集成架構在大型TFT-LCD工廠FMCS中的應用

（中國電子工程設計院世源科技工程有限公司，北京 100855）李中原，張航科

（羅克韋爾自動化（中國）公司，北京 100005）徐建陸

1 項目背景

本項目為國內首條第6代薄膜晶體管液晶顯示器件（TFTLCD）項目，包括了陣列、彩膜、成盒和模塊等生產工序。

項目位于合肥新站綜合開發試驗區，面積約40萬平方米，總投資近2百億人民幣，將于2010年4季度正式投產，玻璃基板尺寸為1500mm x1850mm，主要用于37英寸及以下液晶電視機及21.6英寸及以下電腦用液晶顯示器。

2 FMCS系統和集成構架簡介

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

? 接受各個子系統的運轉資料、狀態、報警

? 趨勢圖

? 歷史資料

? 遠程監控

? 信息的管理和分享

? 異常和故障的排除

? 運轉模式的建立

? 控制策略的修正

FMCS監控的系統包括：

? 空調系統

? 潔凈室系統

? 工藝冷卻水

? 熱水系統

? 冷凍水系統

? 冷卻水系統

? 工藝真空系統

? 清掃真空系統

? 壓縮空氣系統

? 純水系統

? 廢水處理系統

? 大宗氣體系統

? 特氣系統

? 化學品供應系統

? 廢氣處理系統等

集成架構（Integrated Architecture）

羅克韋爾的集成架構實現了傳統工業自動化到電子制造（e-Manufacturing） 的飛躍，它具有如下特點：

? 一個多重控制和信息的平臺。

? 專為廣泛地應用而設計，靈活性盡量滿足系統要求。

? 專重于良好的系統擴展性，易于使用和降低用戶成本。

? 基于開放的工業標準。

? 大容量，高速數據處理速率，高速數據傳輸速度。

它由四部分組成，如圖1所示。

圖1 集成架構的組成

3 項目FMCS解決方案概述

3.1 系統設計的出發點

此TFT-LCD 6代線的生產工藝相當先進，廠房的規模大(此系統需要連接的直接I/O點有11000點以上，通過OPC連接的子系統I/O點有23000點以上)。對生產環境要求愈加苛刻，為滿足生產的要求，保證生產所需的環境，提高產品的良率，廠務系統所提供的各項公共資源，如潔凈室的溫濕度（設計要求無塵室的溫度變化在±1℃，相對濕度的變化在±4%），廢氣排放系統的負壓，工藝冷卻水的出口壓力等各項參數的穩定度，被要求得極為嚴格，不允許任何異常事故發生（系統被要求全年無預警停機次數少于6次）。

因此，廠務設備控制管理系統（FMCS）必須隨時調整系統輸出，以達到使用者的要求，并將系統狀況進行集中監視，提升廠務工程師的異常事故處理能力及響應速度。

此FMCS系統的要求總結為三點：大容量，高速率，可靠性。

3.2 系統概述

本項目的FMCS系統選用了羅克韋爾自動化公司的產品，控制系統主要由ControlLogix控制系統的硬件平臺、ControlLogix Remote IO、PanelView Plus 觸摸屏、RSView SE監控軟件、RSLogix5000編程軟件以及RSLinx通訊軟件等構成，它既具備復雜模擬回路調節能力、友好的人機界面、綜合的操作監視、記錄、報警、信息管理功能及方便的工程軟件，又同時具有高速的邏輯、順序控制以及性能。

本方案實施中共采用了10余套冗余的ControlLogix控制系統、多套Remote ControlLogix IO、冗余機架及I/O電源、冗余的控制網絡ControlNet、觸摸屏PanelView Plus；在FMCS 控制室內設置了2臺冗余的HMI服務器，1臺OPC服務器、2臺工程師站、20余臺操作員站、2臺打印機。

圖2 系統架構示意

全廠FMCS的架構如圖2所示。

全廠的監控系統設一個控制室。控制室內設置全廠FMCS監控服務器、OPC服務器等，對全廠的空調等設備進行監控，同時設置工程師站、操作員站及域控制器等。

本系統選用的RSView SE監控軟是基于Micorsoft Windows XP/Vista和Windows2000操作系統的人機界面軟件。其集成的、可擴展的架構，使RSView SE既能適應傳統的、單機HMI應用，又能適應大型分布式工業自動化應用。RSView SE為操作員、工程師和管理者提供關鍵數據，隨時隨地將系統的數據提供給用戶。

圖3 HMI界面示意

3.3 系統特點和創新性

下文將從網絡設置、PLC控制器、冗余設置3方面對本項目中FMCS的解決方案的特點和創新性逐一進行闡述。

圖4 采用集成架構NetLink網絡平臺系統網絡

3.3.1 網絡

在本系統中，采用ControlNet（控制網）和EtherNet/IP作為一級控制系統的主干網。完成智能化地高速地實時控制，并共享數據和信息。包括：控制和監視設備的協調、操作員接口、遠程設備的組態、編程和故障處理。完全能夠滿足用戶提出的性能指標參數要求，保證了整個系統數據傳輸速率和系統的穩定可靠性。

信息層：采用EtherNet/IP，主干網設計為環形拓撲結構，提高網絡的穩定可靠性和擴展性。網絡的傳輸速率設計為 1000M bps，具體的站點分布見圖2。

控制層：采用ControlNet，主干網設計為雙線冗余，ControlNet的千米傳輸速率為5Mbps。

此系統網絡采用集成架構NetLink網絡平臺，各種網絡（ControlNet、EtherNet/IP等）采用同一協議——CIP（通用工業協議），實現無縫集成，一網到底。

