（中國(guó)電子工程設(shè)計(jì)院世源科技工程有限公司，北京 100855）李中原，張航科

（羅克韋爾自動(dòng)化（中國(guó)）公司，北京 100005）徐建陸

1 項(xiàng)目背景

本項(xiàng)目為國(guó)內(nèi)首條第6代薄膜晶體管液晶顯示器件（TFTLCD）項(xiàng)目，包括了陣列、彩膜、成盒和模塊等生產(chǎn)工序。

項(xiàng)目位于合肥新站綜合開(kāi)發(fā)試驗(yàn)區(qū)，面積約40萬(wàn)平方米，總投資近2百億人民幣，將于2010年4季度正式投產(chǎn)，玻璃基板尺寸為1500mm x1850mm，主要用于37英寸及以下液晶電視機(jī)及21.6英寸及以下電腦用液晶顯示器。

2 FMCS系統(tǒng)和集成構(gòu)架簡(jiǎn)介

FMCS——Facility Management Control System FMCS的基本功能包括：

? 接受各個(gè)子系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)資料、狀態(tài)、報(bào)警

? 趨勢(shì)圖

? 歷史資料

? 遠(yuǎn)程監(jiān)控

? 信息的管理和分享

? 異常和故障的排除

? 運(yùn)轉(zhuǎn)模式的建立

? 控制策略的修正

FMCS監(jiān)控的系統(tǒng)包括：

? 空調(diào)系統(tǒng)

? 潔凈室系統(tǒng)

? 工藝?yán)鋮s水

? 熱水系統(tǒng)

? 冷凍水系統(tǒng)

? 冷卻水系統(tǒng)

? 工藝真空系統(tǒng)

? 清掃真空系統(tǒng)

? 壓縮空氣系統(tǒng)

? 純水系統(tǒng)

? 廢水處理系統(tǒng)

? 大宗氣體系統(tǒng)

? 特氣系統(tǒng)

? 化學(xué)品供應(yīng)系統(tǒng)

? 廢氣處理系統(tǒng)等

集成架構(gòu)（Integrated Architecture）

羅克韋爾的集成架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)工業(yè)自動(dòng)化到電子制造（e-Manufacturing） 的飛躍，它具有如下特點(diǎn)：

? 一個(gè)多重控制和信息的平臺(tái)。

? 專(zhuān)為廣泛地應(yīng)用而設(shè)計(jì)，靈活性盡量滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。

? 專(zhuān)重于良好的系統(tǒng)擴(kuò)展性，易于使用和降低用戶(hù)成本。

? 基于開(kāi)放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

? 大容量，高速數(shù)據(jù)處理速率，高速數(shù)據(jù)傳輸速度。

它由四部分組成，如圖1所示。

圖1 集成架構(gòu)的組成

3 項(xiàng)目FMCS解決方案概述

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)

此TFT-LCD 6代線(xiàn)的生產(chǎn)工藝相當(dāng)先進(jìn)，廠(chǎng)房的規(guī)模大(此系統(tǒng)需要連接的直接I/O點(diǎn)有11000點(diǎn)以上，通過(guò)OPC連接的子系統(tǒng)I/O點(diǎn)有23000點(diǎn)以上)。對(duì)生產(chǎn)環(huán)境要求愈加苛刻，為滿(mǎn)足生產(chǎn)的要求，保證生產(chǎn)所需的環(huán)境，提高產(chǎn)品的良率，廠(chǎng)務(wù)系統(tǒng)所提供的各項(xiàng)公共資源，如潔凈室的溫濕度（設(shè)計(jì)要求無(wú)塵室的溫度變化在±1℃，相對(duì)濕度的變化在±4%），廢氣排放系統(tǒng)的負(fù)壓，工藝?yán)鋮s水的出口壓力等各項(xiàng)參數(shù)的穩(wěn)定度，被要求得極為嚴(yán)格，不允許任何異常事故發(fā)生（系統(tǒng)被要求全年無(wú)預(yù)警停機(jī)次數(shù)少于6次）。

因此，廠(chǎng)務(wù)設(shè)備控制管理系統(tǒng)（FMCS）必須隨時(shí)調(diào)整系統(tǒng)輸出，以達(dá)到使用者的要求，并將系統(tǒng)狀況進(jìn)行集中監(jiān)視，提升廠(chǎng)務(wù)工程師的異常事故處理能力及響應(yīng)速度。

