描述了ABB公司的IndustrialIT? DCS系統在宣鋼第二煉鐵廠球團車間生產過程中的應用，並詳細介紹了此控制體系的總體結構及軟體組態的開發。
關鍵詞：IndustrialIT PlD Control Builder F
1 系統的概述
二煉球團車間自控設備採用具有世界領先水平的全能綜合性開放控制系統IndustrialIT控制系統，以實現對3#豎爐及整個公用系統（包括煤氣加壓、乾燥、配料和潤磨）工藝生產的計量與監控。
IndustrialIT 控制系統具有靈活的通訊協議配置，其支持多種協議標準。我組工程技術人員選用了TCP/IP、Modbus、Profibus DP/PA、OPC、DDE等幾種協議,使系統方便地與其它PLC或現場匯流排儀錶互連,實現系統間兼容與良好的過度。
2 系統的硬體設計
2.1 硬體的設計布局
為保證球團生產系統的安全、連續、穩定生產，全系統控制站處理器和電源均採用冗餘配置。每對控制器所帶I/O點數控制在800點左右，實現功能分散、危險分散。過程式控制制站之間及其與操作員站之間的通訊匯流排為粗纜或光纖配置，通訊速率可達10Mbit，使得通訊網路更加迅捷、安全。爐本體系統設置2台操作員站，其中1台操作員站兼工程師站,在不組態時可作為操作員站使用。操作員站冗餘使用，任何一台出現故障時，其功能都可以在其它操作站上實現；公用系統配置1台操作員站,可以將煤氣加壓、精粉乾燥、配料、潤磨、造球等處重要設備運行情況和生產工藝參數接入過程站，並在操作站上對所有這些信號可實現顯示、控制、存儲、列印等功能。
2.2工程師站
球團系統設一台工程師站，工程師站安裝 Control Builder F 6.2版本中文軟體，運行在 Windows 2000 系統上，工程師站在不組態時可作為操作員站使用。工程師站使用乙太網與過程站及其它設備進行通信，可以實現硬體編輯、過程站編程、操作員站組態一體化編程及調試。
Control Builder F 軟體支持現場匯流排設備的數據讀取與編程功能。編程語言與圖形化編程語言標準 IEC 1131-3完全兼容,我們工程技術人員根據實際控制要求可任意選用 FBD、LD、IL、SFC 等方式。系統具備大量標準功能塊及功能子程序，如調節塊具備標準、比率、步進、2位、3位、變參數等功能塊供用戶根據實際情況選用，功能塊編程採用參數表形式，語言面向儀錶、工程師。同時該系統也提供用戶自定義介面根據用戶要求開發專用功能塊。Control Builder F 軟體編程結構採用項目樹結構，系統任務採用多進程方式，根據不同控制對象組態 任務執行周期及優先順序。系統採用全局資料庫，系統內的變數實現共享，該全局資料庫完全下裝到過程級，不採用伺服器/客戶方案，避免伺服器故障造成數據交換任務癱瘓，全局資料庫中任何變數更新僅輸入一次即可，變數的檢查也是全系統範圍內進行；Control Builder F 軟體可以離線編程，在線修改參數，被修改的參數具備自動備份功能可以恢復；該軟體還可以在線調試，可以單步運行、跟蹤、模擬調試。
2. 3操作員站
操作員站硬體選用適用工業現場DELL工控機。球團系統共設置3台操作員站,操作員站安裝 IndustrialIT DigiVis 6.2軟體，操作語言中文,軟體運行環境為 Windows 2000操作系統。操作員站使用乙太網與過程站及其它設備進行通信，由於系統資料庫為全局，所以操作員站之間數據及畫面完全可以共享。
