上海寶鋼（集團）公司2050熱軋廠，現(xiàn)有四座步進式加熱爐，年板坯加熱能力達500萬噸，包括作為加熱爐燃料供應的煤氣加壓站、以及重油、蒸汽站等輔助設施在內，原先全部使用美國ABB-TAYLOR公司的MOD30儀表，組成了加熱爐和煤氣站兩套過程控制系統(tǒng)。在MOD30基礎上構成的MOD3206III級系統(tǒng)，作為早期的DCS產(chǎn)品，故障率高，反應緩慢，人機界面僵硬，尤其是與執(zhí)行優(yōu)化燒鋼模型計算的上位計算機SICOMP M70的通訊經(jīng)常死機，造成優(yōu)化的燒鋼模型實際上無法投入使用，影響了燒鋼的控制水平，難以保證最小能耗下的最佳燒鋼效果。 因而，作為過程生產(chǎn)方和維護方來說，性能優(yōu)異的過程監(jiān)控系統(tǒng)是實現(xiàn)優(yōu)化過程控制的重要條件。寶鋼要求其監(jiān)控操作系統(tǒng)必須具有下面一些基本特點： 1） 可靠性。即系統(tǒng)應是完全安全可靠的，這就要求監(jiān)控系統(tǒng)必須性能穩(wěn)定，并保持在最快速度下實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)的準確上傳和下達，能夠實現(xiàn)功能的分散和冗余以確?！安糠植挥绊懻w”，能夠實現(xiàn)對運行和維護人員及其他進入系統(tǒng)人員的有效控制。 2） 靈活性。監(jiān)控系統(tǒng)應始終保證人機界面的友好性，最大限度地滿足各種監(jiān)控要求，不僅便于系統(tǒng)狀態(tài)和過程對象的監(jiān)控，而且要便于維護人員在系統(tǒng)運行過程中，不斷修改、完善和提高系統(tǒng)運用水平，提供最佳和最適于監(jiān)控操作的界面。此外，系統(tǒng)應在硬件和軟件等方面具有模塊化和面向過程對象的結構，確保具有良好的擴展性。 3） 開放性。監(jiān)控系統(tǒng)應能對于所有符合開放標準的產(chǎn)品和系統(tǒng)，納入與其直接數(shù)據(jù)通訊的范疇，從而保證在統(tǒng)一的管理和維護下充分利用系統(tǒng)資源，方便地與各種DCS和PLC控制器件實現(xiàn)通訊，并能與其他信息管理系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。 4） 可維護性。新型的監(jiān)控系統(tǒng)在軟、硬件方面的模塊化結構和強大的自診斷功能，方便了對系統(tǒng)故障的分析和診斷，并能夠實現(xiàn)在線的監(jiān)控數(shù)據(jù)庫、應用程序修改和監(jiān)控任務的動態(tài)調度和分配，便于系統(tǒng)的調試和維護。更重要的是，新系統(tǒng)應能擺脫傳統(tǒng)DCS專用操作站、工程師的束縛，使用性能不斷提高、價格不斷下降的PC機和高速的局域網(wǎng)絡實現(xiàn)過程數(shù)據(jù)的采集和共享，從而大大降低監(jiān)控系統(tǒng)的投資和維護成本。 從一九九四年開始，寶鋼針對過程和用戶對過程控制和監(jiān)控操作的實際需要，對原有的MOD30系統(tǒng)分別進行了改造，到一九九七年為止，我們以分步實施的方式全部完成了這兩套系統(tǒng)的改造，形成了具有世界先進水平和適應未來DCS發(fā)展趨勢的新型全冗余分散型控制系統(tǒng)。這套新系統(tǒng)采用了基于MODCELL過程控制級和CITECT監(jiān)控級以及高速串行數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)的CMS系統(tǒng)。 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結構 CITECT監(jiān)控系統(tǒng)采取客戶/服務器（Client-Server）的結構方式，使用輸入/輸出服務器（I/O Server）專管與各過程控制站的數(shù)據(jù)通訊功能，而監(jiān)控操作站和服務器之間則使用局域網(wǎng)相連。由于系統(tǒng)以擴展性架構作為其關鍵性的結構原則，所以具有近乎任意的擴展能力。 在寶鋼熱軋的系統(tǒng)應用中（系統(tǒng)結構圖如圖1所示），加熱爐和煤氣站的兩套系統(tǒng)各使用兩臺COMPAQ服務器，作為各自系統(tǒng)互為冗余的主、副I/O Server，服務器使用16口高速串行數(shù)據(jù)通訊板（Digiboard）PC 16i / PC 4e，與MODCELL控制站以MODBUS協(xié)議（RS485方式）進行數(shù)據(jù)通訊，從而保證服務器與MODCELL過程控制級之間的所有過程數(shù)據(jù)信息交換在ms內完成。