河鋼集團(tuán)宣鋼機(jī)電公司 張婭楠

0 引言

物料運(yùn)輸系統(tǒng)中，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會(huì)引起整系統(tǒng)的設(shè)備停機(jī)，尤其對(duì)于高爐的生產(chǎn)來說，物料供應(yīng)的中斷，就意味著停產(chǎn)。河鋼宣鋼大型高爐的運(yùn)礦自動(dòng)控制系統(tǒng)中有42條皮帶均使用連鎖控制，只要其中一條皮帶出現(xiàn)故障停止運(yùn)行，就會(huì)從來料方向?qū)λ衅нM(jìn)行順序停車，在實(shí)現(xiàn)集中控制后要使設(shè)備實(shí)現(xiàn)運(yùn)行穩(wěn)定，需要穩(wěn)定的信號(hào)通訊，因?yàn)橐坏┩ㄓ崟r(shí)信號(hào)丟失，程序中就會(huì)認(rèn)為皮帶已停止運(yùn)行，引起連鎖停機(jī)，這就對(duì)物料運(yùn)輸系統(tǒng)中的三個(gè)過程站間的光纖網(wǎng)絡(luò)通訊質(zhì)量提出了很高的要求，原單路光纖環(huán)網(wǎng)已經(jīng)不能滿足正常生產(chǎn)的使用要求，需要將其升級(jí)為雙光纖冗余環(huán)網(wǎng)，并與三套系統(tǒng)的冗余控制器共同形成帶自愈功能的冗余通訊系統(tǒng)，再進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其更穩(wěn)定；而在設(shè)備的集中控制方面，三套系統(tǒng)中很多冗余設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)沒有實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的監(jiān)控，冗余設(shè)備出現(xiàn)故障，需要靠人工點(diǎn)檢才能發(fā)現(xiàn)，而點(diǎn)檢路線遠(yuǎn)，點(diǎn)檢周期長，會(huì)導(dǎo)致冗余設(shè)備停止工作后無法第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并解決，為設(shè)備正常運(yùn)行埋下隱患，所有構(gòu)建一套實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，也是十分必要的。

1 通訊網(wǎng)絡(luò)的整合與優(yōu)化

原物料運(yùn)輸系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)，采用單光纖環(huán)網(wǎng)進(jìn)行第一級(jí)的外層通訊，現(xiàn)場總線設(shè)備所構(gòu)成的第二級(jí)通訊網(wǎng)絡(luò)則采用ABB的CI801單路通訊模件進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，當(dāng)有網(wǎng)絡(luò)故障發(fā)生，通訊設(shè)備無冗余備用，直接影響系統(tǒng)的各類數(shù)據(jù)傳輸，影響程序中關(guān)于信號(hào)的識(shí)別，引起整系統(tǒng)的設(shè)備停機(jī)，需要將第一級(jí)外層通訊網(wǎng)絡(luò)改造為雙光纖冗余環(huán)網(wǎng)，再將3套冗余控制系統(tǒng)接入光纖交換機(jī)中，實(shí)現(xiàn)外層設(shè)備的冗余通訊。在現(xiàn)場設(shè)備附近，分散著大量以現(xiàn)場總線設(shè)備為采集終端的現(xiàn)場總線箱，同樣以光纖作為通訊線路，將光纖接入西門子OLM光纖轉(zhuǎn)換器，再連接ABB RLM 01冗余分配模件，最后通過ABB CI840冗余通訊模件，連接相關(guān)子模件，實(shí)現(xiàn)了終端現(xiàn)場總線設(shè)備的冗余通訊，形成了第二級(jí)冗余網(wǎng)絡(luò)。

在原赫斯曼交換機(jī)組成的單光纖環(huán)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，用復(fù)制的方法，配置第二條光纖環(huán)網(wǎng)，在同樣的節(jié)點(diǎn)，增加同樣的光纖交換機(jī)；將3#交換機(jī)主、3#交換機(jī)從的DIP開關(guān)中的RM選擇為ON，使其成為環(huán)網(wǎng)管理機(jī)，它的功能是在光纖環(huán)網(wǎng)中自動(dòng)阻斷其中一路光纖通訊，避免其成環(huán)，影響通訊，而當(dāng)環(huán)網(wǎng)管理機(jī)在檢測到另外一路光纖斷路后，自動(dòng)開放阻斷的那一路，重新形成通訊通路。

