高致富 张 锋 周 信

(陕西科技大学轻工与能源学院，陕西省造纸技术及特种纸品开发重点实验室，陕西西安，710021)

经济全球化使企业面临的市场竞争更加残酷，节能降耗与产业结构调整等新政策的出台使生产企业的生产规模与生产工艺不断调整。这就要求企业的自动化方案具有更好的可扩展性和兼容性，方便处理复杂系统的故障，采用合理的成本，使自动化产品具有更长的生命周期。目前，已有部分自动化公司开发出工业过程自动化控制的集成化信息平台，使企业生产成本降低，市场竞争中的优越性得到提高。另一方面，企业利用DCS、总线、PLC、智能传感器与执行器等技术方案实现对生产现场过程的控制与网络化监控，获得丰富的生产信息，帮助生产管理人员有效地进行过程控制、质量与设备监测、故障诊断等［1］。

本课题以新一代自动化和信息系统平台——MetsoDNA CR系统为代表，结合应用案例，介绍这一系统的用户互动功能、自动工艺控制功能、安全的生命周期功能以及系统的硬件架构［2］，期望能为我国工业过程自动控制系统的集成化发展提供一定的参考。

1 功能简介

1.1 用户互动功能

用户互动功能通过为用户提供各种高效、直观的操作、报告和分析工具 (包括 DNAuse、DNAhelp、DNAreport、DNAtracer和 My Community)，帮助用户方便访问到相同信息，实现系统间从生产现场到办公室、从手持终端到大屏幕等各种形式的不间断沟通。用户互动功能为工艺流程提供了实际的窗口，使用户可查看并参与生产工艺过程。用户互动功能可以从基本操作扩展到大量信息的管理，为用户提供有针对性的信息，从而支持生产、维护和其他重要任务，提高企业绩效。简易的DNAuse工具有助于正确决策，迅速地解决问题。所有简单操作诸如画面导航、鼠标点击和拖放等，所选择的相关信息的桌面窗口都可以很容易地进行排列、调整大小、平移，以及储存所选定的画面或整个桌面布局。

1.2 自动工艺控制功能

自动工艺控制功能可以为过程、设备、传动、质量控制和设备运行状况监测等环节的所有控制和优化提供最佳的方案。高效的ACN控制节点产品家族为各种控制提供了可靠的控制平台和外部连接，支持分布式、集中式方案及到第三方系统的各种连接。众多的现场接口和第三方接口可以将第三方系统中任何需要的部分移植到MetsoDNA CR中。这些控制节点支持新的ACN I/O及主要的现场总线 (如PROFIBUS、FF和AS-i)和标准链接 (如OPC、以太网和串行链接)，确保与第三方系统连接良好。利用一致而综合全面的信息服务，创建一个统一的数据存储和计算方案。甚至可以把这种方案集成到企业级的应用中，如工厂的ERP系统、CMMS及LIMS系统。

1.3 安全的生命周期功能

能够适应未来的需要是决定自动化投资的一个决定性因素，安全的生命周期功能确保企业的自动化投资在将来也是安全的。工业级的安全性能是专为苛刻的实时生产环境而设计的，分层的安全方法为应对各种威胁提供安全的保障。这一功能提供了MetsoDNA CR平台的维护方法和工具，实现了各种现场总线、现场设备寿命周期的管理以及网络文档的管理，为各种硬件元件提供了维修支持。现有系统的升级方式和兼容性是建立一个强大寿命周期管理的关键因素。软件安全的生命周期概念指从原有的和目前的系统向未来的系统逐步升级的经济途径，适应未来的变化，延长产品的生命，有助于在整个工厂寿命周期使平台的性能最大化。以MetsoDNA CR工厂资产管理为例，软件安全的生命周期实现了现场设备、自动化系统和工艺设备的状况监视，为泵、管线和控制回路等各种工厂资产提供积极主动的维护和状态监视工具，预防不稳定性或累积的性能下降，帮助企业的自动化系统获得更好的寿命周期。

