王保飛 李明

摘 要：針對遠(yuǎn)程I/O技術(shù)在安陽鋼鐵股份有限公司第一煉軋廠除塵系統(tǒng)中的應(yīng)用，介紹了遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法及其優(yōu)點(diǎn)。項(xiàng)目采用圖爾克BL67遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)新技術(shù)，從可靠性、經(jīng)濟(jì)性、功能三個(gè)方面與傳統(tǒng)控制方式進(jìn)行了對比，最終證明使用以圖爾克BL67技術(shù)為架構(gòu)的遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)，能夠降低工程造價(jià)，節(jié)約投資，提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靈活性與自動化水平。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程I/O技術(shù);除塵系統(tǒng);PLC;圖爾克

0 引言

當(dāng)前，國家環(huán)保形勢嚴(yán)峻，政策要求日趨嚴(yán)格，2019年8月，生態(tài)環(huán)境部印發(fā)《關(guān)于加強(qiáng)重污染天氣應(yīng)對夯實(shí)應(yīng)急減排措施的指導(dǎo)意見》，對鋼鐵、焦化等15個(gè)行業(yè)實(shí)行A、B、C三級績效分級，明確只有A級企業(yè)才可自主減排。在嚴(yán)峻的環(huán)保形勢下，我廠所處區(qū)域位置敏感，集團(tuán)號召我廠逐步完善環(huán)保系統(tǒng)。遠(yuǎn)程I/O是相對于傳統(tǒng)集中式I/O而言的，以前的控制方式都是控制器直接帶I/O設(shè)備，也就是說I/O設(shè)備常常離控制室很近，比如放在控制室內(nèi)。后來提出的分布式I/O設(shè)備，即將傳統(tǒng)的控制方式分散化，將I/O設(shè)備放到現(xiàn)場，通過現(xiàn)場總線采集信號并傳遞控制命令。我廠的除塵系統(tǒng)主控部分設(shè)置在廠房之外，而許多除塵閥門及移動罩卻在不同的生產(chǎn)車間，離控制中心有數(shù)百米距離。而采用遠(yuǎn)程I/O技術(shù)能夠降低人工成本，提高自動化程度，為后期DCS系統(tǒng)的建立創(chuàng)造條件。

1 I/O網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

本次除塵系統(tǒng)建設(shè)包括兩個(gè)老系統(tǒng)C3、C4，兩個(gè)新系統(tǒng)C1、C2。其中C1為電爐車間廠房除塵系統(tǒng)，C2為1#LF爐及板坯連鑄機(jī)除塵系統(tǒng)，C3為轉(zhuǎn)爐車間廠房除塵系統(tǒng)，C4為2#LF爐及方坯連鑄機(jī)除塵系統(tǒng)。除塵系統(tǒng)還需與生產(chǎn)設(shè)備主體發(fā)生必要通信，故必須將網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)為復(fù)雜的分布式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳拍軡M足要求。

1.1? ? 主網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

第一煉軋廠除塵系統(tǒng)主要服務(wù)于兩套冶煉系統(tǒng)、兩臺連鑄機(jī)及一條軋鋼生產(chǎn)線。其中轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)中的主要自動化系統(tǒng)構(gòu)成為西門子S7-400系列，電爐系統(tǒng)主要為羅克韋爾AB-1756系列，方坯連鑄機(jī)自動化系統(tǒng)主要是西門子S7-300系列，板坯連鑄系統(tǒng)主要是早期的西門子S5系列，軋鋼系統(tǒng)則是PCS7架構(gòu)的自動化控制系統(tǒng)。現(xiàn)場結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，相互之間交換數(shù)據(jù)難度較大。一煉軋主網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖1所示。

1.2? ? I/O環(huán)網(wǎng)構(gòu)建

PLC之間通信、PLC與I/O通信、PLC與外圍設(shè)備通信由獨(dú)立網(wǎng)卡完成。現(xiàn)場總線采用可靠的光纖環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。C1、C2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：

