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HoneywellTotalPlant®Alcont自动化在制浆造纸行业的应用

时间:2014-05-23 19:13攀遧:阅读次数: 复制分享 我要评论

基于造纸生产过程连续性及安全性的要求,Honeywell TPA系统提供了运行可靠性很高的PM及冗余PM过程处理模组。从2001年运行到现在的7年的时间里,因为系统处理器本身的故障导致的停机事故还没有,其中发生过的最严重的故障事件发生在控制锅炉的冗余处理器中。因为冗余模组的处理器硬件故障,导致系统总线负荷过高,通讯中断,工艺监控操作无法进行,主处理器自动控制生产运行达40分钟,经检查重新复位了冗余的处理器后通讯恢复,我们当夜联系了HONEYWELL的服务专家,进行了远程登录诊断,确定为冗余模组的处理器卡硬件故障,在HONEYWELL专家远程指导下在线更换了处理器模组,并优化了系统的软件设置,对系统中运行的GHOST等垃圾程序进行了清理,系统运行正常,幸运的是这次事故发生在生产相对稳定的工况下,工艺人员在现场加强巡视,所以并没有导致停机。通过这次事故后我们加强了对过程处理器模组的维护,定期检查处理器运行状态及备用模组的工作情况,定期删除未使用的连接,降低系统运行负荷,下载程序时检查主从模组的CRC是否一致,保证处理器能在一个正确的软件环境下运行,现在整个系统运行健康、平稳。
  
    以下就TPA系统结构、布局及控制功能做一简介。
  
    1.TPA 硬件组成及结构

    Honeywell TotalPlant® Alcont (简称TPA)系统是霍尼韦尔公司针对制浆、造纸行业开发的集生产过程自动控制、生产设备快速逻辑控制、纸机电气传动控制系统于一体开放式自动化控制系统平台,是目前Honeywell EPKS知识专家系统的重要组成部分之一,在欧洲及亚洲制浆、造纸行业得到了广泛的应用。
  
    1.1 TPA 系统经典结构

    经典的TPA系统结构如下所示:

    每套TPA系统中,一般由两组互为冗余的OM 模块 (Operation Module),1~3组OIM 模块(Operator Interface Module),多至16组的PM模块(Process Module),及每组PM 模块下多至4组的I/O 柜组构成基本的TPA 系统硬件结构。还有其它诸如SM模块(Storage Module),AM (Alarm Module)等扩展模块,可以完成相应功能,可以使TPA系统功能更完善。
  
    1.2各模块的功能及硬件组成

    OM 模块 作为中心处理器,主要存储系统的配置信息,用户组态的程序及操作画面,收集报警信息并输出至报警设备,执行顺序控制运算以及作为故障诊断接口。由于OM模块是相互冗余的,当某一OM有故障时,可以按照规程对该模块进行故障修复,必要时可以进行冷启动。
  
    OIM 模块 主要功能是连接远程操作站,作为远程操作站调用OM模块内存储画面的接口,组成与OM 模块区别只是OIM 模块没有EMM NVM等存储单元。
  
    PM 模块 作为OM下一级的控制器,主要完成测量、调节控制、逻辑、顺序、批处理过程控制功能。它用I/O与过程接口,收集现场数据,并根据从OM模块下载到本处理器的程序进行各种运算和控制,它可以执行用事件驱动的高级语言,PM还可以储存8小时的历史趋势。PM 模块是可以冗余的,一般用于重要的区域控制。
  
    PM模块与OIM 组成相近,他的程序都是存储在XPR 卡中,不需要额外的存储卡。区别在于它还包括一个UIX卡,用于和它连接的I/O 柜组通信。冗余型PM 还包括一个 UPC卡,用于冗余PM 管理。
  
    I/O 柜组 是PM与过程的接口,现场的信号线经端子排连接至I/O 卡,收集信息后通过 IOC卡 与上级PM 通讯。I/O 只负责收集生产信息而无处理功能,I/O 卡共分4种 :MAI卡(模拟量输入卡)、ACO卡(模拟量输出卡)、MSI卡(数字量输入卡)和BOU卡(数字量输出卡)。卡件由 IOPS 单元供电,而非LPS卡供电。
  