在2路獨(dú)立的光纖環(huán)網(wǎng)配置完成之后，開始進(jìn)行它們之間的耦合：在1#交換機(jī)主、1#交換機(jī)從上，通過交換機(jī)上的DIP開關(guān)設(shè)置：STAND BY選擇ON，將此交換機(jī)設(shè)置為兩路光纖的耦合點(diǎn)，通過交叉網(wǎng)線將其聯(lián)通，使其成為2路光纖環(huán)網(wǎng)的耦合節(jié)點(diǎn)，耦合點(diǎn)起到了聯(lián)通連個(gè)光纖環(huán)網(wǎng)的目的，完成其耦合也是為了下一步分配控制器工作做準(zhǔn)備。

針對(duì)ABB控制器的冗余特點(diǎn)，即：每套控制系統(tǒng)都有主、從兩個(gè)控制器，可實(shí)現(xiàn)冗余無擾切換，正好可以同雙光纖冗余環(huán)網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)上的主、從交換機(jī)相連接匹配。將每個(gè)站點(diǎn)的控制器主、控制器從對(duì)應(yīng)地接入到交換機(jī)主、從中，交換機(jī)所對(duì)應(yīng)的三個(gè)控制系統(tǒng)中的主、從控制器以及操作電腦分別接入到兩路光纖環(huán)網(wǎng)中，使其形成雙光纖環(huán)網(wǎng)，并與控制器、操作電腦的實(shí)現(xiàn)對(duì)接冗余。

在完成雙光纖環(huán)網(wǎng)的升級(jí)改造后，對(duì)整個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重新梳理后發(fā)現(xiàn)，其中在4#交換機(jī)所處網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上，雖然安裝了交換機(jī)，但此節(jié)點(diǎn)只起到了光纖通路的作用，沒有任何設(shè)備和數(shù)據(jù)的接入（此交換機(jī)中之前接入了2臺(tái)操作電腦，后因人員集中管理，將其移至1#交換機(jī)處），如果仍保留這個(gè)交換機(jī)節(jié)點(diǎn)，就整套系統(tǒng)來說，增加了一個(gè)故障點(diǎn)，通過光纖熔接，將此交換機(jī)摘除，既不影響整個(gè)光纖網(wǎng)絡(luò)的正常使用，同時(shí)還減少了故障點(diǎn)，節(jié)省了設(shè)備資源。

圖1 運(yùn)礦系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

2 遠(yuǎn)端現(xiàn)場總線設(shè)備的冗余通訊

在物料運(yùn)輸系統(tǒng)中，每條皮帶的頭部、中部、尾部都有現(xiàn)場總線箱，其中安裝著現(xiàn)場總線設(shè)備，用于采集皮帶的各類信號(hào)，例如：集中信號(hào)、皮帶運(yùn)行信號(hào)、皮帶電流、急停命令、跑偏信號(hào)、拉繩開關(guān)等，這些現(xiàn)場總線箱因?yàn)橄喔艟嚯x遠(yuǎn)，所以在原設(shè)計(jì)中采用光纖與DP通訊相結(jié)合的方式，組成設(shè)備通訊網(wǎng)，在光纖組成環(huán)網(wǎng)連接的設(shè)備末端，均使用光纖轉(zhuǎn)換器把光纖與DP線進(jìn)行連接，再通過DP線連接各現(xiàn)場總線箱內(nèi)的總線設(shè)備，來進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的采集。原遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)通訊模塊使用的是單路DP線和單路通訊的ABB CI801模件，在實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)常出現(xiàn)當(dāng)線路或通訊模件出現(xiàn)故障后，某個(gè)現(xiàn)場總線箱整體“離線”，其中采集的重要信號(hào)丟失，尤其是皮帶運(yùn)行信號(hào)、皮帶電流信號(hào)，這是程序中判斷皮帶是否正在運(yùn)行的關(guān)鍵信號(hào)，一旦出現(xiàn)總線箱整體“離線”這種故障，程序中會(huì)默認(rèn)為皮帶停止或總線箱出現(xiàn)問題，需要進(jìn)行相關(guān)控制皮帶及其連鎖皮帶的順序停車，為避免這種因設(shè)備問題引起的“誤停車”，保證物料運(yùn)輸系統(tǒng)的整體運(yùn)行穩(wěn)定性，對(duì)現(xiàn)場總線設(shè)備的通訊重新設(shè)計(jì)并進(jìn)行了改造，經(jīng)過多次試驗(yàn)，證明下列設(shè)計(jì)方案可行，并成功應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中：各光纖之間的連接，使用西門子OLM光纖轉(zhuǎn)換器，此設(shè)備可滿足單路光纖構(gòu)成光纖環(huán)網(wǎng)，而此設(shè)備上還有1個(gè)DP接口，這個(gè)DP接口后接入ABB RLM 01模件，它的作用是將單路DP轉(zhuǎn)換為雙路DP的冗余通訊，在ABB RLM 01后面將原單路通訊模件ABB CI801改為雙路通訊模件ABB CI840,使其在通訊線路、通訊設(shè)備上做到了一備一用，互為冗余。

