彭恢攀

（福建泉州閩光鋼鐵有限責任公司，福建 泉州 362000）

隨著2025中國制造的推進，我國的工業(yè)系統(tǒng)也在進行裝備和系統(tǒng)的升級，以更高效、更智能、更環(huán)保、更優(yōu)質(zhì)、更低廉的產(chǎn)品來提升國際競爭力，工業(yè)領(lǐng)域朝著縱向高端化、橫向廣域化發(fā)展，對控制系統(tǒng)的安全和可靠有了更高要求。連續(xù)作業(yè)生產(chǎn)線、無人化生產(chǎn)車間等對系統(tǒng)提出了甚至苛刻的需求，這就需要從技術(shù)層面進行升級改造，提升工業(yè)控制系統(tǒng)的可靠性。

1 原產(chǎn)線問題分析

隨著國家的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，冶金行業(yè)實行落后產(chǎn)能清理與退出政策，集團響應(yīng)國家號召，為淘汰落后產(chǎn)能、實現(xiàn)超低排放、保持綠色發(fā)展與可持續(xù)發(fā)展，對產(chǎn)線進行整合升級，得到相關(guān)行政審核，總計投資約60億人民幣，燒結(jié)改造項目為子項目之一。原產(chǎn)線存在問題：1）故障高；2）備件消耗高；3）維檢費用高；4）維檢員工勞動強度大；5）通信系統(tǒng)開放性不足，接口不豐富，數(shù)采效率低；6）通信帶寬不足，無法實現(xiàn)大數(shù)據(jù)應(yīng)用；7）網(wǎng)絡(luò)均為單線網(wǎng)絡(luò)，安全冗余度低。改造升級將解決傳統(tǒng)控制系統(tǒng)各種弊端，規(guī)避傳統(tǒng)技術(shù)所帶來的風險，打造高可靠性工控系統(tǒng)，保障設(shè)備在一個安全、可靠的環(huán)境當中運行，提升企業(yè)制造效率，降低消耗。提供多種豐富接口與高速網(wǎng)絡(luò)滿足未來上層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)訪問，實現(xiàn)不同系統(tǒng)的互通互聯(lián)。

2 技術(shù)支撐

項目所選用的技術(shù)為當前成熟而不失先進的工業(yè)技術(shù)。其中冗余PLC技術(shù)、冗余電源技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)技術(shù)、Profinet環(huán)網(wǎng)技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測技術(shù)等均為當前高可靠性系統(tǒng)優(yōu)先選擇的技術(shù)，將多種可靠性技術(shù)進行融合應(yīng)用是實現(xiàn)高可靠性工業(yè)控制系統(tǒng)的重要手段，具有現(xiàn)實意義。對于冗余電源及PLC的可靠性，將以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)的可靠性、Profinet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普適性、現(xiàn)場總線技術(shù)的成熟性在一套系統(tǒng)內(nèi)部實現(xiàn)有機的統(tǒng)一，是技術(shù)應(yīng)用層面的一次升級。

2.1 冗余PLC技術(shù)

為了建設(shè)高可靠性的系統(tǒng)，所以選擇PLC系統(tǒng)硬冗余方案，采用西門子H系列PLC，真正實現(xiàn)雙機熱備冗余，并能夠無縫切換；PLC主機架上工作電源冗余、通信網(wǎng)絡(luò)冗余、CPU冗余、操作站冗余，實現(xiàn)平穩(wěn)的Master-Resever轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)可以進行容錯運行，避免傳統(tǒng)的單機PLC系統(tǒng)因故障而停機，也避免軟件冗余系統(tǒng)因切換時間太長而造成生產(chǎn)損失。

H系列的PLC其冗余機制和策略完全不需要客戶系統(tǒng)的人工干預(yù)和編程，它的同步功能、用戶程序系統(tǒng)、用戶數(shù)據(jù)系統(tǒng)完全自動的在后臺運行，它的切換以及互備為全自動無擾動控制。冗余PL基本配置如圖1 所示。