過程控制級包括控制主站和子站，每一套子站對應于與監(jiān)控級通訊的一個數(shù)字通道。加熱爐過程控制級包括一、二、三、四號爐和公用部分（蒸汽、重油系統(tǒng)）共5套MODCELL控制主站，下屬30個控制子站，煤氣站過程控制級為1個控制主站，包括4個控制子站。 加熱爐系統(tǒng)使用四臺、煤氣站使用兩臺PC機承擔操作站功能，系統(tǒng)內的六臺（或四臺）計算機使用10Mbps細纜以太網(wǎng)相連，兩系統(tǒng)之間通過一條1公里長的光纜互連，實現(xiàn)了兩個區(qū)域系統(tǒng)的一體化和過程數(shù)據(jù)的共享。I/O Server使用COMPAQ Proliant 1500R和Proliant 2500R服務器，Pentium 120/Pentium Pro166，內存128M，SCSI 2.1G硬盤。操作站主要使用COMPAQ Deskpro2000, 內存64M，采用21”大屏幕顯示器用于監(jiān)控操作。 整個監(jiān)控系統(tǒng)中，服務器安裝中文Windows NT Server操作系統(tǒng)，操作站安裝中文Windows NT Workstation操作系統(tǒng)，作為CITECT運行平臺，并采用Windows NT進行網(wǎng)絡的管理和用戶登錄控制。作為基于Windows NT核心開發(fā)的應用程序，CITECT技術充分利用了這一網(wǎng)絡操作系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)的I/O Server實際擔當了NT網(wǎng)絡管理和CITECT應用程序的雙重服務器功能。系統(tǒng)的安全策略利用了NT操作系統(tǒng)和CITECT應用程序提供的雙重安全功能，Windows NT在操作系統(tǒng)的層面上管理操作員用戶或網(wǎng)絡及系統(tǒng)管理人員的登錄，而CITECT通過設置以安全級別為基礎的各種用戶，在應用程序層面對操作員的操作權限進行控制，保證正常操作，禁止越權操作。 [B]CITECT監(jiān)控系統(tǒng)的功能應用 優(yōu)化的系統(tǒng)冗余性能[/B] CITECT系統(tǒng)將實際運行的監(jiān)控任務模塊化的分為5個主要部分：即輸入/輸出，圖形的顯示和控制，報警，報表和趨勢。在寶鋼熱軋的應用中，兩套系統(tǒng)涉及的輸入/輸出總量達到七千點左右，過程趨勢記錄共一千條左右。 在加熱爐和煤氣站的兩套系統(tǒng)內，兩套系統(tǒng)內部所有監(jiān)控站（包括服務器和操作站）的運行程序全部保持一致（專用通訊機還附加了通訊程序），因而多重化的操作站在圖形的顯示和控制方面自然形成了冗余化，任何一臺操作站都可以實現(xiàn)相同的操作。為了最大限度減少網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通訊量，降低系統(tǒng)負荷，提高系統(tǒng)運行效率和動態(tài)響應特性，系統(tǒng)實行了按需分配的原則，除了報警信息以外，操作站只請求當前系統(tǒng)運行前臺（畫面顯示和控制）和后臺（背景程序）的I/O數(shù)據(jù)，并對I/O數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡通訊采用打包技術，因而整個監(jiān)控系統(tǒng)的運行效率很高，I/O Server的CPU負荷小于30%，動態(tài)響應特性也很好，直接表現(xiàn)在畫面進行任意切換時，從開始切換畫面到所有最新數(shù)據(jù)顯示的時間間隔小于2秒，（同一畫面上的動態(tài)數(shù)據(jù)刷新則更快）。 而只需通過對系統(tǒng)配置程序或配置文件的簡單修改，監(jiān)控系統(tǒng)就可在不修改CITECT運行數(shù)據(jù)庫的基礎上，在線實現(xiàn)輸入/輸出、報警、報表和趨勢等各種任務的冗余。 CITECT監(jiān)控系統(tǒng)的輸入/輸出冗余采取了下面的靈活方式： 1） 服務器冗余。正常時，主I/O Server處理與所有MODCELL控制子站的數(shù)據(jù)通訊，副I/O Server在一定的時間間隔內（此參數(shù)可通過配置文件修改），測試一下它與MODCELL通訊鏈路是否正常，若不正常則立即觸發(fā)硬件報警信息，通知操作維護人員及時處理。