陳秋建,劉飛,唐偉

(寶鋼股份有限公司 厚板廠,上海 200941)

1 引言

厚板廠熱處理爐承擔(dān)著對軋制拋丸后的鋼板進(jìn)行熱處理的作業(yè)。寶鋼厚板廠總共有3條熱處理線,分別于2005年3月、2006年 9月和12月投入生產(chǎn)。該3個爐子全部由世界著名熱處理爐設(shè)計公司——德國 LOI公司設(shè)計。

2 熱處理爐電氣控制功能簡述

熱處理爐電氣控制功能如下。

1)熱處理爐入口對中裝置控制。鋼板在進(jìn)入爐子之前必須先進(jìn)行自動對中。對中裝置被PLC控制,由液壓油缸執(zhí)行對中動作,油缸中的位置傳感器將反饋鋼板對中位置并決定對中是否成功以及對中動作是否能夠被結(jié)束。

2)長度測量與鋼板定位。鋼板結(jié)束對中后將被測量長度并開始定位跟蹤。長度測量裝置由6個檢測光柵組成,光柵觸發(fā)鋼板頭部跟蹤并計算鋼板長度。長度測量值與上級計算機(jī)系統(tǒng)下傳的長度進(jìn)行對比,操作人員根據(jù)對比結(jié)果確定是否要“裝鋼”。此后,PLC將對“裝鋼”鋼板進(jìn)行長時間定位直至出爐。

3)鋼板速度控制與鋼板間隙控制。鋼板厚度、寬度、長度,以及爐子溫度,單塊鋼板受溫時間等眾多因素決定鋼板運(yùn)行速度。兩塊鋼板之間的間隙被爐內(nèi)光柵監(jiān)視,鋼板速度控制自動調(diào)整并優(yōu)化鋼板間隙。

4)傳動控制系統(tǒng)。熱處理爐入口輥道、爐內(nèi)輥道以及出口輥道都由變頻器控制。變頻器與中央控制系統(tǒng)進(jìn)行控制數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換并最終實(shí)現(xiàn)單個輥?zhàn)踊虺山M輥道的啟動、停止以及變頻速度控制。

5)爐門開啟,關(guān)閉控制。爐子加料門和卸料門可以在3個位置上運(yùn)動:①關(guān)門(通常的位置);②工作位置(加料或卸料位置);③門開(用于維修時,全面打開)。所有的門都配有3個限位開關(guān)來確保爐門到達(dá)準(zhǔn)確的位置。爐門的機(jī)械裝置配置壓縮氣體系統(tǒng),以使?fàn)t門緊密關(guān)閉。當(dāng)加料門和卸料門打開時,氮?dú)饬鲉右苑来髿膺M(jìn)入爐內(nèi)。

6)與燒嘴控制系統(tǒng)、上級計算機(jī)系統(tǒng)之間通訊的建立。

7)與WINCC人機(jī)交互畫面的通訊和PDA歷史數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的建立。

3 冗余系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 PLC冗余系統(tǒng)

圖1 電氣自動化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖Fig.1 Network diagram of electrical automation control system

圖1為熱處理爐電氣自動化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖。在自動化控制系統(tǒng)中,S7-417H雙機(jī)熱備系統(tǒng)和ET200M分布式I/O組成的Profibus-DP總線網(wǎng)構(gòu)成切換結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)在故障時無擾動自動切換。用到的2套PLC控制系統(tǒng),分別為CPU0和CPU1。2套PLC系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行,工作時其中的一套正常運(yùn)行并主導(dǎo)過程控制,稱為主系統(tǒng);另一套PLC正常運(yùn)行時不斷與主系統(tǒng)存儲器數(shù)據(jù)比較而處于備用狀態(tài)。在每塊CPU中都放置著2塊同步化子模板,通過光纜連接該同步化子模板完成2個中央處理器之間的物理連接。另外,CPU 的“0”“1”屬性可通過該同步化模板設(shè)定。

與2塊CPU同時使用的還有2套通訊模塊CP443-1和CP443-5,分別掛于各自的PLC系統(tǒng)背板上。2套通訊系統(tǒng)獨(dú)立工作,并與對應(yīng)的CPU參與控制或“待命”準(zhǔn)備。

冗余狀態(tài)下的2塊CPU都將處理用戶程序、讀取和寫入過程數(shù)據(jù)并相互檢查。因?yàn)?塊CPU用戶程序完全相同,2個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理完全一致。

CPU0或CPU1通過各自的通訊模塊和獨(dú)立的PROFIBUS總線路徑,在中繼器“REPEATER”的協(xié)助下讀寫各個子站的數(shù)據(jù)。如圖2所示,CPU0的網(wǎng)絡(luò)路徑以虛線形式存在,CPU1的網(wǎng)絡(luò)分布則以實(shí)線形式存在。“REPEATER”獨(dú)立使用,子站“FC”有2個接口,分別為主系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和備用系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的通訊接口。2號爐的子站主要包括4個ET200站,4個DP從站以及近250個的變頻傳動控制站。在冗余系統(tǒng)工作時,主、備控制系統(tǒng)(CPU處理器,通訊模塊和通訊總線)獨(dú)立運(yùn)行。