光纖后的DP連接均為單路、單模件，依靠唯一線路保證設(shè)備的通訊，極易出現(xiàn)問題，其穩(wěn)定運(yùn)行周期短，日常點(diǎn)檢無法起到應(yīng)有的作用，只能在出現(xiàn)故障后進(jìn)行應(yīng)急處理。

改造后，從RLM 01模件之后均使用了雙路DP線、雙路冗余通訊模件，可使設(shè)備網(wǎng)絡(luò)末端的通訊模件和DP線纜均處于一用一備狀態(tài)，同時(shí)在光纖轉(zhuǎn)換器OLM與RLM 01間的DP線，都是在現(xiàn)場總線箱內(nèi)部，長度小于1米的線纜，基本不會(huì)出現(xiàn)問題。遠(yuǎn)端設(shè)備的通訊形成了雙路DP和通訊模件，能夠?qū)崿F(xiàn)無擾冗余切換，并且在日常設(shè)備點(diǎn)檢中，只需要檢查冗余設(shè)備和線路的狀態(tài)，就可以保證總線設(shè)備的長周期的正常運(yùn)行，大大減少了因通訊模件和DP線纜故障造成的系統(tǒng)停機(jī)。

3 構(gòu)建通訊監(jiān)視圖

在物料運(yùn)輸系統(tǒng)中，因設(shè)備的距離遠(yuǎn)、跨度大，所以構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)通訊監(jiān)視圖，是實(shí)現(xiàn)設(shè)備統(tǒng)一管理必要手段，它可以實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)中各類設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，備用設(shè)備的情況、報(bào)警信息等，并可做為一站式點(diǎn)檢的主要點(diǎn)檢內(nèi)容。物料運(yùn)輸系統(tǒng)中，所構(gòu)建的通訊監(jiān)視圖分為2級(jí)，第一級(jí)為雙光纖環(huán)網(wǎng)內(nèi)的交換機(jī)、24V電源、RLM 01、冗余控制器、CI840及下掛模件。其中光纖環(huán)網(wǎng)內(nèi)的赫斯曼交換機(jī)將其6針端子排上2、5腳FAULT報(bào)警輸出用線纜連接至所屬系統(tǒng)的模件中，通過程序和畫面形成報(bào)警顯示，當(dāng)沒有故障時(shí)，為常閉點(diǎn)，當(dāng)出現(xiàn)以下故障之一，即輸出故障信號(hào)，成為常開點(diǎn)：1）單路供電；2）2路供電電源中有至少一路電壓低于9.6V；3）內(nèi)部電壓問題造成的交換機(jī)故障；4）任意一個(gè)連接端口狀態(tài)異常（包括光纖接口和網(wǎng)線接口）；5）環(huán)網(wǎng)斷開與恢復(fù)的狀態(tài)切換時(shí)。同樣的原理，設(shè)備的24V電源、RLM 01同樣將其報(bào)警點(diǎn)用線纜接入系統(tǒng)模件內(nèi)，形成畫面顯示。

ABB冗余控制器、CI840及下掛模件的報(bào)警狀態(tài)，是從硬件組態(tài)中拆分出對(duì)應(yīng)變量，通過制作自定義功能塊，將各類狀態(tài)碼引入其中，再由其對(duì)應(yīng)的狀態(tài)碼判斷硬件設(shè)備所處的狀態(tài)。由這些設(shè)備信息組成了圖1所示的運(yùn)礦系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖。

第二級(jí)為P5設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，可點(diǎn)擊運(yùn)礦系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖中的按鈕進(jìn)入，在這級(jí)監(jiān)視圖中，主要接入的設(shè)備狀態(tài)有：光纖轉(zhuǎn)換器、24V電源、RLM 01、CI801、CI840。

其中光纖轉(zhuǎn)換器、24V電源、RLM 01均采用將其報(bào)警點(diǎn)用線纜接入所在遠(yuǎn)程站中的模件，而同樣CI801和CI840采用拆分硬件組態(tài)中的變量，對(duì)應(yīng)形成報(bào)警信息，并做成畫面。各遠(yuǎn)程站的設(shè)備運(yùn)行情況，光纖路由和DP線路一目了然，便于設(shè)備點(diǎn)檢、故障排查和設(shè)備的集中控制。