在另一時間間隔內（此參數(shù)也可通過配置文件修改），測試主I/O Server的運行狀態(tài)，如果運行不正常，則立即自動接替主I/O Server的所有輸入/輸出服務功能。一旦原主服務器恢復正常，則CITECT監(jiān)控系統(tǒng)的I/O控制權，則自動回復到原來的主I/O Server。因此，在正常情況下，副I/O Server不存取MODCELL參數(shù)，大大減少了MODBUS通訊網(wǎng)絡上的通訊負荷。對于那些由服務器保存的磁盤變量，則通過系統(tǒng)專門的鏡像程序，及時將發(fā)生變化的參數(shù)和變量全部復制到副I/O Server，從而保證過程數(shù)據(jù)的完整性和一致性。 2） 通訊鏈路冗余。主、副I/O Server通過各自完全獨立的通訊鏈與MODCELL控制子站相連。當連接主I/O Server的MODBUS通訊鏈路發(fā)生故障時，副I/O Server就會立即啟動通訊功能，接管與位于故障通訊鏈上的控制子站進行的數(shù)據(jù)通訊，直到主通訊鏈恢復為止。 3） MODCELL控制單元的冗余。當連接在主I/O Server的控制子站上的單個MODCELL控制單元通訊發(fā)生故障時，則這塊MODCELL控制單元與CITECT的通訊將由副I/O Server來承擔，實現(xiàn)局部通訊量的切換。 整個監(jiān)控系統(tǒng)就是使用上述這樣的方式，實現(xiàn)了從服務器、鏈路到控制單元三個層次上的輸入/輸出通訊的冗余化，當前掌握I/O控制權的服務器負責處理與過程控制單元間的所有數(shù)據(jù)通訊，因而從監(jiān)控系統(tǒng)角度最大限度保證了CITECT與MODCELL之間通訊聯(lián)系的可靠性，（對于過程控制級而言，通過同時與I/O Server相連的兩個控制器之間的冗余機制，實現(xiàn)主副控制單元冗余，這種冗余對監(jiān)控系統(tǒng)是透明的）。 為了分散系統(tǒng)的工作負荷，保證系統(tǒng)的運行效率，在熱軋監(jiān)控系統(tǒng)設計中，我們采取了I/O與其它監(jiān)控服務分開的原則，即主I/O Server作為冗余的報警、報表及趨勢服務器，而由副I/O Server作為主的報警、報表和趨勢服務器。在正常情況下，所有CITECT操作站都只向副I/O Server請求有關報警、報表和趨勢等信息，由監(jiān)控系統(tǒng)內部自動實現(xiàn)主副服務器的信息鏡像，保持數(shù)據(jù)的一致性。當副I/O Server發(fā)生故障時，則所有操作站對上述監(jiān)控信息的請求轉向冗余的主I/O Server。與I/O通訊冗余不同的是，即使副I/O Server經(jīng)故障處理恢復了正常運行，除非操作站經(jīng)過重啟動或主I/O Server發(fā)生故障停機，否則監(jiān)控信息將仍保持由主I/O Server處理，這樣做是為了減少由于系統(tǒng)不斷檢查原先的主控信息服務器是否恢復正常，而導致的過度檢查負荷。 靈活豐富的監(jiān)控功能 CITECT監(jiān)控系統(tǒng)向用戶提供了極大的應用靈活性和系統(tǒng)開放性。在寶鋼熱軋的加熱爐和煤氣站系統(tǒng)中，根據(jù)系統(tǒng)的特點和生產(chǎn)工藝的要求，我們在系統(tǒng)設計中開發(fā)了大量新穎、實用的監(jiān)控功能，產(chǎn)生了系統(tǒng)改造最明顯、最直觀的效果，也在提高效率、確保安全、降低維護成本等方面產(chǎn)生了突出的效益。新的加熱爐和煤氣站監(jiān)控系統(tǒng)，一改過去以落后的面板顯示和機械按鈕操作，跳過傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)的簡單模擬畫面，實現(xiàn)了網(wǎng)絡化操作、三維動態(tài)畫面顯示、全鼠標操作、多媒體化、完整的監(jiān)控操作記錄等多種監(jiān)控服務功能。 開放的通訊功能 作為系統(tǒng)改造的一個基本動因，是建立與執(zhí)行燒鋼優(yōu)化數(shù)學模型計算的上位計算機的穩(wěn)定良好通訊。在熱軋加熱爐的整個監(jiān)控系統(tǒng)中，設置了一臺專職的通訊前置機，在其具備所有通常的基礎上，在后臺運行另一個通訊程序，實現(xiàn)所有爐況信息向上位計算機的發(fā)送和接收上位機設定的優(yōu)化燒鋼設定值。