上海寶鋼（集團）公司2050熱軋廠，現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。在MOD30基礎上構成的MOD3206III級系統，作為早期的DCS產品，故障率高，反應緩慢，人機界面僵硬，尤其是與執行優化燒鋼模型計算的上位計算機SICOMP M70的通訊經常死機，造成優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，作為過程生產方和維護方來說，性能優異的過程監控系統是實現優化過程控制的重要條件。寶鋼要求其監控操作系統必須具有下面一些基本特點： 1） 可靠性。即系統應是完全安全可靠的，這就要求監控系統必須性能穩定，并保持在最快速度下實現監控數據的準確上傳和下達，能夠實現功能的分散和冗余以確保“部分不影響整體”，能夠實現對運行和維護人員及其他進入系統人員的有效控制。 2） 靈活性。監控系統應始終保證人機界面的友好性，最大限度地滿足各種監控要求，不僅便于系統狀態和過程對象的監控，而且要便于維護人員在系統運行過程中，不斷修改、完善和提高系統運用水平，提供最佳和最適于監控操作的界面。此外，系統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。監控系統應能對于所有符合開放標準的產品和系統，納入與其直接數據通訊的范疇，從而保證在統一的管理和維護下充分利用系統資源，方便地與各種DCS和PLC控制器件實現通訊，并能與其他信息管理系統交換數據。 4） 可維護性。新型的監控系統在軟、硬件方面的模塊化結構和強大的自診斷功能，方便了對系統故障的分析和診斷，并能夠實現在線的監控數據庫、應用程序修改和監控任務的動態調度和分配，便于系統的調試和維護。更重要的是，新系統應能擺脫傳統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機和高速的局域網絡實現過程數據的采集和共享，從而大大降低監控系統的投資和維護成本。 　　從一九九四年開始，寶鋼針對過程和用戶對過程控制和監控操作的實際需要，對原有的MOD30系統分別進行了改造，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的改造，形成了具有世界先進水平和適應未來DCS發展趨勢的新型全冗余分散型控制系統。這套新系統采用了基于MODCELL過程控制級和CITECT監控級以及高速串行數據通訊網的CMS系統。 ■監控系統的硬件結構 　　CITECT監控系統采取客戶/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據通訊功能，而監控操作站和服務器之間則使用局域網相連。由于系統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。 　　

　　在寶鋼熱軋的系統應用中（系統結構圖如圖1所示），加熱爐和煤氣站的兩套系統各使用兩臺COMPAQ服務器，作為各自系統互為冗余的主、副I/O Server，服務器使用16口高速串行數據通訊板（Digiboard）PC 16i / PC 4e，與MODCELL控制站以MODBUS協議（RS485方式）進行數據通訊，從而保證服務器與MODCELL過程控制級之間的所有過程數據信息交換在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控級通訊的一個數字通道。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）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。 　　加熱爐系統使用四臺、煤氣站使用兩臺PC機承擔操作站功能，系統內的六臺（或四臺）計算機使用10Mbps細纜以太網相連，兩系統之間通過一條1公里長的光纜互連，實現了兩個區域系統的一體化和過程數據的共享。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控操作。 　　整個監控系統中，服務器安裝中文Windows NT Server操作系統，操作站安裝中文Windows NT Workstation操作系統，作為CITECT運行平臺，并采用Windows NT進行網絡的管理和用戶登錄控制。作為基于Windows NT核心開發的應用程序，CITECT技術充分利用了這一網絡操作系統的可靠性和穩定性，系統的I/O Server實際擔當了NT網絡管理和CITECT應用程序的雙重服務器功能。系統的安全策略利用了NT操作系統和CITECT應用程序提供的雙重安全功能，Windows NT在操作系統的層面上管理操作員用戶或網絡及系統管理人員的登錄，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。 ■CITECT監控系統的功能應用 　　▲優化的系統冗余性能 　　CITECT系統將實際運行的監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內，兩套系統內部所有監控站（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相同的操作。為了最大限度減少網絡數據通訊量，降低系統負荷，提高系統運行效率和動態響應特性，系統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運行前臺（畫面顯示和控制）和后臺（背景程序）的I/O數據，并對I/O數據的網絡通訊采用打包技術，因而整個監控系統的運行效率很高，I/O Server的CPU負荷小于30%，動態響應特性也很好，直接表現在畫面進行任意切換時，從開始切換畫面到所有最新數據顯示的時間間隔小于2秒，（同一畫面上的動態數據刷新則更快）。 而只需通過對系統配置程序或配置文件的簡單修改，監控系統就可在不修改CITECT運行數據庫的基礎上，在線實現輸入/輸出、報警、報表和趨勢等各種任務的冗余。 CITECT監控系統的輸入/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控制子站的數據通訊，副I/O Server在一定的時間間隔內（此參數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（此參數也可通過配置文件修改），測試主I/O Server的運行狀態，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監控系統的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，大大減少了MODBUS通訊網絡上的通訊負荷。