IndustrialIT DigiVis軟體顯示功能支持標準預定義顯示:如總貌顯示、迴路面板顯示(面板也可以根據用戶要求實現自定義)、控制組顯示、趨勢顯示、報警顯示、操作記錄列表(實現各種操作的實時記錄和實時列印)顯示等，用戶自定義流程圖顯示即支持傳統DCS流程圖，又支持三維立體圖形畫面，軟體具有強大的三維圖形庫可以調用，該庫可以由用戶自行擴充，同時畫面支持點陣圖功能，使作圖更加簡單，畫面更加直觀。位號動態顯示不僅支持傳統數字錶示，而且支持各種動畫表示，同時還可彈出對應面板操作。圖形數量無軟體限制，畫面更新時間為1秒，可以由編程軟體定義；此系統還可實時診測顯示：系統總體、系統過程站和系統模件三大部分，診斷狀態信息在診測畫面上以圖形方式顯示及文字詳細提示；DigiVis軟體趨勢顯示功能支持趨勢組態，趨勢點數量無軟體限制，畫面可以進行靈活操作，同時支持FTP協議數據遠傳功能；DigiVis還可以實時操作記錄及列印。
2.4過程站與現場遠程I/O站
過程式控制制站採用IndustrialIT AC800F 現場匯流排控制器與現場遠程S800 I/O站。AC800F控制器功能強大，配有運算速度高達150MIPS的32位超標量RISC型處理器(精簡指令系統CPU)Intel80960HT25/75，並配大容量內存(4M的FlashEPROM和4M的RAM)及實時多任務嵌入式操作系統pSOS+.充分滿足工業過程式控制制對實時性和可靠性的嚴格要求.控制器的處理速度極快，其控制周期可根據控制需要設置,最快可設為5ms。I/O模件掃描周期也可組態,對模擬量T≥10ms,對開關量T≥2ms。控制器的處理能力和效率很高，每秒可處理1400多個 PID迴路，滿足工廠不同被控對象的控制要求。現場匯流排控制器配置的冗餘Profibus DP 模件實現與遠程I/O之間的通訊。過程站採用粗纜或環形光纖乙太網與操作員站及其它設備進行通信。系統資料庫為全局,所有變數及標籤均可以系統範圍共享。模件具備實時檢測及遠程診測功能。
S800 I/O 站通過ProfiBus DP匯流排與現場控制器通信.S800 I/O 站具有監控,平滑轉換及故障報告功能。
球團公用部分和3#豎爐涉及I/O點配置：
①模擬量輸入信號：爐體與公用部分各種溫度信號、壓力信號、流量信號、配料秤和生熟球秤物料等，採集到些信號經過程站處理后在操作站上顯示，可對當前生產過程進行具體監控；
②模擬量輸出信號：對爐體與公用部分煤氣流量、空氣流量的控制，實現對點火溫度的控制，對配料秤實現自動PID控制，提升配料的精度，減輕配料工勞動強度；
③開關量輸入信號：爐體與公用部分電器設備的啟停信號，採集到這些信號在操作站流程圖上顯示各電器設備的運行情況；
④開關量輸出信號：爐體與公用部分電器設備的控制信號，可在操作站上對相應電器設備進行集中控制。
3 軟體的編譯
我組工程技術人員針對球團生產過程編譯的應用程序Control Builder F 軟體
是Industrial IT系統的工程工具，它是集組態(包括硬體配置、控制策略、HIS即人機介面等組態)、工程調試和診斷功能為一體的工具軟體包。Control Build F採用統一的系統全局資料庫和交叉參考工具，不僅能方便地完成控制組態，而且是一個高性能的過程調試工具。Industrial IT系統過程式控制制站PS和現場控制器AC800F所需的各種控制演算法和策略都是由 Control Build F來組態的，並採用圖形化的組態方法(符合IEC1131- 3標準)。Control Build F也用於對操作站人機介面(HIS)功能的組態並還可直接對現場匯流排設備進行組態。控制演算法和策略組態可選用以下 IEC1131- 3標準組態方法中的一種或幾種：FBD （功能方塊圖）、LD （梯形圖）、SFC （順序功能圖）、IL （指令表）和ST（結構化文本）。
Control Build F安裝在Industrial IT系統工程師站上,完成後的組態結果由工程師站通過系統網路下載至相應的PS、FC及操作站OS中。系統提供一個含有模擬量處理、數字量處理、迴路調節、邏輯順序控制、邏輯運算、監視功能、採集功能、算術運算、TCP/IP協議通迅介面、Modbus協議通迅介面和IEC870-5協議通迅介面(Telecontrol)11大類、190多種功能模塊(標準演算法程序)的功能塊庫。用戶還可自定義功能塊。ControlBuild F提供200多個標準圖形符號(靜態和動態)及大量美觀實用的立體圖例可供HIS組態選用。
