集成架构在大型TFT-LCD工厂FMCS中的应用

（中国电子工程设计院世源科技工程有限公司，北京 100855）李中原，张航科

（罗克韦尔自动化（中国）公司，北京 100005）徐建陆

1 项目背景

本项目为国内首条第6代薄膜晶体管液晶显示器件（TFTLCD）项目，包括了阵列、彩膜、成盒和模块等生产工序。

项目位于合肥新站综合开发试验区，面积约40万平方米，总投资近2百亿人民币，将于2010年4季度正式投产，玻璃基板尺寸为1500mm x1850mm，主要用于37英寸及以下液晶电视机及21.6英寸及以下电脑用液晶显示器。

2 FMCS系统和集成构架简介

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

• 接受各个子系统的运转资料、状态、报警

• 趋势图

• 历史资料

• 远程监控

• 信息的管理和分享

• 异常和故障的排除

• 运转模式的建立

• 控制策略的修正

FMCS监控的系统包括：

• 空调系统

• 洁净室系统

• 工艺冷却水

• 热水系统

• 冷冻水系统

• 冷却水系统

• 工艺真空系统

• 清扫真空系统

• 压缩空气系统

• 纯水系统

• 废水处理系统

• 大宗气体系统

• 特气系统

• 化学品供应系统

• 废气处理系统等

集成架构（Integrated Architecture）

罗克韦尔的集成架构实现了传统工业自动化到电子制造（e-Manufacturing） 的飞跃，它具有如下特点：

• 一个多重控制和信息的平台。

• 专为广泛地应用而设计，灵活性尽量满足系统要求。

• 专重于良好的系统扩展性，易于使用和降低用户成本。

• 基于开放的工业标准。

• 大容量，高速数据处理速率，高速数据传输速度。

它由四部分组成，如图1所示。

图1 集成架构的组成

3 项目FMCS解决方案概述

3.1 系统设计的出发点

此TFT-LCD 6代线的生产工艺相当先进，厂房的规模大(此系统需要连接的直接I/O点有11000点以上，通过OPC连接的子系统I/O点有23000点以上)。对生产环境要求愈加苛刻，为满足生产的要求，保证生产所需的环境，提高产品的良率，厂务系统所提供的各项公共资源，如洁净室的温湿度（设计要求无尘室的温度变化在±1℃，相对湿度的变化在±4%），废气排放系统的负压，工艺冷却水的出口压力等各项参数的稳定度，被要求得极为严格，不允许任何异常事故发生（系统被要求全年无预警停机次数少于6次）。

因此，厂务设备控制管理系统（FMCS）必须随时调整系统输出，以达到使用者的要求，并将系统状况进行集中监视，提升厂务工程师的异常事故处理能力及响应速度。

此FMCS系统的要求总结为三点：大容量，高速率，可靠性。

3.2 系统概述

本项目的FMCS系统选用了罗克韦尔自动化公司的产品，控制系统主要由ControlLogix控制系统的硬件平台、ControlLogix Remote IO、PanelView Plus 触摸屏、RSView SE监控软件、RSLogix5000编程软件以及RSLinx通讯软件等构成，它既具备复杂模拟回路调节能力、友好的人机界面、综合的操作监视、记录、报警、信息管理功能及方便的工程软件，又同时具有高速的逻辑、顺序控制以及性能。

本方案实施中共采用了10余套冗余的ControlLogix控制系统、多套Remote ControlLogix IO、冗余机架及I/O电源、冗余的控制网络ControlNet、触摸屏PanelView Plus；在FMCS 控制室内设置了2台冗余的HMI服务器，1台OPC服务器、2台工程师站、20余台操作员站、2台打印机。

图2 系统架构示意

全厂FMCS的架构如图2所示。

全厂的监控系统设一个控制室。控制室内设置全厂FMCS监控服务器、OPC服务器等，对全厂的空调等设备进行监控，同时设置工程师站、操作员站及域控制器等。

本系统选用的RSView SE监控软是基于Micorsoft Windows XP/Vista和Windows2000操作系统的人机界面软件。其集成的、可扩展的架构，使RSView SE既能适应传统的、单机HMI应用，又能适应大型分布式工业自动化应用。RSView SE为操作员、工程师和管理者提供关键数据，随时随地将系统的数据提供给用户。

图3 HMI界面示意

3.3 系统特点和创新性

下文将从网络设置、PLC控制器、冗余设置3方面对本项目中FMCS的解决方案的特点和创新性逐一进行阐述。

图4 采用集成架构NetLink网络平台系统网络

3.3.1 网络

在本系统中，采用ControlNet（控制网）和EtherNet/IP作为一级控制系统的主干网。完成智能化地高速地实时控制，并共享数据和信息。包括：控制和监视设备的协调、操作员接口、远程设备的组态、编程和故障处理。完全能够满足用户提出的性能指标参数要求，保证了整个系统数据传输速率和系统的稳定可靠性。

信息层：采用EtherNet/IP，主干网设计为环形拓扑结构，提高网络的稳定可靠性和扩展性。网络的传输速率设计为 1000M bps，具体的站点分布见图2。

控制层：采用ControlNet，主干网设计为双线冗余，ControlNet的千米传输速率为5Mbps。

此系统网络采用集成架构NetLink网络平台，各种网络（ControlNet、EtherNet/IP等）采用同一协议——CIP（通用工业协议），实现无缝集成，一网到底。

• CIP协议的应用，避免了在多种设备和网络之间的网桥和网关的转换和额外的编程工作，降低开发和维护的成本，从前期的设计到目前的开发编程的成本来计算，比传统的编程开发的操作成本降低了13%。