圖1 冗余PLC基礎(chǔ)架構(gòu)圖

2.2 冗余電源技術(shù)

當前生產(chǎn)制造系統(tǒng)對設(shè)備的可靠性要求越來越高，在大多數(shù)情況下不允許“網(wǎng)絡(luò)癱瘓”故障，不允許電源瞬間不供電超過20ms以上的“閃斷”，對于供電部分，MTBF參數(shù)是判斷電源設(shè)備設(shè)計選型的重要指標。電源作為控制系統(tǒng)的動力來源其地位舉足輕重，沒有高可靠性的電源保障，要實現(xiàn)系統(tǒng)高可靠性的基礎(chǔ)也就不存在[4]。所以在整個控制系統(tǒng)的設(shè)計及規(guī)劃當中必須有可靠的電源技術(shù)來提供堅實基礎(chǔ)。

該項目方案從2個方面解決電源可靠性問題：1）控制系統(tǒng)所需的AC220V電源采用冗余機制的UPS提供動力源頭。在兩路市電回路增加ATS，首先保障UPS系統(tǒng)供電的可靠性，再結(jié)合帶LBS的冗余UPS系統(tǒng)，實現(xiàn)UPS輸出端的STS毫秒級線路切換，確保在市電單路停電、雙路停電、UPS故障、UPS旁路故障等惡劣環(huán)境下，負載電源的可靠性。冗余UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。2）系統(tǒng)所需的DC24V電源采用帶冗余機制的AC/DC整流電源[5]。其設(shè)計為熱備冗余，冗余模塊具備集成解耦的MOSFET，可以實現(xiàn)1 + 1以及N+1的電源冗余，可以大幅度地節(jié)約投資成本和安裝空間，降低DC24V系統(tǒng)的負載程度，減少施工時間。在配置熱拔插連接器的情況下，能夠在線更換設(shè)備，提高安全關(guān)鍵型系統(tǒng)的可用性。同時具備負載平衡電流的功能，該功能對于采用并行連接的開關(guān)電源之間不平衡負載進行自動補償，同時還可以實現(xiàn)供電電源模塊設(shè)備的溫度平衡，延長設(shè)備的使用壽命，同時提高供電的安全性。當某電源出現(xiàn)故障時，通過其中的冗余模塊對電源進

圖2 冗余UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

行切斷輸出同時投入備用電源，確保DC24V電源系統(tǒng)的可靠運行，冗余DC24V系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 冗余DC24V系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)技術(shù)

以太網(wǎng)環(huán)是一種環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)，由一組兼容的IEEE802.1以太網(wǎng)節(jié)點組成，每節(jié)點與其他2個節(jié)點經(jīng)802.3媒體訪問控制（MAC）的環(huán)端口進行連接，其他服務(wù)層技術(shù)對以太網(wǎng)MAC能夠承載，各節(jié)點之間可直接或間接通訊[1]。以太網(wǎng)環(huán)既是物理的環(huán)形結(jié)構(gòu)，也是一種邏輯結(jié)構(gòu)，流量的轉(zhuǎn)發(fā)按照IEEE802.1規(guī)范，支持點-點、點-多點、多點-多點，也包含了虛擬的專線與專線間不同通信模式，支持單播、廣播以及多播。以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)互連模式包含3種：共享節(jié)點、2個共享節(jié)點構(gòu)成鏈路、以太環(huán)網(wǎng)重疊形成多環(huán)。業(yè)務(wù)及數(shù)據(jù)能實現(xiàn)端到端的傳送[2]。

對網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備進行互聯(lián)時，可互聯(lián)成閉合環(huán)路，很多時候都不是1個閉合環(huán)路，而是可形成多個閉合環(huán)路，任何一個節(jié)點出現(xiàn)故障后，網(wǎng)絡(luò)某處斷開，可通過其他環(huán)路繼續(xù)工作[1]。