（1）鏈路自動冗余備份，能自動協(xié)商到達(dá)最近節(jié)點(diǎn)的路徑，如果一處線路損壞，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲匦屡渲?，達(dá)到正常網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)只需50 ms。

（2）具有較高的帶寬，環(huán)網(wǎng)傳輸帶寬為100 Mb/s，同時(shí)采用新的多數(shù)據(jù)處理技術(shù)，使得網(wǎng)絡(luò)在重負(fù)荷情況下仍能保持很高的帶寬。

（3）可靠性高，環(huán)型結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)仍能自行重構(gòu)，保證系統(tǒng)安全可靠，同時(shí)傳輸光纖對電磁和射頻干擾具有抑制能力，在傳輸過程中不受電磁和射頻噪聲的影響，也不影響其他設(shè)備。由于光纖傳輸?shù)氖枪庑盘?，兩端的電源相對隔離，所以有效消除了光纖兩端電源和地線對設(shè)備可能造成的嚴(yán)重威脅。

2 圖爾克技術(shù)

作為傳感器、現(xiàn)場總線、接插件、接口技術(shù)及人機(jī)界面（HMI）和RFID系統(tǒng)領(lǐng)域的專家，圖爾克為工廠及過程自動化提供高效的解決方案。圖爾克憑借先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備，可以快速而靈活地應(yīng)對各種現(xiàn)場需求。因此，選擇使用其中的BL67模塊化現(xiàn)場總線I/O系統(tǒng)。

BL67系列產(chǎn)品是為實(shí)現(xiàn)IP67解決方案而專門設(shè)計(jì)，不必再將產(chǎn)品安裝于隔離的機(jī)柜內(nèi)。BL67采用開放式、模塊化設(shè)計(jì)，充分體現(xiàn)了可靈活擴(kuò)展的特點(diǎn)。BL67網(wǎng)關(guān)使得I/O模塊獨(dú)立于所使用的總線類型，支持PROFINET、Ethernet/IP、Modbus TCP、PROFIBUS-DP、CANopen和DeviceNetTM等協(xié)議。BL67系列電子模塊支持熱插拔，方便在運(yùn)行過程中更換模塊。該網(wǎng)關(guān)支持?jǐn)?shù)字量、模擬量、溫度、RS232、SSI、CANopen接口等。通過選擇不同的底板可選擇M8、M12、M23或7/8"連接器，形式多種多樣，為復(fù)雜現(xiàn)場提供了設(shè)計(jì)選型上的便利。

2.1? ? 西門子PROFINET I/O

在以西門子自動化設(shè)備為主的除塵系統(tǒng)中現(xiàn)場遠(yuǎn)程I/O可以兩種方式組態(tài)。第一種方式以Modbus TCP通信協(xié)議將遠(yuǎn)程I/O站組態(tài)至WinCC當(dāng)中，第二種方式可將遠(yuǎn)程I/O站組態(tài)至西門子自動化系統(tǒng)中作為PROFINET I/O站存在。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，選用了圖爾克公司的BL67-GW-EN網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)具備IP67的防護(hù)等級，多協(xié)議支持，如Modbus TCP、EtherNet/IP和PROFINET。

2.2? ? 羅克韋爾AB Ethernet/IP I/O

在以羅克韋爾AB自動化設(shè)備為主的除塵系統(tǒng)中，BL67-GW-EN網(wǎng)關(guān)能夠支持羅克韋爾AB的EtherNet/IP，并且此款網(wǎng)關(guān)支持EtherNet/IP的網(wǎng)絡(luò)快速連接（faststartup）功能。在羅克韋爾AB的ControlLogix系統(tǒng)下進(jìn)行組態(tài)與刪除并不用重啟系統(tǒng)，這對于現(xiàn)場的調(diào)試來說提供了很大的便利。