該通訊機同時使用兩種方式進行通訊，即通過上位計算機的TCP/IP網(wǎng)關進行的以太網(wǎng)上的數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)與ALPHA燒鋼控制計算機通訊，以及通過RS232串口轉20mA電流環(huán)，與SICOMP M70（為上位計算機的備用機）進行串行通訊。 軟件化檢修掛牌 在寶鋼熱軋的CITECT監(jiān)控系統(tǒng)中，由于使用了全鼠標操作，所有數(shù)據(jù)和狀態(tài)只在畫面上顯示，使原來在機械式按鈕和按鍵上進行的檢修掛牌無法實現(xiàn)，造成了安全隱患。因而系統(tǒng)設計了軟件化檢修掛牌功能，設備只有在指定生產(chǎn)人員的正確密碼輸入后才能進行生產(chǎn)檢修掛牌和摘牌，系統(tǒng)不僅能夠及時顯示當前的設備檢修狀態(tài)，還禁止了設備在掛牌檢修狀態(tài)下的啟動操作，徹底保證了監(jiān)控操作的安全性。所有的掛摘牌操作也作為操作記錄內容的一部分被記錄下來，因而在這一監(jiān)控系統(tǒng)中，設備的檢修過程這一管理信息也進入了過程控制系統(tǒng)。 烘爐升溫曲線的自動跟蹤 加熱爐在每次停爐檢修的前后，其降溫或升溫過程都有非常嚴格的要求，以保證爐內耐材的使用壽命。在新的監(jiān)控系統(tǒng)中，操作人員只需在升溫或降溫開始時，將各時段的目標溫度和時間軸位置輸入相應表格（也可選擇預置的數(shù)據(jù)表格），系統(tǒng)就可在趨勢畫面中實時地將目標值、實際測量值比較顯示，指導操作人員或自動進行溫升控制。這一功能的實現(xiàn)使整個爐體升、降溫過程的溫度偏差，遠低于50℃的目標要求，減少了升溫過程溫度偏差對爐齡壽命的影響。 集中監(jiān)視和多媒體報警 集中監(jiān)視是監(jiān)控系統(tǒng)的基本要求，在熱軋加熱爐的應用中，我們充分利用集中監(jiān)視的優(yōu)越性。在加熱爐中，爐內循環(huán)冷卻水的運行情況，直接關系到爐內梁、柱冷卻情況，對加熱爐系統(tǒng)的正常生產(chǎn)有著至關重要的作用。因此，我們將每座爐子爐體內61點循環(huán)冷卻水水溫及流量開關，設置了專用的集中監(jiān)視畫面，并且畫面中溫度顯示和實際的測溫點位置對應起來，并設置了多媒體化的預警和報警功能，當溫度過高時，系統(tǒng)不僅發(fā)出報警聲，而且能夠自動切換到發(fā)生報警的冷卻水溫度集中監(jiān)視畫面，等待操作者確認處理。此外，對于其他一些不需切換畫面，但需要提醒操作人員特別注意的報警信息，我們還設置了不同的語音報警和提示信息。 故障處理軟件指南 就象任何一個成功的應用軟件系統(tǒng)，都必須具備良好完備的操作幫助和指南一樣，作為過程控制系統(tǒng)重要組成部分的監(jiān)控系統(tǒng)，一個準確、有效的操作幫助和提示，也將對系統(tǒng)的良好運行產(chǎn)生有益的作用。在熱軋加熱爐和煤氣站的監(jiān)控系統(tǒng)設計中，我們編制了部分故障處理的在線幫助功能，雖然數(shù)量還需要在今后的應用中不斷增加，但也起到了明顯的效果。當加熱爐或煤氣站發(fā)生停爐或煤氣切斷等重大故障或嚴重報警時，系統(tǒng)將自動產(chǎn)生聲光報警，并自動切換到專用報警狀態(tài)指示畫面，操作者除了可以看到對應的報警狀態(tài)外，還可以看到相應的故障處理指南和重要數(shù)據(jù)指示，這就為迅速排除故障提供了有力的幫助。 系統(tǒng)應用效果 上面介紹的這些豐富的監(jiān)控功能，只是整個系統(tǒng)強勁功能的一小部分，而且這些功能的實現(xiàn)在CITECT系統(tǒng)中非常的簡便，但是在傳統(tǒng)的DCS中，也許會累得設計人員滿頭大汗呢！這些功能以及其他監(jiān)控功能的實現(xiàn)，為寶鋼熱軋生產(chǎn)帶來了巨大的直接和間接經(jīng)濟效益。解決通訊瓶頸，實現(xiàn)自動化燒鋼功能，光是這一項就可為寶鋼生產(chǎn)年降低燃料費用890萬元以上；實現(xiàn)冗余技術，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，提高了加熱爐和煤氣站的作業(yè)率；節(jié)約了備件維護費用。新系統(tǒng)突出的監(jiān)控性能，為整個加熱爐爐區(qū)控制降低能耗、提高加熱目標溫度命中率，產(chǎn)生了明顯的作用，原來系統(tǒng)難以可靠控制的加熱爐目標溫度命中率，在新系統(tǒng)中已穩(wěn)定地實現(xiàn)了99%以上。