此FMCS系統(tǒng)的要求總結(jié)為三點(diǎn)：大容量，高速率，可靠性。

3.2 系統(tǒng)概述

本項(xiàng)目的FMCS系統(tǒng)選用了羅克韋爾自動(dòng)化公司的產(chǎn)品，控制系統(tǒng)主要由ControlLogix控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)、ControlLogix Remote IO、PanelView Plus 觸摸屏、RSView SE監(jiān)控軟件、RSLogix5000編程軟件以及RSLinx通訊軟件等構(gòu)成，它既具備復(fù)雜模擬回路調(diào)節(jié)能力、友好的人機(jī)界面、綜合的操作監(jiān)視、記錄、報(bào)警、信息管理功能及方便的工程軟件，又同時(shí)具有高速的邏輯、順序控制以及性能。

本方案實(shí)施中共采用了10余套冗余的ControlLogix控制系統(tǒng)、多套R(shí)emote ControlLogix IO、冗余機(jī)架及I/O電源、冗余的控制網(wǎng)絡(luò)ControlNet、觸摸屏PanelView Plus；在FMCS 控制室內(nèi)設(shè)置了2臺(tái)冗余的HMI服務(wù)器，1臺(tái)OPC服務(wù)器、2臺(tái)工程師站、20余臺(tái)操作員站、2臺(tái)打印機(jī)。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)示意

全廠(chǎng)FMCS的架構(gòu)如圖2所示。

全廠(chǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)一個(gè)控制室。控制室內(nèi)設(shè)置全廠(chǎng)FMCS監(jiān)控服務(wù)器、OPC服務(wù)器等，對(duì)全廠(chǎng)的空調(diào)等設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)設(shè)置工程師站、操作員站及域控制器等。

本系統(tǒng)選用的RSView SE監(jiān)控軟是基于Micorsoft Windows XP/Vista和Windows2000操作系統(tǒng)的人機(jī)界面軟件。其集成的、可擴(kuò)展的架構(gòu)，使RSView SE既能適應(yīng)傳統(tǒng)的、單機(jī)HMI應(yīng)用，又能適應(yīng)大型分布式工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用。RSView SE為操作員、工程師和管理者提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)，隨時(shí)隨地將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)提供給用戶(hù)。

圖3 HMI界面示意

3.3 系統(tǒng)特點(diǎn)和創(chuàng)新性

下文將從網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、PLC控制器、冗余設(shè)置3方面對(duì)本項(xiàng)目中FMCS的解決方案的特點(diǎn)和創(chuàng)新性逐一進(jìn)行闡述。

圖4 采用集成架構(gòu)NetLink網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

3.3.1 網(wǎng)絡(luò)

在本系統(tǒng)中，采用ControlNet（控制網(wǎng)）和EtherNet/IP作為一級(jí)控制系統(tǒng)的主干網(wǎng)。完成智能化地高速地實(shí)時(shí)控制，并共享數(shù)據(jù)和信息。包括：控制和監(jiān)視設(shè)備的協(xié)調(diào)、操作員接口、遠(yuǎn)程設(shè)備的組態(tài)、編程和故障處理。完全能夠滿(mǎn)足用戶(hù)提出的性能指標(biāo)參數(shù)要求，保證了整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率和系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性。

信息層：采用EtherNet/IP，主干網(wǎng)設(shè)計(jì)為環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定可靠性和擴(kuò)展性。網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率設(shè)計(jì)為 1000M bps，具體的站點(diǎn)分布見(jiàn)圖2。

控制層：采用ControlNet，主干網(wǎng)設(shè)計(jì)為雙線(xiàn)冗余，ControlNet的千米傳輸速率為5Mbps。

此系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用集成架構(gòu)NetLink網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，各種網(wǎng)絡(luò)（ControlNet、EtherNet/IP等）采用同一協(xié)議——CIP（通用工業(yè)協(xié)議），實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成，一網(wǎng)到底。

? CIP協(xié)議的應(yīng)用，避免了在多種設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)橋和網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)換和額外的編程工作，降低開(kāi)發(fā)和維護(hù)的成本，從前期的設(shè)計(jì)到目前的開(kāi)發(fā)編程的成本來(lái)計(jì)算，比傳統(tǒng)的編程開(kāi)發(fā)的操作成本降低了13%。