    模块间通讯 是通过Honeywell模块间各HIGHWAY进行的,OM模块间是XPR卡通过System HIGHWAY实现的,OM与PM模块通信是XPR卡通过Process HIGHWAY实现的,PM 与I/O通信是由PM的UIX卡通过IOHIGHWAY连接到I/O IOC卡实现的。 
  
    总线介质通常为冗余同轴电缆,总线通信速率1.2或4Mbit/s。总线又分为系统总线,过程总线和I/O总线。总线两端为75欧姆终端电阻,当怀疑总线故障时可以断开所有模块测量并联电阻在40欧姆左右(线阻50-100欧姆/千米)。

    1.3 我公司在线运行的TPA 硬件结构及工艺组成 

    我公司现有3套独立运行又相互通讯的TPA 系统。

    第一套TPA 应用于制浆车间及化学品制备车间。制浆车间职能是将木片通过筛选,蒸煮,洗浆,漂白等工段,生产出合格的漂白化学浆,化学品车间负责制备制浆车间生产过程中所需的化学品。该TPA 系统由2组冗余OM模块作为中心控制器、1组OIM作为化学品车间远程GUS接口模块,4组PM模块及14组I/O柜组成。

    第二套 TPA 应用于纸板浆板车间。该车间主要职能是利用自产浆和外购浆生产合格的纸板和浆板产品。纸浆在纸板机上网前的浆料制备、浆料流送及化学品添加等由该套TPA控制。该TPA 由2组冗余OM模块作为中心控制器、1组OIM 模块作为纸板干部GUS接口模块,5组PM模块及13组I/O 柜组成。该车间TPA系统与SIEMENS S7-400 系统、ABB QCS 、AB PLC等系统进行通讯。
  
    第三套 TPA 应用于碱回收车间和动力车间。碱回收车间是把制浆车间产生的黑液燃烧产生蒸汽为动力车间发电提供动力,并处理制浆过程中产生的污染气体—臭气。动力车间则为全公司生产提供电力和蒸汽。该套TPA 由2组OM模块,一组OIM模块,7组PM模块(其中3组为冗余PM模块)及16组I/O柜组成。
  
    由于碱炉的燃烧物为易爆混合气体及重油等物质,对系统的安全级别和稳定性有更高的要求。所以PM3 PM4 PM5 3组控制碱炉的PM模块均采用冗余模块。冗余模块的优点在于当该模块XPR发生致命故障时,可以自动选择到冗余XPR卡上,对系统运行没有影响,不会发生因为控制实效引起的安全事故。
  
    该系统与 HIMA 安全PLC 、SIEMENS PCS7、烟气检测系统等多套系统通讯。
  
    1.4 TPA 系统硬件结构总结 

    TPA系统是一个开放型分布式过程控制系统。它的硬件是基于模块化的设计。模块均由卡件组成,易于安装和维护。模块间利用HIGHWAY通讯,减少了中心处理器的工作量。模块与其它系统方便的通讯,有利于公司制定在某领域内更专业的解决方案。
  
    2.TPA 软件组成及结构

    2. 1 TPA 系统软件结构及功能

    从图1可以看出,TPA系统的软件有几下几部分:
  
    DM 模块(Design Module)是程序设计工作站,包括组态工具、图形工具、系统工具,分别进行组态、文档、管理及图形设计、系统定义等功能。
  
    在工程初期用DM创建工程文件、进行系统定义和I/O定义及应用程序组态。日常维护需要用DM将程序改动下载到控制器并检查下载后系统功能。利用DM文档化应用程序。备份系统和应用程序、系统性能检测也是日常维护的重要组成部分。DxM是基于PC的编程工具。
  