? CIP協議的應用，避免了在多種設備和網絡之間的網橋和網關的轉換和額外的編程工作，降低開發和維護的成本，從前期的設計到目前的開發編程的成本來計算，比傳統的編程開發的操作成本降低了13%。

? EtherNet/IP達到1000Mbps，ControlNet 5Mbps，并在CIP這同一協議下減少數據協議轉換節點，所以大大提高數據在信息層和控制層的傳輸速度。本系統需要直接連接的I/O點有11000點，通過OPC連接的I/O點有23000點。根據實際運行狀況來看此網絡設計完全滿足其傳輸要求。

? EtherNet/IP的環形拓撲設計，ControlNet的冗余設計大大提高了網絡的穩定可靠性，它是保證降低系統無預警性停機次數的一個重要組成部分。

3.3.2 PLC 控制器

整個FMCS采用同一控制平臺——Logix控制平臺。此平臺采用了統一的編程環境，降低了備件成本，減少了培訓費用，提高了維護效率，減少了維護時間。采用高可靠性的設備可以保證生產的穩定運行，并提高全廠的自動化程度。

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

? 處理器為雙核設計，分別負責通訊和邏輯、回路的處理，保證了系統通訊的實時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、運動控制、傳動控制、過程控制指令。

? 強大的I/O處理能力：任意組合時最多可提供128000個I/O，最大4000個模擬量I/O。

? 高速程序及數據處理能力：1KBOOL指令的執行時間僅需0.06毫秒。

根據整廠設備的位置和實際需要連接的I/O點數，整個系統使用了10多套ControlLogix處理器，分布在全廠，保證每個信號能被快速采集，同時還要保證平衡每個ControlLogix處理器的負載，使其處于最佳數據處理效率下。

控制器在FMCS實際使用中的優越性：

（1）高速程序及數據處理能力，強大的I/O處理能力，符合系統需求，特別是大量的I/O點數連接，和實時性要求。

圖5 控制器通過PID運算對比圖

圖6 PIDE自動整定和優化功能

圖7 冗余設置

（2）系統中有大約800顆溫度、濕度、壓力等儀表信號需要通過PID運算，對系統中大量的閥門等設備進行控制。L63控制器在PID運算上是有極大的優勢。如圖5所示，與傳統的PLC&DCS相比運算效率大大提高。

（3）控制器中有模塊化的PID運算工具，PIDE 自動整定和優化功能，如圖6所示。

以一組新風空調中露點溫度的控制回路PID運算為例：

? 確定回路的自整定標簽。即是需要采樣的露點溫度PV和控制的冷盤管的閥門CVEU，直接插入數據即可。

? 組態自整定參數。如SP回路設定值等。

? 運行自整定模塊并且接受或修改新的值。

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

3.3.3 系統的冗余設計

在本系統中所有控制系統均采用冗余的電源、冗余的控制網絡、冗余的控制器。通過硬件的冗余控制器，保證了系統的安全性、可靠性、易維護性。此外，上位機也采用冗余服務器，通過RSView SE實現冗余服務器雙機熱備，大大提高系統的不停擺運行時間。保證全年無預警停機次數少于6次。

整個系統的冗余設計，主要由以下3部分組成（參見圖7）：

? ControlLogix控制系統核心部件的冗余設計，其無擾動切換時間在60ms以內。

? 控制網ControlNet的冗余設計。

? 上位機服務器的冗余設計，根據實際的tag點的容量其無擾動切換時間在200ms以內。

（1）控制系統冗余特點

ControlLogix控制系統冗余的設置非常簡單：

圖8 ControlLogix控制系統冗余的設置（第1步）

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

圖9 ControlLogix控制系統冗余的設置（第2步）

? 除了在RSLogix 5000中可以進行冗余設計和查看冗余信息外，在Rslink中，也可以對冗余模塊進行冗余設定（如手動切換）和冗余信息的查看。如圖10、圖11所示。

圖10 冗余設定

ControlLogix冗余控制系統主要特性：

? 采用標準的Logix5563控制器和ControlNet網橋。

? 系統的冗余自動完成，無需用戶編程。

? 完全的無擾動切換。

? 處理器冗余工作時，主/從CPU自動同步，主/從CPU的無擾切換時間<60ms，在1個程序掃描周期內完成切換。

? 對任一通過網絡連接到冗余控制器機架的設備，切換是透明的。

? 應用程序從主控制器裝入到從控制器的過程是透明的。

（2）冗余控制網ControlNet

控制網ControlNet的冗余配置，采用不同路徑的冗余網絡配置，ControlLogix同時偵聽兩條網絡上的信息，而選擇其中信息質量更好的網絡信息，極大地提高了網絡的可靠性，其具有以下特點：

? A網、B網同時傳送實時可靠的數據。

? 當故障發生時，網絡可實現無擾動、無滯后的自動切換，同時產生診斷信息顯示通道故障。

4 總結

羅克韋爾自動化的集成架構作為本項目的系統解決方案，其先進的產品特性和開放的技術使得控制系統的先進、穩定和可靠得到了充分保證。筆者希望本工程能為類似高世代TFT-LCD廠房FMCS的建設提供一定的借鑒。

其他作者： 張航科，男，浙江東陽人，工程師，本科，現就職于中國電子工程設計院世源科技工程有限公司，主要研究方向為TFT-LCD工廠設計。

徐建陸，男，江蘇大豐人，工程師，本科，現就職于羅克韋爾自動化（中國）公司，主要研究方向為半導體自動化應用。

圖11 冗余信息查看