? EtherNet/IP達(dá)到1000Mbps，ControlNet 5Mbps，并在CIP這同一協(xié)議下減少數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)，所以大大提高數(shù)據(jù)在信息層和控制層的傳輸速度。本系統(tǒng)需要直接連接的I/O點(diǎn)有11000點(diǎn)，通過(guò)OPC連接的I/O點(diǎn)有23000點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行狀況來(lái)看此網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)完全滿(mǎn)足其傳輸要求。

? EtherNet/IP的環(huán)形拓?fù)湓O(shè)計(jì)，ControlNet的冗余設(shè)計(jì)大大提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定可靠性，它是保證降低系統(tǒng)無(wú)預(yù)警性停機(jī)次數(shù)的一個(gè)重要組成部分。

3.3.2 PLC 控制器

整個(gè)FMCS采用同一控制平臺(tái)——Logix控制平臺(tái)。此平臺(tái)采用了統(tǒng)一的編程環(huán)境，降低了備件成本，減少了培訓(xùn)費(fèi)用，提高了維護(hù)效率，減少了維護(hù)時(shí)間。采用高可靠性的設(shè)備可以保證生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行，并提高全廠(chǎng)的自動(dòng)化程度。

選用高性能的ControlLogix處理器具有如下特點(diǎn)和功能：? CPU型號(hào)：1756-L63。

? 處理器為雙核設(shè)計(jì)，分別負(fù)責(zé)通訊和邏輯、回路的處理，保證了系統(tǒng)通訊的實(shí)時(shí)性和處理能力的高效性。

? 豐富的指令集：其中包括文件處理、順序器、診斷、移位寄存器、程序控制、運(yùn)動(dòng)控制、傳動(dòng)控制、過(guò)程控制指令。

? 強(qiáng)大的I/O處理能力：任意組合時(shí)最多可提供128000個(gè)I/O，最大4000個(gè)模擬量I/O。

? 高速程序及數(shù)據(jù)處理能力：1KBOOL指令的執(zhí)行時(shí)間僅需0.06毫秒。

根據(jù)整廠(chǎng)設(shè)備的位置和實(shí)際需要連接的I/O點(diǎn)數(shù)，整個(gè)系統(tǒng)使用了10多套ControlLogix處理器，分布在全廠(chǎng)，保證每個(gè)信號(hào)能被快速采集，同時(shí)還要保證平衡每個(gè)ControlLogix處理器的負(fù)載，使其處于最佳數(shù)據(jù)處理效率下。

控制器在FMCS實(shí)際使用中的優(yōu)越性：

（1）高速程序及數(shù)據(jù)處理能力，強(qiáng)大的I/O處理能力，符合系統(tǒng)需求，特別是大量的I/O點(diǎn)數(shù)連接，和實(shí)時(shí)性要求。

圖5 控制器通過(guò)PID運(yùn)算對(duì)比圖

圖6 PIDE自動(dòng)整定和優(yōu)化功能

圖7 冗余設(shè)置

（2）系統(tǒng)中有大約800顆溫度、濕度、壓力等儀表信號(hào)需要通過(guò)PID運(yùn)算，對(duì)系統(tǒng)中大量的閥門(mén)等設(shè)備進(jìn)行控制。L63控制器在PID運(yùn)算上是有極大的優(yōu)勢(shì)。如圖5所示，與傳統(tǒng)的PLC&DCS相比運(yùn)算效率大大提高。

（3）控制器中有模塊化的PID運(yùn)算工具，PIDE 自動(dòng)整定和優(yōu)化功能，如圖6所示。

以一組新風(fēng)空調(diào)中露點(diǎn)溫度的控制回路PID運(yùn)算為例：

? 確定回路的自整定標(biāo)簽。即是需要采樣的露點(diǎn)溫度PV和控制的冷盤(pán)管的閥門(mén)CVEU，直接插入數(shù)據(jù)即可。