2 系统结构与硬件

MetsoDNA CR系统提供了直观的用户互动、高可靠性的自动工艺控制和安全的生命周期管理功能，其实现需要与之对应的硬件架构，具体的硬件架构如图1所示。

2.1 服务器节点

服务器节点分布于系统架构的各层，包括ACN PO工业级工作站、ACN AS工业级服务器、工作站、服务器、现场面板式PC、笔记本电脑、工业用笔记本电脑、网络掌上电脑Nokia N810 Internet Tablet、监视器和键盘、KVM延长器、打印机等。

2.2 ACN控制节点

ACN过程控制节点有各种基本和高级控制，为快速的逻辑和各种计算提供了可靠的平台，共有三种类型 (见表1)。连同ACN I/O及现场总线方案，具有低至20 ms的控制周期及良好扩展性。

2.3 系统网络

图1 硬件架构

表1 三类ACN控制节点

图2 模块化组件的可扩展性

MetsoDNA CR系统网络采用ACN交换机建立起来的冗余环网拓扑结构或星型拓扑结构的交换以太网，设备支持简单网络管理协议 (Simple Network Monitoring Protocol-SNMP)。具体包括办公室网络、工程设计和信息服务器网络、冗余过程网络、以太网网络组件、远程连接组件、无线网络组件等。

2.4 现场总线网络

MetsoDNA CR系统支持ACN I/O现场总线、PROFIBUS DP/PA、执行器-传感器接口总线 (AS)及Foundation现场总线HSE/H1等方案。

2.5 电源

MetsoDNA CR系统中采用3类电源，分别是400VAC(+6， －10%)，47～63 Hz;120/230VAC(+6， －10%)，47～63 Hz;24 VDC(18～32 VDC)。系统配有备用电源单元，典型的供电时间为30 min，PC节点的UPS为可选项。

除此以外，MetsoDNA CR的硬件在物理尺寸及质量、功耗、防护等级、抗腐蚀等级、电磁兼容性、环境要求都有明确的设计规范。

3 系统特点

3.1 同一平台

MetsoDNA CR系统可以在同一平台下实现过程控制、传动控制、机械设备控制、产品质量控制与优化、安全管理等涉及企业生产的各方面控制功能。在制浆、造纸和能源领域工艺不断调整、改进的同时，企业及经营企业的组织机构都在不断变化。Metso-DNA CR系统通过同一平台的设计，具有可扩展性，将自动化和信息平台从单一的控制器发展成为企业级的系统。

3.2 高可靠性

MetsoDNA CR系统采用工业级组件，先进的备件理念，冗余而稳定的网络结构，从而保障了系统良好的可靠性。对以太网络、PROFIBUS DP和 FF HSE、过程控制和网关节点、供电 (备份电池)、报警处理和历史数据库、容错及缓冲的历史数据收集、用户互动节点、硬盘、I/O总线等内容进行了冗余设计。分层的安全方法保障了各级的安全性，方案包含所有元件的组态、强化及补丁，所有基于微软Windows的节点均带防病毒软件保护。网络设计遵循安全的网络结构设计原则，包含MetsoDNA CR系统和办公室网络之间防火墙与可选的隔离区。安全连接方案通过安全通道进行访问，如密码和用户识别。

3.3 规模灵活

MetsoDNA CR系统可满足从基本控制到先进控制的各种需求，通过模块化组件适应从最小到最大的不同方案，易于扩展 (见图2)。基本的控制包括可靠测量、报警检测、PID、电机及阀门控制、组启动、顺序控制等。当基本控制不能满足应用时，可以在同一平台中使用先进控制。这些控制可以通过先进复杂的工具和技术来实施，如模糊逻辑、神经网络、Java程序及多变量控制等。

3.4 开放的标准通信

MetsoDNA CR系统是一个开放的网络，可包含各种接口，与过程计算机、PLC和其他外部系统相兼容。通过标准链接，这些接口可与第三方系统实现良好连接，如OPC、以太网和串行链接。此外，它们也可支持各种不同硬件平台的外部接口协议，与Metso早期的自动化系统 Damatic、Damatic XD和Damatic XDi实现全面互连。

