金伟 张弘
飞马智科信息技术股份有限公司，安徽 马鞍山 243002
摘要：介绍了马钢港务原料总厂自动化控制系统的硬件及网络配置。通过分析现有矩阵式算法的优缺点，引入基于状态机的流程控制算法有效解决了矩阵式算法难以扩容的问题。在保证了与原系统数据通讯接口的兼容性的同时提升算法的执行效率，增强了系统的延展性，统一标准的模块化编程方式可有效减少后续开发成本。
关键词：原料；控制系统；自动化；软件升级
中图分类号：TP202 文献标识码：
0 引言
港务原料总厂是现代化的大型综合原料厂，生产系统由水陆运进料、混匀加工系统、供料系统等22个子系统， 770个生产流程组成, 生产系统、流程和生产设备全部由PLC控制，PLC采用美国GE PAC 3i系列产品。目前主要任务是向马钢二铁总厂和三铁总厂的六座大型高炉、5台大型烧结机提供合格原料。
PLC控制系统最早采用美国GE S90-70系列产品，1992年设计，1993年投入运行，至今已运行20年，随着新建4#高炉及配套烧结的投运后设备的增加，其核心程序在功能及运转效率上已无法满足现有工艺生产的需求，亟需升级改造。
1升级方案
1.1 硬件系统配置概述
港务原料总厂PLC控制器选用GE Fanuc PAC Rx3i系列，是一种基于GE Fanuc最新高端控制器，采用WindRiver的VxWorks操作系统。PAC RX3i 控制器采用P3 300M主频CPU，结合216M速率背板总线，强大的运算和通讯能力保证控制器有能力应对高强度的控制要求。
监控软件选用CIMPLICITY，该监控软件是基于Microsoft Windows的人机界面软件，是GE Fanuc北美自动化公司的产品。CIMPLICITY运行在Windows的平台上，通过各种串行的、网络的通讯方式采集控制器中的数据，并利用计算机的强大图形功能动态地显示生产数据。
Cimplicity上位机监控软件采用当前最先进的技术、系统的配置和画面的组态具有方便性，而且系统的体系结构是完全灵活的和开放的，它运行在Windows NT/95/98工作平台,通过策略和画面组态在上位机上实现对工业控制系统的监测与控制,具有动态画面、事件触发、报警、趋势、 报表输出、历史数据存储等功能，能体现良好的通用性、灵活性、开放性，可靠性和性能价格比，软件已经提供中文操作模式，能够组态中文显示画面。
港务原料总厂现有控制系统由基础自动化控制级（L1）和生产管理级（L2）两级控制组成，L1和L2通过以太网互联，L2现场实时数据由L1 OPC SERVER提供，生产操作采用集中操作、集中监视方式。
L1控制级由1台主控PLC（PAC9）、8台远程PLC（PAC1、PAC2、PAC4、PAC5、PAC6、PAC7、PAC8和PAC10）及其I/O远程站、10台操作站和一套自动广播系统组成。
PLC采用GE PAC Rx3i 系列CPU通过以太网与Cimplicity HMI操作员站进行通讯。PLC之间存在Genius总线和Profinet工业以太网两种通讯方式。远程PLC通过其I/O系统控制所在区域的生产设备，受控设备共327台，总控制点数约6000余点。
1.2控制软件现状分析
主控PLC PAC9和远程PLC在功能上属主从关系，远程PLC受控于主控PLC。主控PLC软件主要用于分析、执行上位机操作指令及向远程PLC下达流程设备起停指令。远程PLC软件则用于执行主控PAC的设备起、停指令并完成受控设备的驱动控制功能；同时，收集设备状态及模拟量信息，向主控PAC、操作站及L2系统组织提供各类生产数据。
主控程序通过对设备矩阵的位操作（OR/AND/XOR/NOT/SET/CLR）来完成流程存储、流程逻辑控制、指令下达、状态发送、接受等工作。程序中的矩阵表格大体分为四种：
1.流程矩阵（流程存储）；
2.控制矩阵（指令下发）；
3.状态矩阵（设备状态接收）；
4.变换矩阵（控制逻辑执行）。
矩阵表是一个16列X 25行的数据表。每个位置代表一个设备，在程序中用25个WORD表示，即每个Bit代表一个设备。
所有涉及流程控制的状态信息和控制指令均通过此种矩阵形式打包、解包在各PAC间使用EGD通讯方式进行数据传递。此种方式的优点是：1.数据传输量小；2.逻辑程序统一；3.新加流程或设备无需再考虑新老设备间的逻辑连锁关系。
但此种方式也存在一定的局限性，一是程序复杂不够直观，调试不便且矩阵大小一定，最多416台设备，无法扩容，此外设备排列必须有先后顺序，新增流程、设备十分困难。