對于那些由服務器保存的磁盤變量，則通過系統專門的鏡像程序，及時將發生變化的參數和變量全部復制到副I/O Server，從而保證過程數據的完整性和一致性。 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據通訊，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，實現局部通訊量的切換。 　　整個監控系統就是使用上述這樣的方式，實現了從服務器、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據通訊，因而從監控系統角度最大限度保證了CITECT與MODCELL之間通訊聯系的可靠性，（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，實現主副控制單元冗余，這種冗余對監控系統是透明的）。 　　為了分散系統的工作負荷，保證系統的運行效率，在熱軋監控系統設計中，我們采取了I/O與其它監控服務分開的原則，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，由監控系統內部自動實現主副服務器的信息鏡像，保持數據的一致性。當副I/O Server發生故障時，則所有操作站對上述監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經故障處理恢復了正常運行，除非操作站經過重啟動或主I/O Server發生故障停機，否則監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。 　　▲靈活豐富的監控功能 　　CITECT監控系統向用戶提供了極大的應用靈活性和系統開放性。在寶鋼熱軋的加熱爐和煤氣站系統中，根據系統的特點和生產工藝的要求，我們在系統設計中開發了大量新穎、實用的監控功能，產生了系統改造最明顯、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生了突出的效益。新的加熱爐和煤氣站監控系統，一改過去以落后的面板顯示和機械按鈕操作，跳過傳統DCS系統的簡單模擬畫面，實現了網絡化操作、三維動態畫面顯示、全鼠標操作、多媒體化、完整的監控操作記錄等多種監控服務功能。 　　▲開放的通訊功能 　　作為系統改造的一個基本動因，是建立與執行燒鋼優化數學模型計算的上位計算機的穩定良好通訊。在熱軋加熱爐的整個監控系統中，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，實現所有爐況信息向上位計算機的發送和接收上位機設定的優化燒鋼設定值。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網關進行的以太網上的數據交換，實現與ALPHA燒鋼控制計算機通訊，以及通過RS232串口轉20mA電流環，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監控系統中，由于使用了全鼠標操作，所有數據和狀態只在畫面上顯示，使原來在機械式按鈕和按鍵上進行的檢修掛牌無法實現，造成了安全隱患。因而系統設計了軟件化檢修掛牌功能，設備只有在指定生產人員的正確密碼輸入后才能進行生產檢修掛牌和摘牌，系統不僅能夠及時顯示當前的設備檢修狀態，還禁止了設備在掛牌檢修狀態下的啟動操作，徹底保證了監控操作的安全性。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，因而在這一監控系統中，設備的檢修過程這一管理信息也進入了過程控制系統。 　　▲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。在新的監控系統中，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（也可選擇預置的數據表格），系統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。 　　▲集中監視和多媒體報警 　　集中監視是監控系統的基本要求，在熱軋加熱爐的應用中，我們充分利用集中監視的優越性。在加熱爐中，爐內循環冷卻水的運行情況，直接關系到爐內梁、柱冷卻情況，對加熱爐系統的正常生產有著至關重要的作用。因此，我們將每座爐子爐體內61點循環冷卻水水溫及流量開關，設置了專用的集中監視畫面，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，系統不僅發出報警聲，而且能夠自動切換到發生報警的冷卻水溫度集中監視畫面，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，都必須具備良好完備的操作幫助和指南一樣，作為過程控制系統重要組成部分的監控系統，一個準確、有效的操作幫助和提示，也將對系統的良好運行產生有益的作用。在熱軋加熱爐和煤氣站的監控系統設計中，我們編制了部分故障處理的在線幫助功能，雖然數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生停爐或煤氣切斷等重大故障或嚴重報警時，系統將自動產生聲光報警，并自動切換到專用報警狀態指示畫面，操作者除了可以看到對應的報警狀態外，還可以看到相應的故障處理指南和重要數據指示，這就為迅速排除故障提供了有力的幫助。 　　 　　▲系統應用效果 　　上面介紹的這些豐富的監控功能，只是整個系統強勁功能的一小部分，而且這些功能的實現在CITECT系統中非常的簡便，但是在傳統的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控功能的實現，為寶鋼熱軋生產帶來了巨大的直接和間接經濟效益。解決通訊瓶頸，實現自動化燒鋼功能，光是這一項就可為寶鋼生產年降低燃料費用890萬元以上；實現冗余技術，系統穩定可靠，提高了加熱爐和煤氣站的作業率；節約了備件維護費用。新系統突出的監控性能，為整個加熱爐爐區控制降低能耗、提高加熱目標溫度命中率，產生了明顯的作用，原來系統難以可靠控制的加熱爐目標溫度命中率，在新系統中已穩定地實現了99%以上。