3.5 信息服务

信息服务是基于以服务为导向的结构，所有的客户工具都可以利用存储的信息，这意味着对信息的分析不像以前传统的客户端服务器机构受到限制。DNA-data提供了Web服务的界面，使用户可以对存储的数据进行分析并生成各种报表。同样DNAdata Web服务界面也可以被外部通过DNAdata企业方案来使用而无需特定客户端的工具或驱动。DNAsiteHub企业应用集成方案给信息服务增加了可靠的消息功能，DNAdata作为它的一个数据源，使得MetsoDNA CR系统与企业系统无缝集成在一起成为可能，如企业的资源规划和计算机维护管理系统。DNAsapAdapter是一个集成方案，它可以使得MetsoDNA CR系统和SAP之间直接进行信息交流，如将维护信息从DNA-diary直接转移到SAP系统中，作为进一步处理故障的通知。总的来说，系统信息服务将各种过程接口、计算及数据库合并到一个统一的方案中，将各种测量值、设定值、控制器输出、设备状况、质量数据、横幅分布、报警、操作等储存到历史数据库中，以满足各类用户对信息的合理查询、操作等互动。

4 应用案例

Metsa-Botnia集团总排放监测和报告解决方案

Oy Metsa-Botnia Ab是生产优质漂白浆的林业公司，其制浆厂分布在芬兰和乌拉圭。严格的环保政策限制与调整期的缩短，要求集团的废气排放控制系统需要更快的响应。手动数据控制已无法满足当今的要求，需要选用集团总排放系统。Metso为其提供的方案集成所有制浆厂的工艺控制系统，在整个集团范围内实施统一的在线排放监测和报告，对排放进行实时甚至是主动管理和预测。在“我的社区”网站门户用户界面，除了制浆厂数据显示和报告，还包括DNAentry工具，用于手动输入限制值、校准功能系数等信息。DNAtracer用于排放历史数据分析。点击显示屏上的平均值，即可显示详细的历史趋势图。无需安装其他软件，可由网页浏览器进行管理，所有员工均可使用。系统在每座制浆厂均配备独立的数据采集服务器，用于采集并处理本厂排放数据，各厂服务器又与主服务器连接，所有服务器由MetsoDNA CR Info平台进行管理。这种结构使任何制浆厂均能查看其他制浆厂运营数据并进行比较，出现问题时能够迅速响应，并与其他制浆厂同类情况进行比较，利于各制浆厂之间的沟通。一致的自动计算和报告程序改善了报告工作，提高了速度，排除了手动输入中的人为失误。所有制浆厂均连接中央报告系统，向上级报告生产中出现的所有排放情况［3］。

这种排放监控和报告设备还广泛应用于其他大型燃烧工厂以及废品焚烧和混合焚烧工厂。应用系统可集成在MetsoDNA CR系统自动化平台中，也可用作独立解决方案。

5 结语

为了满足制浆、造纸、制造和能源企业始终存在生产工艺、规模、组织机构不断变化的需要，MetsoDNA CR系统支持多种形式的用户操作，在同一平台中涵盖了过程控制、工艺控制、设备控制、质量控制、传动控制及设备运行状态监控功能，系统的开放性使其具有更好的兼容性，易于改造升级，从而使系统具有理想的生命周期。在各领域的应用情况证明了MetsoDNA CR系统可以满足企业未来自动控制方案的新要求。与此同时，该系统还可以帮助造纸企业降低生产成本，提高企业在市场的竞争力。因此，在造纸工业生产过程中自动控制系统的集成化信息平台将是工业自动化发展的必然趋势。

［1］ Metso to integrate the equipment status analysis technology to the metsoDNA CR automation system platform［J］．China Pulp ＆ Paper，2009，28(7):75．美卓将设备状态分析技术整合于MetsoDNA CR自动化系统平台［J］．中国造纸，2009，28(7):75．

［2］ Jaakko Oksanen．MetsoDNA CR Life cycle approach［J］．Metso Automation，2010(3):1．

［3］ Jaakko Oksanen．A new generation of MetsoDNA CR lead to better performance［J］．Fiber ＆ Paper，2006(9):66．Jaakko Oksanen．新一代的MetsoDNA CR带来更好的绩效［J］．卓越制浆造纸，2006(9):66． CPP