    GUS 操作站(Global User System)用于控制和操作过程,操作站通过同轴电缆连接到OM上,每一组OM最多可以连接4个操作站,用于从OM 下载操作画面和TAG LOOP来控制生产过程,并完成接受测量值、发送控制命令等数据通讯。
  
    Remote DM (Remote Design Module)& Remote GUS 是通过网络连接实现远程DM 或 GUS 功能的计算机,一般用于远程诊断和远程工艺技术支持。当然远程诊断也可以借助第三方软件,例如Remote Administrator 或者PC Anywhere 来实现。
  
    2.2 DM模块软件工具介绍

    DM模块软件主要包括系统工具、组态工具和图形工具。见下图:

    系统工具主要用于新加系统的架构、已有系统硬件改动的更新、系统用户的定义、系统设备的定义、数据存储的定义、报警区域的定义、工艺区域的定义等所有与系统全局信息相关的定义。根据系统结构图,通过系统工具可以完成系统框架的建立。

    正确定义Cards & I/Os,在以后完成的程序中输入输出信息才与程序对应起来;

    正确定义Users,才能创建用户并指定用户的权限;

    正确定义报警区域、工艺区域,才能把程序分类存放和管理,同时对报警信息也分区域发布和管理。
  
    该工具也提供直接管理OM内部文件的功能,但是由于OM内部文件非基于Windows的文件系统,非必要条件下不得更改。
  
    该工具由于完成与系统框架相关的功能,定义及更改必须做好文档管理,工厂维护中常有定义错误而引发的故障,例如因为用户权限定义错误,或者新增工艺区域未做相应关联,致使操作权限不够等问题。
  
    组态工具主要用于新组态控制回路、已有控制回路的修改与下载、生产过程数据实时监控、连锁/模拟解除及恢复等。
  
    Honeywell提供了3种程序块,分别是基本块、类型块和模板块。Honeywell提供的基本块能够完成几乎所有控制需要,例如电机控制、阀门控制、PID控制、开关控制等,只是在新组态程序时工作量比较大。如果利用提供的类型块和模板块,可以减少大量的重复性工作。值得注意的是,如果用类型块编程,切勿停用该块,因为在所有程序中加入的同名类型块是同一个块而非同一类块,它是通过调用该块功能实现的,所以在某一程序中停用该块,则导致所有程序中的同名类型块停用,特别是运行时将引起全线跳停。
  
    除了简单程序的编写,DM还支持执行用事件驱动的高级语言编程。复杂控制程序也可以用Pascal 语言编程,比用基本块实现更方便。
  
    图形工具 用于编辑在GUS 上用来监控生产过程的画面。画面图形由直接画图和LOOP效果组成。LOOP效果可以由Honeywell提供的EFFECT控件完成,它几乎可以完成所有的生产操作相关的功能,例如电机控制、阀门控制、各类型数据输入输出、完善的报警显示等等。

    创建一个PIC,进入User_Interface 工具界面,File/New 一个画面后,首先将静态的表示生产流程的图形通过画图工具画出,然后在需要的地方添加相应的Effect。在添加Effect之前要确保Effect所指向的位号及相应的Pin是有效的,添加完成后要运行Effect/Check connections,检查是否有无效的连接,否则所作的画面将显示系统报警。Pic完成后保存,保存时指定画面大小,用此功能可以实现创建子页面;还需要指定页面的浏览权限,一般是Open,否则将造成最低权限无法浏览或不能操作;最后指定保存时计算填充色,该项不选有时会影响与颜色相关的某些Effect的显示。
  
    诊断工具ETDAXMON 是DM用来对系统软件和硬件进行诊断的工具,它在DOS下运行,是基于VSYS环境的维护和诊断工具。系统运行正常时,每日的系统检测如负载检测、通讯检测、系统报警检测、XPR运行情况监测等都是通过它实现的。当硬件发生故障时,如处理卡、输入\出卡的通道损坏等,也可以通过Etdaxmon命令进行检查。同时它也可以实现TPA内部文件的管理,以及执行TPA系统开停机等所必需的检查。
  
