越大，吸力越大，反之转速越小，吸力越小的控制规律，风机前吸力变送器检测出的初冷器前吸力信号转换为4～20ma dc电信号，送到模块处理后再送至plc进行运算处理，plc再根据上位机的判断确定当前压力值同内部给定值的偏差大小，从而发出相应的指令通过模块输出信号给电动执行机构，控制风机转速，从而实现风机前吸力的控制。
2.2 系统存在问题
(1) 焦炉耦合。集气管系统包括四个集气管管段的压力控制，四个集气管压力控制之间由于管道互通，因此存在非常强的耦合效应，导致各个集气管压力的调节相互干扰，互相激励，难以稳定。
(2) 推焦、装煤、喷洒高压氨水等强扰动。推焦、装煤，尤其是喷洒高压氨水，引起集气管压力大幅度波动，同时由于焦炉间的耦合效应，诱发整个集气管压力很长时间难以稳定下来，由此引起炭化室压力偏高或者偏低，出现冒烟冒火或者负压等情况。
(3) 焦炉换向。焦炉换向期间，焦炉停止加热。在使用焦炉煤气加热的情况下，回炉煤气量减少，使得机后压力改变，进而改变风机的吸气量，影响集气管压力，成为“诱发”集气管压力不稳定的根源之一。
(4) 焦炉产气量波动。每座焦炉在结焦的不同阶段产生的荒煤气的量是变化的，对于同一座焦炉，不同的结焦周期下单位时间内产生的荒煤气的量也是不同的。任何一座焦炉荒煤气发生量的变化在改变自身集气管压力的同时，将改变整个集气管系统内各点压力。
(5) 初冷器和管道阻力变化。荒煤气中部分杂质会粘凝在初冷器和煤气管道内，实际的煤气流通截面面积相应变化，导致阻力变化，风机的实际吸气量改变，进而影响集气管压力。这种阻力的变化也影响风机与集气管压力之间的动态特性。阻力越大，集气管压力对风机吸力越不灵敏。
(6) 风机转速的问题。由于临界转速与设计转速不符，当风机转速达到2000转/分或小于1500转/分时，风机就会发生异常声音，加上集气管压力的不稳定，在自动调节吸力时，可能将风机转速调至过大，以致风机油温升高而烧坏鼓风机。
因为上述原因造成1#、2#、3#焦炉集气管压力波动极大，焦炉浓烟滚滚，大火冲天，严重影响周边环境，并导致一度停产。
3 改进方案
为满足工艺要求，我们针对原控制系统设计的不足进行了一系列改进。
3.1 次改进
因为稳定的机前吸力是保证对集气管压力进行稳定调节的前提，所以在3#焦炉投产初期，针对自动调节风机转速仍难以把握鼓风机前吸力大小的现象，我们利用液力偶合器，通过盘装电动操作器手动调节翻板开关来控制、调节风机转速，以达到稳定控制吸力的大小。
次改进后系统工作原理如图1所示。
图1 机前吸力调节系统框图
次改进后确实稳定了机前吸力，并在一定程度上满足了工艺对压力的要求。但人工调节又无法满足工艺方面压力必须稳定均衡的要求，并且耦合现象仍然存在，各集气管压力还难以稳定。
3.2 第二次改进
为解决上述问题，2007年我们将集气管压力控制系统改用智能协调系统。该系统是一种**的控制手段，可解决传统控制方法无法解决的复杂生产过程的控制问题；实现更加优化的控制目标；满足更加苛刻的生产约束条件，如图2所示。
图2 工作原理图
(1) 系统构成及工作原理。该系统主要由工业控制计算机，液力偶合器，电动执行器，传感器等构成。由工控机对系统进行实时监控，通过采集到的集气管压力，执行器状态，影响集气管压力波动的信号等参数，经工控机运算处理后，将控制信号送执行器执行——稳定集气管压力。其控制过程是：以一台工业控制计算机构成控制系统的核心,将集气管压力,碟阀开度,机前吸力，机后压力，风机转速等信号接入控制系统，控制系统根据设定的集气管压力对碟阀开度进pid控制——当实际压力高于设定压力时开阀：当实际压力低于设定压力时关阀。当碟阀关到一定程度(该值可以设定)集气管压力仍有低于设定压力的趋势时，控制系统将发出降低鼓风机转速的控制信号，以减小吸力，反之则**转速，增加吸力。若鼓风机的转速已降到接近临界转速，集气管压力仍低于设定压力(碟阀仍关到低值)时，为避免鼓风机共振，此时控制系统将不再将低鼓风机转速，而通过语音报警通知操作工进行相应的手动调节。若煤气用户的用气量减小(机后压力增高)，导致机前吸力降低而前述方法不能调节时，控制系统可自动打开煤气放散阀或向煤气气柜输气管的调节阀(并可同时发出语音报警)以提示操作工手动。
系统通过获得影响集气管压力信号，可对放散阀(或输气阀)等进行提前调节，以保证集气管压力的稳定。
通过鼓风机转速的调节，可使集气管碟阀角度在设定的范围内——保证足够的阻力参数，增加调节的灵敏度。终系统将稳定在至少有一碟阀处于开度大的状态下，以尽量减小系统的阻力，即大限度地节省电能。
由于在正常生产中，鼓风机机前(气液分离器，初冷器等)设备的阻力变化，为了保证生产的安全，设置鼓风机机前吸力上限指标——当机前吸力达到我们设定的上限时，不管集气管压力如何，鼓风机都将逐渐减速以使机前吸力恢复到安全值。
每座焦炉都增设一个控制器——这样，当协调控制系统出现故障时可由上升管工在现场手动控制，直至控制系统被修复为止。
(2) 集气管压力智能协调控制系统主要功能有：稳定集气管压力，满足炼焦生产要求；采集炼焦、鼓风、化产数据，自动分析运行工况；动态调整系统运行参数；协调焦炉上升管翻板、初冷器前吸力、风机；克服推焦、装煤、喷洒高压氨水等强干扰；降低设备损耗；降低生产能耗；降低人工劳动强度，**系统运行可靠性。智能协调控制操作画面如图3所示。
图3 智能协调控制操作画面
4 应用效果
经过上述改造后，系统控制不仅满足了新的工艺要求，还产生了良好的效益。稳定了集气管压力，在正常生产工艺条件下，集气管压力90％以上的时间控制在压力设定值不大于 ±10～20pa范围内，满足了新的工艺要求。控制灵敏。若由于装煤，高压氨水等干扰因素使集气管压力超标时，将在30秒内调回，各个分集气管压力控制具有良好的设定值跟踪能力，设定值可在线修改，在强干扰的情况下35秒内恢复正常。减少了集气管压力电动执行机构动作频率，避免执行机构过热，**了可靠性，降低了磨损；在焦炉数量增减(如因某座焦炉集气管压力调节翻板暂时损坏的情况)集气管压力控制系统要对其余焦炉继续实施有效控制，在恢复正常后，可以无扰动地将其纳入控制系统。在提供新的集气管压力控制方式的同时，保留常规控制方式，二者可以平稳、快捷的切换，对生产没有扰动。实现了风机转速的计算机自动调节，并具有主要参数高／低限报警功能。
5 结束语