3 遠(yuǎn)程I/O技術(shù)與傳統(tǒng)方式對比

遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)與傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制相比，具有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，抗干擾、易診斷，施工成本低，具有較強(qiáng)的功能擴(kuò)展空間。

3.1? ? 可靠性對比

采用圖爾克的BL67系列產(chǎn)品，對環(huán)境溫度來講可以達(dá)到-40～70 ℃，其防護(hù)等級達(dá)到IP67防塵防水，在一般的惡劣環(huán)境下都能夠適應(yīng)。由于現(xiàn)場設(shè)備的I/O信號檢測點(diǎn)距離集中控制中心較遠(yuǎn)，不但電纜用量很大，而且路徑周邊環(huán)境復(fù)雜，在較長的信號傳輸過程中非常容易受到現(xiàn)場強(qiáng)電的電磁干擾，嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行。采用遠(yuǎn)程I/O技術(shù)，各種信號可接入就近的I/O站點(diǎn)，由I/O遠(yuǎn)程站通過光纜直接將信號傳輸至集中控制中心，完全避免了線路中的強(qiáng)電磁干擾。遠(yuǎn)程I/O為以太網(wǎng)數(shù)字化傳輸，擁有系統(tǒng)自診斷功能及較強(qiáng)的組態(tài)能力，運(yùn)行維護(hù)簡單方便，為將來功能擴(kuò)展提供了便利。

3.2? ? 經(jīng)濟(jì)性對比

對于PLC系統(tǒng)來說，集中控制與分散I/O控制，在信號通道點(diǎn)數(shù)確定的情況下設(shè)備采購費(fèi)用并無太大差別。但傳統(tǒng)方案需要的電纜數(shù)量巨大，每個(gè)信號需要2芯1.5 mm2信號電纜，然而遠(yuǎn)程I/O技術(shù)只需要一根光纜及相應(yīng)的光電交換機(jī)即可，所需電纜可忽略不計(jì)。傳統(tǒng)方案信號線路徑中的橋架管線以及相關(guān)的土建施工等費(fèi)用更是無法估量，距離越長，站點(diǎn)越多，采用遠(yuǎn)程I/O技術(shù)節(jié)約的資金量越大，綜合經(jīng)濟(jì)效應(yīng)顯著。

3.3? ? 功能性對比

工業(yè)級的現(xiàn)場總線必須符合國家標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò) 現(xiàn)場總線規(guī)范 類型23：CC-Link IE規(guī)范》（GB/T 33537.1～3—2017），因此在國標(biāo)下構(gòu)建現(xiàn)場總線，只要符合該標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線產(chǎn)品，都能夠?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)提供支持，從而可以將不同廠商的自動化系統(tǒng)集成在一個(gè)總線控制系統(tǒng)中，結(jié)合不同廠家的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的自動化程度、執(zhí)行效率及穩(wěn)定性。

現(xiàn)場總線方式對于施工及土建要求極低，完全可以消除因?yàn)镮/O信號電纜長度較長、環(huán)境較差而產(chǎn)生的信息孤島，甚至可以采用一些較為穩(wěn)定的工業(yè)無線技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)。

4 結(jié)語

一煉軋除塵系統(tǒng)中應(yīng)用的現(xiàn)場總線方案及圖爾克BL67的高防護(hù)等級遠(yuǎn)程技術(shù)，能明顯降低工程造價(jià)，節(jié)約投資，提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與自動化水平，減少大量土建施工，加快工程進(jìn)度，并有效節(jié)約整個(gè)系統(tǒng)的整體聯(lián)動調(diào)試時(shí)間，對整個(gè)基建工程有著實(shí)質(zhì)性的意義。遠(yuǎn)程I/O技術(shù)在經(jīng)濟(jì)性、可靠性及功能擴(kuò)展方面皆有出色表現(xiàn)，必將成為自動化建設(shè)的主流。

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收稿日期：2021-04-13

作者簡介：王保飛（1981—），男，河南安陽人，電氣工程師，研究方向：電氣自動化。