现有程序通过矩阵表传递信息，完成从PAC9下发控制指令，其余PAC执行逻辑程序。PAC间通讯由EGD（Ethernet Global Data）方式完成。并通过组态软件下载到PLC中，如果更改需重启PLC。
1.3升级控制软件算法
1.3.1 概述
新的逻辑控制软件采用分布式数据矩阵来存储、控制设备执行流程。每个区域中PLC均设置一个矩阵表以存储流程，区域内部流程可独立运转，对于跨区域流程则以流程的终点作为判定标准决定其存储在哪个区域的矩阵表中。采用分布式数据矩阵有效地为系统扩容，降低了系统过度集中的风险。同时，大大增强了系统的延展性，统一标准的模块化编程方式可有效减少后续开发成本。
如何合理设计、组织设备表是实现上述思路的关键点。根据现场转运站间逻辑关系设计设备表，形成树形关系图；最大的优点是便于分区域控制逻辑的实施。树中节点为转运站内或为起点的皮带设备。
同时，为保证新老系统间的兼容性，保证改造成功率；其核心原则是不改动现有EGD数据接口配置。新系统在数据传递接口部分与老系统保持一致。新系统与远程PLC的通讯数据依旧采用矩阵的方式进行打包/解包处理；对于PAC中直连HMI画面部分的变量原则上不作处理，直接接入到新系统HMI画面中（存在少量个别情况需特殊处理）。
1.3.2 基于状态机的流程控制算法
流程控制算法实质上是一种有限状态机。有限状态机，（英语：Finite-state machine, FSM），又称有限状态自动机，简称状态机，是表示有限个状态以及在这些状态之间的转移和动作等行为的数学模型。
状态存储关于过去的信息，就是说：它反映从系统开始到现在时刻的输入变化。转移指示状态变更，并且用必须满足来确使转移发生的条件来描述它。动作是在给定时刻要进行的活动的描述。有多种类型的动作：
?进入动作（entry action）：在进入状态时进行
?退出动作：在退出状态时进行
?输入动作：依赖于当前状态和输入条件进行
?转移动作：在进行特定转移时进行
一条流程从静止到运行期间可能的状态有一下几种（用流程状态字表示）：
1.0 （静止状态）
2.1 （正在启动状态）
3.2 （正在停止状态）
4.3 （正常运转状态）
5.4 （故障状态）
其输入动作有以下几个：
?Start （顺序启动）
?Stop （逆序停止）
?Estop（急停，同时停止）
1.4软件算法实现
1.4.1 流程存储结构
流程以矩阵表格的方式存储，即每一行为一条流程，最大支持32个设备。每个矩阵表格最多约可存储963个流程。
.png)
由于GE PLC对结构体（UDT）的大小限制为最大65535个字节。每条流程占用68个字节，对于每个流程矩阵表能够存储的最多流程数约为65535/68＝963.75条。
设备以设备号的形式关联在流程表中，即实际流程矩阵表的存储数据如表3所示。
.png)
对于多终点设备，如正反转皮带或小车点，应将其处理成多个设备接口来使用，并使用Conflict点加以限制。
例如正反转皮带E103R，在建立设备接口时对于正反转功能区别对待，使用E103R_F（正向） 和 E103_R（反向）区分二者；如果E103_F在参与流程运转时，应将E103_R.Conflict 置位为1，反之同理，防止流程运转时产生设备逻辑冲突。
所有设备接口信息以设备表的形式存储，可用的设备序号为1-1023，每个PLC中均存放一张设备表，但PLC间的设备序号不可重复。例如，PLC 1中定义设备表中1#设备接口为A101皮带，则其他几个PLC中1#设备接口也应定义为A101皮带或不定义（如果其他区域PLC用不到A101皮带）。
PLC间可根据需要通过全局通讯，获取其他PLC区域内的设备信息，存放在本区域PLC的设备表中使用。
受GE PLC编程环境限制，目前每个PLC可存储的设备接口数量为1023个。
1.4.3 新建及调用流程
新建一条流程填入相应流程号及设备号即可。
.png)
2 结束语
升级后的控制算法彻底解决了矩阵式算法难以扩容的大问题。其算法简单高效（核心代码仅46行）、程序直观；程序可用于分布式构架的同时也保证了与原系统数据通讯接口的兼容性。软件的基本功能已完全可以替代原有的矩阵式算法；且整个系统同时运行流程翻倍，并提供了更多可选的控制模式，如X切换等。对于其他同类型的项目也有较大的借鉴意义。
参考文献
[1] 综合原料厂生产控制系统开发综述[J]. 安徽: 安徽冶金科技职业学院学报,2009.
[2] 基于有限状态机的模型转换方法的研究[J]. 黑龙江：计算机技术与发展,2012.
作者简介
金伟(1981-)，男，汉，安徽马鞍山人，工程硕士，工程师，从事计算机控制及相关技术研究开发工作。