• EtherNet/IP达到1000Mbps，ControlNet 5Mbps，并在CIP这同一协议下减少数据协议转换节点，所以大大提高数据在信息层和控制层的传输速度。本系统需要直接连接的I/O点有11000点，通过OPC连接的I/O点有23000点。根据实际运行状况来看此网络设计完全满足其传输要求。

• EtherNet/IP的环形拓扑设计，ControlNet的冗余设计大大提高了网络的稳定可靠性，它是保证降低系统无预警性停机次数的一个重要组成部分。

3.3.2 PLC 控制器

整个FMCS采用同一控制平台——Logix控制平台。此平台采用了统一的编程环境，降低了备件成本，减少了培训费用，提高了维护效率，减少了维护时间。采用高可靠性的设备可以保证生产的稳定运行，并提高全厂的自动化程度。

选用高性能的ControlLogix处理器具有如下特点和功能：• CPU型号：1756-L63。

• 处理器为双核设计，分别负责通讯和逻辑、回路的处理，保证了系统通讯的实时性和处理能力的高效性。

• 丰富的指令集：其中包括文件处理、顺序器、诊断、移位寄存器、程序控制、运动控制、传动控制、过程控制指令。

• 强大的I/O处理能力：任意组合时最多可提供128000个I/O，最大4000个模拟量I/O。

• 高速程序及数据处理能力：1KBOOL指令的执行时间仅需0.06毫秒。

根据整厂设备的位置和实际需要连接的I/O点数，整个系统使用了10多套ControlLogix处理器，分布在全厂，保证每个信号能被快速采集，同时还要保证平衡每个ControlLogix处理器的负载，使其处于最佳数据处理效率下。

控制器在FMCS实际使用中的优越性：

（1）高速程序及数据处理能力，强大的I/O处理能力，符合系统需求，特别是大量的I/O点数连接，和实时性要求。

图5 控制器通过PID运算对比图

图6 PIDE自动整定和优化功能

图7 冗余设置

（2）系统中有大约800颗温度、湿度、压力等仪表信号需要通过PID运算，对系统中大量的阀门等设备进行控制。L63控制器在PID运算上是有极大的优势。如图5所示，与传统的PLC&DCS相比运算效率大大提高。

（3）控制器中有模块化的PID运算工具，PIDE 自动整定和优化功能，如图6所示。

以一组新风空调中露点温度的控制回路PID运算为例：

• 确定回路的自整定标签。即是需要采样的露点温度PV和控制的冷盘管的阀门CVEU，直接插入数据即可。

• 组态自整定参数。如SP回路设定值等。

• 运行自整定模块并且接受或修改新的值。

此工具使PID运算更加便捷，仅PID运算编程部分，使编程的人力成本比传统编程方式降低35%，整个编程的效率大大提高。

3.3.3 系统的冗余设计

在本系统中所有控制系统均采用冗余的电源、冗余的控制网络、冗余的控制器。通过硬件的冗余控制器，保证了系统的安全性、可靠性、易维护性。此外，上位机也采用冗余服务器，通过RSView SE实现冗余服务器双机热备，大大提高系统的不停摆运行时间。保证全年无预警停机次数少于6次。

整个系统的冗余设计，主要由以下3部分组成（参见图7）：

• ControlLogix控制系统核心部件的冗余设计，其无扰动切换时间在60ms以内。

• 控制网ControlNet的冗余设计。

• 上位机服务器的冗余设计，根据实际的tag点的容量其无扰动切换时间在200ms以内。

（1）控制系统冗余特点

ControlLogix控制系统冗余的设置非常简单：

图8 ControlLogix控制系统冗余的设置（第1步）

• 在RSLogix 5000软件编程的第一步，只需简单的做一个勾选。如图8、图9所示。

图9 ControlLogix控制系统冗余的设置（第2步）

• 除了在RSLogix 5000中可以进行冗余设计和查看冗余信息外，在Rslink中，也可以对冗余模块进行冗余设定（如手动切换）和冗余信息的查看。如图10、图11所示。

图10 冗余设定

ControlLogix冗余控制系统主要特性：

• 采用标准的Logix5563控制器和ControlNet网桥。

• 系统的冗余自动完成，无需用户编程。

• 完全的无扰动切换。

• 处理器冗余工作时，主/从CPU自动同步，主/从CPU的无扰切换时间<60ms，在1个程序扫描周期内完成切换。

• 对任一通过网络连接到冗余控制器机架的设备，切换是透明的。

• 应用程序从主控制器装入到从控制器的过程是透明的。

（2）冗余控制网ControlNet

控制网ControlNet的冗余配置，采用不同路径的冗余网络配置，ControlLogix同时侦听两条网络上的信息，而选择其中信息质量更好的网络信息，极大地提高了网络的可靠性，其具有以下特点：

• A网、B网同时传送实时可靠的数据。

• 当故障发生时，网络可实现无扰动、无滞后的自动切换，同时产生诊断信息显示通道故障。

4 总结

罗克韦尔自动化的集成架构作为本项目的系统解决方案，其先进的产品特性和开放的技术使得控制系统的先进、稳定和可靠得到了充分保证。笔者希望本工程能为类似高世代TFT-LCD厂房FMCS的建设提供一定的借鉴。

其他作者： 张航科，男，浙江东阳人，工程师，本科，现就职于中国电子工程设计院世源科技工程有限公司，主要研究方向为TFT-LCD工厂设计。

徐建陆，男，江苏大丰人，工程师，本科，现就职于罗克韦尔自动化（中国）公司，主要研究方向为半导体自动化应用。

图11 冗余信息查看