    1.3 GUS 系统及工厂应用

    我公司GUS系统分布如下:

    纸板浆板车间 :10台操作站
    制浆化学品车间 :10台操作站
    碱回收动力车间 :9台操作站
    中心调度 :4台操作站
  
    各车间把工艺划分为工段,在DM定义工艺区域时以工段为单位,并把工艺区域分配给不同用户下的不同权限,在硬件上则用不同PM 集中管理工艺区域,这样的划分首先保证了操作时,只有有操作授权的用户才可以操作本工段的工艺,保障了运行的安全性。其次,当某PM 硬件发生故障时,影响的是一个工段而非多个工段的现场设备,最大可能的减少了关联停机的影响区域。最后,按照工段的划分便于程序的管理和故障的排除。
  
    所有的GUS 均通过位于中心调度室的HUB组成局域网。其他车间的操作画面可以通过局域网通讯到本机Alcont显示,只是在配置Alcont时定义其他车间的操作权限为最低。中心调度有24小时工艺技术人员,调度全厂生产情况,有利于公司生产运行管理。

    Alcont画面显示的LOOP效果应用时具有很强的灵活性。一般来说,用户取得相应的操作权就可以进行操作,如果工艺对权限有特殊的要求,可以更改Alcont和DM 编程工具来实现。
  
    3.PHD & WPKS系统及应用

    3.1 PHD系统及应用

    PHD (Process History Database)过程历史数据库,是用来收集生产过程实时数据,并保存较长时间历史数据,可以将数据图形化的软件。我公司使用的是最新版本的Uniformance PHD R210。该系统由3台Buffer和1台Shadow组成。
  
    Buffer机是用来从DCS系统收集实时数据,并传送实时数据到Shadow机。Buffer机通过OPC Client 从TPA系统读取实时数据。3台Buffer分别安装在3个车间与3套TPA系统通讯。Buffer 机还管理通过PHDSERVER配置的RDI(实时数据接口)。
  
    Shadow 机同时也是PHD服务器。当接收实时数据后生成Archive文件,历史数据以该文件形式存储,并可以被PHD软件查询。所有PHD的系统配置、点的组态都是在Shadow上通过PHD软件完成的。系统配置信息保存在Oracle数据库内,当Buffer或其他安装了Desktop的用户访问PHD Server时,首先与Oracle数据库通信。PHD支持用户自定义测量单位,这满足了造纸企业中一些参数的单位因工艺要求不同无法转换成国际标准单位的要求。PHD数据管理按照RDI进行划分,在服务器配置好RDI时,按照RDI来接收来自不同Buffer的数据,某RDI发生故障也不会影响其他RDI的功能。在点组态的时候,PHD还支持以RDI为单位批量导入点,这种方式适合同意RDI下点的组态;还支持按照属性的近似来创建父点,创建完成后添加其他点时,只要属性相近,就可以继承父点的组态信息。Honeywell PHD灵活的点组态方式大大提高了点组态的效率。PHD同时也支持生产数据的加工,是通过Visual TAG功能实现的,显示的不仅是测量或者输出值,还可以是多数据运算后的结果,有利于综合分析生产过程。由于过程历史数据在生产上的作用重大,所以我公司也非常重视PHD的使用,在生产系统中,为分析、改善生产提供了有力保障。
  
    3.2 WPKS软件及应用

    我公司是一个国际集团的子公司,生产数据的发布是一个必须解决的问题,今年我们公司选择了Honeywell的HI-SPEC系列的WPKS产品,同时将我公司的PHD系统从150升级到210版本,可以把生产数据发布到Internet,并允许有授权的用户调看实时信息和过程数据,使信息管理工作和集团内生产调度成为可能。

    该发布是以Workcenter HMIWeb Display Builder作为基于Web显示技术的页面生成工具,Workcenter软件作为基于Web的信息发布平台,从PHD获得实时数据,以基于域策略和基于Workcenter自身定义的双重安全策略为安全保证的Internet发布。本次发布还通过润乾报表软件实现了在线报表的功能,更加方便了生产信息管理。
  