圖2 Profibus網(wǎng)絡(luò)圖Fig.2 Profibus network diagram

冗余系統(tǒng)2塊CPU上的指示燈反映了當(dāng)前熱處理自動化冗余系統(tǒng)的工作狀態(tài)及主備狀態(tài)。正常情況下,冗余系統(tǒng)的啟動過程是2塊CPU狀態(tài)變化的過程。假設(shè)首先將用戶程序下載到CPU0中并啟動CPU0,則按順序2塊CPU會經(jīng)歷如下過程[1]。

1)系統(tǒng)停止模式。CPU0和CPU1都處于STOP狀態(tài)。

2)系統(tǒng)啟動模式。CPU0處于STARTUP狀態(tài),CPU1仍處于STOP狀態(tài)。

3)系統(tǒng)工作在單機(jī)模式。CPU0啟動完成之后,處于RUN狀態(tài),執(zhí)行用戶程序。而沒有任何用戶程序的CPU1仍處于STOP狀態(tài)。

4)系統(tǒng)工作在鏈接模式。CPU0正常工作,處于RUN狀態(tài)。CPU1鏈接CPU0并比較用戶程序存在的差別,其Link up燈閃爍。

5)系統(tǒng)工作在更新狀態(tài)。備用CPU拷貝主CPU數(shù)據(jù)(包括輸入、輸出、計數(shù)器等),CPU1處于UPDAT E狀態(tài)。

6)系統(tǒng)工作在正常的冗余模式下。2個CPU都處于RUN狀態(tài),并同時處理用戶程序。

熱處理爐自動化控制系統(tǒng)采用SWITCH I/O(I M153-2)作為遠(yuǎn)程I/O的連接方式。I/O模塊接在IM153-2后面,當(dāng)系統(tǒng)工作在冗余模式下時,主備CPU都可以訪問SWITCH I/O。但是,在任一時刻,冗余系統(tǒng)只在一個接口模塊通道輸出數(shù)據(jù),相應(yīng)的激活通道由ACT燈指示。

3.2 控制程序

冗余系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)不僅包括上文提到的各種硬件,還包括支持這些硬件運(yùn)行的軟件。2號熱處理爐使用SIEMENS工控軟件STEP7 5.3+SP3,H軟件包以及人工交互界面設(shè)計軟件WINCC 6.1。

在編寫用戶程序中,普通S7-400系統(tǒng)設(shè)計和編程的規(guī)則同樣適用于S7-400H。相對于一般S7-400,S7-400H則多了一些提供冗余功能的專用模塊,如順序塊SFC90等。用戶程序以相同的形式存貯在兩個中央處理器中并且同時被執(zhí)行(同步事件)。同步功能已被集成在S7-400H操作系統(tǒng)中自動運(yùn)行并且全部采用后臺操作方式,在用戶程序中完全沒有必要考慮這些功能。為避免數(shù)據(jù)刷新所導(dǎo)致循環(huán)處理時間的延長,S7-400H提供一些專用功能塊去優(yōu)化用。

3.3 冗余WINCC SERVER

冗余系統(tǒng)還包括2套 WINCC服務(wù)器“WINCC SERVER1”和“WINCC SERVER2” ,一套為主服務(wù)器“master server”,另一套為備用服務(wù)器“standby server”。WINCC服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。2套服務(wù)器主備狀態(tài)可進(jìn)行手動和自動任意切換。2臺服務(wù)器作為兩個站點(diǎn)互相獨(dú)立,每臺服務(wù)器內(nèi)都安裝西門子以太網(wǎng)卡CP1613分別與主備PLC通訊。它們具有相同的用戶權(quán)限,并同步讀取熱處理爐控制用PLC過程數(shù)據(jù)。

圖3 WINCC服務(wù)器冗余結(jié)構(gòu)Fig.3 Redundant structure of WINCC server

2臺WINCC服務(wù)器之間通訊采用TCP/IP協(xié)議。系統(tǒng)運(yùn)行時服務(wù)器互相監(jiān)控,能及早識別故障伙伴服務(wù)器,并通過過程消息指出故障服務(wù)器。

如果一臺服務(wù)器發(fā)生故障,另一臺服務(wù)器將繼續(xù)讀取PLC過程數(shù)據(jù)和消息并保證數(shù)據(jù)的完整性。與此同時,在操作室的客戶機(jī)將自動在較短的時間內(nèi)從故障服務(wù)器切換到冗余服務(wù)器上,所有操作臺將繼續(xù)正常使用。