? 組態(tài)自整定參數(shù)。如SP回路設(shè)定值等。

? 運(yùn)行自整定模塊并且接受或修改新的值。

此工具使PID運(yùn)算更加便捷，僅PID運(yùn)算編程部分，使編程的人力成本比傳統(tǒng)編程方式降低35%，整個(gè)編程的效率大大提高。

3.3.3 系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中所有控制系統(tǒng)均采用冗余的電源、冗余的控制網(wǎng)絡(luò)、冗余的控制器。通過(guò)硬件的冗余控制器，保證了系統(tǒng)的安全性、可靠性、易維護(hù)性。此外，上位機(jī)也采用冗余服務(wù)器，通過(guò)RSView SE實(shí)現(xiàn)冗余服務(wù)器雙機(jī)熱備，大大提高系統(tǒng)的不停擺運(yùn)行時(shí)間。保證全年無(wú)預(yù)警停機(jī)次數(shù)少于6次。

整個(gè)系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)，主要由以下3部分組成（參見(jiàn)圖7）：

? ControlLogix控制系統(tǒng)核心部件的冗余設(shè)計(jì)，其無(wú)擾動(dòng)切換時(shí)間在60ms以?xún)?nèi)。

? 控制網(wǎng)ControlNet的冗余設(shè)計(jì)。

? 上位機(jī)服務(wù)器的冗余設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際的tag點(diǎn)的容量其無(wú)擾動(dòng)切換時(shí)間在200ms以?xún)?nèi)。

（1）控制系統(tǒng)冗余特點(diǎn)

ControlLogix控制系統(tǒng)冗余的設(shè)置非常簡(jiǎn)單：

圖8 ControlLogix控制系統(tǒng)冗余的設(shè)置（第1步）

? 在RSLogix 5000軟件編程的第一步，只需簡(jiǎn)單的做一個(gè)勾選。如圖8、圖9所示。

圖9 ControlLogix控制系統(tǒng)冗余的設(shè)置（第2步）

? 除了在RSLogix 5000中可以進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)和查看冗余信息外，在Rslink中，也可以對(duì)冗余模塊進(jìn)行冗余設(shè)定（如手動(dòng)切換）和冗余信息的查看。如圖10、圖11所示。

圖10 冗余設(shè)定

ControlLogix冗余控制系統(tǒng)主要特性：

? 采用標(biāo)準(zhǔn)的Logix5563控制器和ControlNet網(wǎng)橋。

? 系統(tǒng)的冗余自動(dòng)完成，無(wú)需用戶(hù)編程。

? 完全的無(wú)擾動(dòng)切換。

? 處理器冗余工作時(shí)，主/從CPU自動(dòng)同步，主/從CPU的無(wú)擾切換時(shí)間<60ms，在1個(gè)程序掃描周期內(nèi)完成切換。

? 對(duì)任一通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接到冗余控制器機(jī)架的設(shè)備，切換是透明的。

? 應(yīng)用程序從主控制器裝入到從控制器的過(guò)程是透明的。

（2）冗余控制網(wǎng)ControlNet

控制網(wǎng)ControlNet的冗余配置，采用不同路徑的冗余網(wǎng)絡(luò)配置，ControlLogix同時(shí)偵聽(tīng)兩條網(wǎng)絡(luò)上的信息，而選擇其中信息質(zhì)量更好的網(wǎng)絡(luò)信息，極大地提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，其具有以下特點(diǎn)：

? A網(wǎng)、B網(wǎng)同時(shí)傳送實(shí)時(shí)可靠的數(shù)據(jù)。

? 當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)、無(wú)滯后的自動(dòng)切換，同時(shí)產(chǎn)生診斷信息顯示通道故障。

4 總結(jié)

羅克韋爾自動(dòng)化的集成架構(gòu)作為本項(xiàng)目的系統(tǒng)解決方案，其先進(jìn)的產(chǎn)品特性和開(kāi)放的技術(shù)使得控制系統(tǒng)的先進(jìn)、穩(wěn)定和可靠得到了充分保證。筆者希望本工程能為類(lèi)似高世代TFT-LCD廠(chǎng)房FMCS的建設(shè)提供一定的借鑒。

其他作者： 張航科，男，浙江東陽(yáng)人，工程師，本科，現(xiàn)就職于中國(guó)電子工程設(shè)計(jì)院世源科技工程有限公司，主要研究方向?yàn)門(mén)FT-LCD工廠(chǎng)設(shè)計(jì)。

徐建陸，男，江蘇大豐人，工程師，本科，現(xiàn)就職于羅克韋爾自動(dòng)化（中國(guó)）公司，主要研究方向?yàn)榘雽?dǎo)體自動(dòng)化應(yīng)用。

圖11 冗余信息查看