    本系统由HP 服务器作为Web 服务器,由多个终端用户作为客户端为最终用户提供Web 服务,是典型的CS结构。
  
    在服务器端,由于润乾需要SQL 数据库作为支持,首先要正确配置SQL数据库及服务。由于生产数据来源是PHD,在服务器端还需要安装Oracle客户端和PHD客户端。在正确安装WPKS的相关软件后,打开Workcenter HMIWeb Display Builder开始生成显示页面。
  
    我公司根据需要,利用导航功能将页面划分为生产监控、化验室手动输入和报表三部分。其中的生产监控作为表示生产流程和监控重要生产参数,是利用Workcenter HMIWeb Display Builder生成.htm文档,最后通过Workcenter发布的。Honeywell的Workcenter HMIWeb Display Builder软件可以生成动态效果,也可以将同一类的效果图保存为一个单位图,将来重复使用时可以插入单位图,进行工程时比较方便。在画面生成完毕后,要通过Workcenter发布,发布时首先配置好发布页面的结构。每个页面都有5个Frame组成,通过配置这5个Frame的属性和内容,最终发布一张页面。Honeywel Workcenter提供了大量自带的控件,包括趋势图生成、导航条、数据输入框等大量功能可以轻松实现。将网页发布后,还要配置Workcenter的安全。因为WPKS是基于域策略的,所在的域用户都可以自动获得一个最低的可以被重新定义的浏览权限,如果要将某个用户的权限提高,就可以通过修改用户管理和角色管理两项,指定该用户有某些特殊权限或者可以浏览特殊页面。双重安全策略可以使得系统得到安全保障的前提下有更高的灵活性。
  
    在客户端,由于这个页面是利用Workcenter发布的,其中一些控件IE并没有安装,所以要下载安装客户端后才可以正常浏览该网页。另外为了更方便更快速的浏览网页,还需要在IE/工具/Internet选项/安全里,将发布的网页地址添加到信任站点,高级选项内取消对网站证书/签名的检验。为了更好的结合WPKS的使用,我们还尝试把PHD Desktop安装到客户端中,这样可以查找的历史趋势的可追溯时间更大。
  
    WPKS结合PHD的使用,不仅使实时数据在集团内发布得以实现,还提高了生产分析和生产预测的能力,是现代化生产发展的必然要求,为将来能开展Honeywell的生产管理系统(MES)做了准备。
  
    4 全系统的总结和展望

    TPA系统是一个开放型分布式过程控制系统。它基于单一模块化硬件及软件结构,便于硬件的安装维护和软件的组态。TPA系统能在同一个操作站开放不同的窗口监视现场操作,适于组网构建包含操作层、监控层、决策层等多层生产监控体系。TPA方便的与多套系统如西门子PLC ,ABB QCS,HIMA PLC,AB PLC通讯,可以实现某领域更专业的控制解决方案。TPA系统自带的完善的诊断、组态等工具,完全满足了系统的日常维护和项目扩建而进行的组态。TPA系统可以为制浆造纸行业提供全套自动化控制解决方案。
  
    PHD系统和WPKS的使用,使得高层应用——管理信息系统(MIS)有了实现的基础。PHD既保存历史数据,用来分析生产,也为WPKS提供数据。WPKS信息发布,满足信息在跨国集团内的共享的需要,同时也是Honeywell Business FLEX产品的一部分,为将来实现MES提供了网络平台。
  
    TPA,PHD和WPKS在一期的成功应用,为100万吨浆项目提供了宝贵的经验,在近期动工的二期项目中,从自动控制系统,到2条生产线的生产监控及管理,以及计划中的MES改造,Honeywell Experion Process Knowledge System的系统平台提供了完整的解决方案。这几套系统的成功应用,也希望给其他制浆造纸行业自动化解决方案能有所帮助。