單個WINCC服務(wù)器有3塊硬盤,采用Raid 5管理器對硬盤數(shù)據(jù)進(jìn)行管理并實(shí)現(xiàn)硬盤冗余。

3.4 變頻傳動控制系統(tǒng)的冗余應(yīng)用

2號熱處理爐入口區(qū)域有6組成組變頻控制的輥道、50根單獨(dú)變頻控制的輥?zhàn)?另外爐內(nèi)及出口區(qū)域還有180根單獨(dú)變頻控制的輥?zhàn)?。變頻傳動控制系統(tǒng)采用西門子6SE70系列書本型變頻器,一臺變頻器上使用2塊CBP卡分別與主備2套PLC系統(tǒng)進(jìn)行通訊,其結(jié)構(gòu)如圖4所示[2]。2塊CBP卡都能接受PLC給出的控制指令并反饋?zhàn)冾l器狀態(tài)。任一時刻只使用其中一塊CBP通訊數(shù)據(jù)作為變頻器控制和反饋數(shù)據(jù)。當(dāng)其中一條通訊鏈路有故障,并且故障時間超過設(shè)定時間時(比如主CPU有故障時),另一條鏈路立即起作用。

圖4 變頻傳動系統(tǒng)冗余結(jié)構(gòu)Fig.4 Redundant structure of variable frequency control system

作為PROFIBUS通訊主站的主備PLC系統(tǒng)以周期型MSCY-C1數(shù)據(jù)傳輸方式與變頻器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[2]。數(shù)據(jù)交換的報文結(jié)構(gòu)定義了有用數(shù)據(jù)區(qū),包括參數(shù)數(shù)據(jù)區(qū)(PKW)和過程數(shù)據(jù)區(qū)(PZD)。變頻器定義了CBP通訊PZD數(shù)據(jù)的若干連接量,其中第 1塊 CBP對應(yīng)連接量為K3001～K3016,第 2塊 CBP對應(yīng)連接量為K8001～K8016。變頻器中監(jiān)視2個通訊鏈路的狀態(tài)、輸出通訊錯誤并將錯誤作為變頻器參數(shù)組選擇和選用連接量的依據(jù)。當(dāng)?shù)?塊CBP通訊被監(jiān)控到錯誤時,變頻器自動將參數(shù)設(shè)定源設(shè)置為第2塊 CBP對應(yīng)的通訊鏈路(有用連接量由K3001～K3016轉(zhuǎn)變?yōu)镵8001～K8016),實(shí)現(xiàn)通訊鏈路數(shù)據(jù)冗余與可靠切換。當(dāng)2個系統(tǒng)的通訊鏈路都有問題時,變頻器將使用最后一次所接受到的控制字與設(shè)定值作為變頻系統(tǒng)的控制輸入。為保證系統(tǒng)可靠切換,同時保證爐輥在高溫下能夠連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),通訊報警將被屏蔽從而確保變頻器不會因?yàn)閳箦e而停機(jī),保證爐輥的安全。

4 冗余PLC控制下的變頻器工作可靠性計算

圖5為冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)的可靠性用R(t)表示,為系統(tǒng)開始運(yùn)行(t=0)到某時刻t這段時間內(nèi)能正常運(yùn)行的概率。失效率表示為λ,是指單位時間內(nèi)失效的元件數(shù)與元件總數(shù)的比例。兩者之間關(guān)系[3]為

2次故障之間系統(tǒng)能正常工作的時間的平均值稱為平均無故障時間tM TBF,

圖5 冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of redundant system

設(shè)系統(tǒng)0和系統(tǒng)1的可靠性為R0(t),變頻器可靠性為R2(t),考慮變頻器為功率部分,可靠性比PLC系統(tǒng)差,取R2(t)=0.5R0(t)。

當(dāng)只有系統(tǒng)0工作時,該回路系統(tǒng)可靠性為

系統(tǒng)平均無故障時間為

當(dāng)系統(tǒng)為冗余模式時,系統(tǒng)0和系統(tǒng)1為并聯(lián)工作,回路系統(tǒng)可靠性為

系統(tǒng)平均無故障時間為

計算表明,當(dāng)變頻器可靠性取為PLC系統(tǒng)可靠性的一半時,冗余系統(tǒng)控制下,變頻器工作可靠性為單個PLC系統(tǒng)控制可靠性的4/3倍,可靠性得到了明顯的提高。

5 結(jié)論

冗余系統(tǒng)的應(yīng)用極大地提高了寶鋼熱處理線的系統(tǒng)可靠性。隨著過程控制技術(shù)和可編程邏輯控制器的不斷進(jìn)步和發(fā)展,冗余技術(shù)的應(yīng)用將會越來越成熟,可靠性也會越來越高。在過程控制要求逐步提高的未來,冗余技術(shù)將扮演更加重要的角色。

[1]SIEMENS.自動化系統(tǒng)S7-400H容錯系統(tǒng)[Z].2004.

[2]SIEMENS.矢量控制使用大全[Z].2004.

[3]譚進(jìn),肖忠良.壓縮機(jī)安全保護(hù)系統(tǒng)的改造[J].石油化工自動化,2003(5):95-96.