Control Build F在執行組態編譯時能自動查找定位錯誤源，交叉參考功能可幫助工程師迅速查找對應的變數位號、功能塊及操作畫面。Control Build F可引入或導出ASCII程序、顯示畫面、變數位號和部分項目樹。Control Build F還可輸出包括全部組態結果的圖形化工程文檔。
為了加強對精粉、硼潤土、煤氣能源、成品的計量和監控，提高自動控制水平，在生產過程中工程技術人員設置了13路PID控制迴路，其中配料給料圓盤轉速控制迴路9個，3#豎爐東西煤氣與助燃風流量迴路控制4個。在實踐中我們對PID調節器演算法修正進行了模型辨識。由於控制的准連續性,對數字PID控制器參數的整定,可立足於連續系統PID調節器的設計,即連續系統整定PID調節參數的許多經驗和規律都可以用到這裡來。在實踐中,我們立足於對象的模型是變頻器和執行器,因而首先採用實驗經驗法。實驗經驗法給出了參數的大致範圍,為整定調節器參數提供了有價值的參考,在此基礎上再加湊試,便能較快地確定調節器參數。在整定過程中應該注意到,同一調節質量是可以由不同的參數組合實現的。因此,即使完全湊試,由於參數數目少,整定過程也很簡單。
但是在配料和豎爐風溫迴路PID控制過程中,控制變數因受到執行元件機械和物理性能的約束而限制在有限範圍內,即其變化率也有一定的限制範圍。由計算機給出的控制量U在上述範圍內,那麼控制可以按預期的結果進行。總而言之超出最大閥門開度或進入執行元件的飽和區,那麼實際執行的限制量就不再是計算值,由此將引起不期望的效應,這類效應通常稱為飽和效應。這類現象在給定值發生突變時特別容易發生,我們分析這類效應在PID演算法中帶來的影響及克服的辦法：
1.用有效偏差的PID位置演算法。在PID位置演算法中,除了對控制量u的限制外,對控制量變化率在的限制也會引起飽和,它可以採用類似的修正方法予以消除;
2. PlD增量演算法的飽和作用及其抑制。在PID增量演算法中,由於執行元件本身是機械或物理的積分儲存單元,在演算法中不出現累加和式,所以不會發生位置演算法那樣的累積效應,這樣就直接避免了導致大幅度超調的積分累積效應。這是增量演算法相對於位置演算法的一個優點。但是,在增量演算法中.卻有可能出現比例及微分飽和現象。
我們工程技術人員對影響飽和現象的糾正在增量演算法中.特別在給定值發生躍變時,由演算法的比例部分和微分部分計算出的二控制增量可能比較大(一般情況下積分部分的值相對比較小)如果該值超過了執行元件所允許的最大限度,那麼實際上實現的控制增量將是受到限制的值,計算值的多餘信息沒有執行就遺失了,這部分遺失的信息只能通過積分部分來補償。因此,與沒有限制時相比較,系統的動態過程將變壞。顯然,比例和微分飽和對系統的影響其表現形式與積分飽和是不同的,不是超調,而是減慢動態過程。很清楚,如果計算出來的A階越界,那麼,多餘的未執行的控制增量將存儲在累加器中。一旦控制量脫離了飽和區,累加器中的量將全部或部分地加到計算出的控制增量上,以補充由於限制而未能執行的控制。使用"積累補償法
雖然可以抑制比例和微分飽和,但由於引入的累加器具有積分作用,使得增量演算法中也可能出現積分飽和現象。為了抑制它,在每次計算積分項時,應判斷其符號是否將繼續增大累加器的積累。如果增大,則將積分項略去,這樣,可以使累加器的數值積累不致過大,從而避兔了積分飽和現象。
4 結束語
目前，球團3#豎爐與公用系統部分運行正常，作為此項目的自動控制軟硬體基礎IndustrialIT系統，在現場的數據通信、採集、處理聯調中表現出了十分理想的性能和可靠的維護性，符合設計之初的要求，做到了節約能源，降低成本，提高自動控制水平，充分提高經濟效益之目的，保證了工藝生產過程穩定，為提高球團礦產量和質量奠定了良好的基礎。