4 優(yōu)化設(shè)備供電方式

在物料運(yùn)輸系統(tǒng)中，現(xiàn)場安裝了許多現(xiàn)場總線箱，而為了保證現(xiàn)場總線采集設(shè)備的安全，均采用的是24V供電給現(xiàn)場總線箱，這就為現(xiàn)場設(shè)備實(shí)現(xiàn)雙路供電提供了基礎(chǔ)。在原設(shè)計(jì)中，現(xiàn)場總線設(shè)備的供電系統(tǒng)，均使用1段電供給UPS，再由UPS供給現(xiàn)場總線箱內(nèi)安裝的24V電源，由24V電源為現(xiàn)場總線設(shè)備供電。在實(shí)際生產(chǎn)中，因物料運(yùn)輸系統(tǒng)持續(xù)為多座高爐供料，除特殊情況外，基本都保持在持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)中，而現(xiàn)場總線設(shè)備的單路供電，使得日常對(duì)UPS的停電清掃，檢查等工作內(nèi)容無法完成，很多時(shí)候UPS等供電設(shè)備都是“帶病”作業(yè)，為安全生產(chǎn)埋下隱患。通過改造，在現(xiàn)場總線箱加裝了一塊24V電源模件，和一塊24V供電冗余模件，通過再引入另外一路220V的市電線路供電，直接供給現(xiàn)場總線箱內(nèi)的24V電源模件，2塊24V電源模件的輸出接入到24V供電冗余模件中，再由其輸出給總線設(shè)備，這樣其中一路斷電，不會(huì)對(duì)現(xiàn)場總線設(shè)備造成影響。在其中的一些供電線路中，安裝了220V電源的自動(dòng)切換裝置，雖然也是2路220V電供給自動(dòng)切換裝置，尤其完成設(shè)備的供電，但對(duì)于現(xiàn)場總線設(shè)備來說，任何短時(shí)間的斷電再供電，都會(huì)使模件重新上電檢測，直接影響現(xiàn)場設(shè)備的信號(hào)采集，而改造后，不再使用電源自動(dòng)切換裝置，通過加裝24V供電冗余模件后，可保證現(xiàn)場總線設(shè)備24V供電的無擾冗余切換。根據(jù)以上方法，對(duì)所有現(xiàn)場總線設(shè)備的供電線路做了統(tǒng)一改造，改造完成后，可以按UPS使用狀態(tài)，時(shí)間等特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行定時(shí)維護(hù)、檢修，而一旦其中一路供電出現(xiàn)故障，也能夠保證物料運(yùn)輸系統(tǒng)中各現(xiàn)場總線設(shè)備的持續(xù)供電。

5 結(jié)束語

在改造前，高爐物料運(yùn)輸系統(tǒng)因?yàn)楦黝惞收蠈?dǎo)致的設(shè)備停機(jī)頻繁發(fā)生，已嚴(yán)重影響了高爐的正常供料和生產(chǎn)，通過歷時(shí)2個(gè)月的整合優(yōu)化與改造，整套系統(tǒng)已不間斷運(yùn)行了19個(gè)月，整套系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

在工業(yè)以太網(wǎng)中，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽?、穩(wěn)定，是首要任務(wù)，而避免因通訊故障引起設(shè)備不必要的停機(jī)，是我們研究冗余網(wǎng)絡(luò)組成的目的，它可以通過無擾切換、故障檢測與分析，避免網(wǎng)絡(luò)故障的發(fā)生，提高運(yùn)行周期。

在本次升級(jí)改造的應(yīng)用中，在各層次上都進(jìn)行相關(guān)冗余的設(shè)計(jì)，通過雙光纖冗余環(huán)網(wǎng)與對(duì)應(yīng)控制器的連接，實(shí)現(xiàn)了ABB主、從控制器與工業(yè)以太網(wǎng)的完美對(duì)接；同時(shí)對(duì)于范圍廣、跨度大、數(shù)量多的現(xiàn)場總線設(shè)備來說，冗余模式下的通訊結(jié)構(gòu)，更穩(wěn)定，通過日常設(shè)備點(diǎn)檢，只要檢查冗余設(shè)備狀態(tài)，及時(shí)排除冗余設(shè)備故障，就可使整套系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；各類數(shù)據(jù)信號(hào)匯總組成的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控圖，滿足了一站式點(diǎn)檢的需求，使維護(hù)工作省時(shí)省力，效率高；利用24V電源冗余模件對(duì)供電線路的改造，既能滿足現(xiàn)場總線設(shè)備的持續(xù)供電，還可對(duì)供電設(shè)備進(jìn)行周期性的維修、檢查，從根本上保證了系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。