2.4 Profinet總線環(huán)網(wǎng)技術(shù)

Profinet總線環(huán)網(wǎng)技術(shù)，是一種新型工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上形成的自動化總線標準，由PROFIBUS國際組織推出[3]。Profinet包含實時以太網(wǎng)、分布式自動化、網(wǎng)絡(luò)安全、運動控制及故障安全等內(nèi)容，為自動化通信領(lǐng)域提供了網(wǎng)絡(luò)解決方案，并且與現(xiàn)有的現(xiàn)場總線技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)能夠完美兼容，它結(jié)合了以太網(wǎng)技術(shù)以及現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)點，實現(xiàn)了快速的數(shù)據(jù)交換以及設(shè)備層面的鏈接和交換。Profinet是一種完整的解決方案，主要涉及8個模塊：實時通信、分布式自動化、過程自動化、分布式現(xiàn)場設(shè)備、IT標準和信息安全、運動控制、網(wǎng)絡(luò)安裝及故障安全。

在現(xiàn)場設(shè)備智能化發(fā)展中，自動化控制系統(tǒng)的分散程度不斷提升。分布式自動化正在逐步取代工業(yè)控制系統(tǒng)中的分散式自動化，所以基于組件的自動化成為發(fā)展的趨勢。工廠中電子電氣部件、機械部件及應(yīng)用軟件等，具備獨立工作能力的模塊，都被抽象為封裝好的組件，Profinet對各組件進行連接。

2.5 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測技術(shù)

在Profinet環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中采用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測設(shè)備，實時對網(wǎng)絡(luò)進行在線監(jiān)測，故障診斷。其監(jiān)測診斷設(shè)備具備以下幾個功能：1）實時列表功能。實時列表能夠持續(xù)不斷地列出所有在線設(shè)備。分別顯示出有效設(shè)備、數(shù)據(jù)交換中的設(shè)備和閑置設(shè)備。2）統(tǒng)計信息功能。數(shù)據(jù)矩陣是分析儀功能最強大的特性。數(shù)據(jù)矩陣分為2個部分，一部分顯示附加信息，另一部分顯示實際的數(shù)據(jù)矩陣。3）柱狀圖功能。顯示各個設(shè)備的循環(huán)周期。4）SNMP 功能。SNMP功能能夠檢測網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，根據(jù)設(shè)備功能的不同，如系統(tǒng)運行時間、系統(tǒng)描述、硬件地址和IP地址等相關(guān)信息會顯示出來。5）拓撲圖功能。能夠在線檢測網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。豐富的監(jiān)測、診斷為總線網(wǎng)絡(luò)的快速運維提供有效手段。

2.6 多環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代化的控制系統(tǒng)當中，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)從最高的ERP、MES、EMS等管理層向下滲透到設(shè)備層。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)帶來的便捷、高效、數(shù)據(jù)互通、數(shù)據(jù)共享充分在控制領(lǐng)域顯現(xiàn)。傳統(tǒng)的光纖網(wǎng)絡(luò)基本以單環(huán)、線性結(jié)構(gòu)以及樹形等結(jié)構(gòu)為主，其網(wǎng)絡(luò)的單一性帶來的網(wǎng)絡(luò)中斷風險較大，現(xiàn)代化的控制系統(tǒng)當中，網(wǎng)絡(luò)作為控制系統(tǒng)的神經(jīng)，對可靠性要求較高。而在控制系統(tǒng)的各階層都采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，使得每個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點的首尾均可以相連，形成1個閉環(huán)，任何一個節(jié)點的故障或者斷路均可以使網(wǎng)絡(luò)的鏈路始終為聯(lián)通狀態(tài)，形成了可靠的網(wǎng)絡(luò)物理鏈路。該項目通過客戶端、工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線環(huán)網(wǎng)，3層高效可靠的環(huán)網(wǎng)來構(gòu)建穩(wěn)定、可靠的冗余網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，燒結(jié)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖4所示。

圖4 燒結(jié)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲

3 結(jié)論

舊系統(tǒng)為單機多環(huán)節(jié)串聯(lián)系統(tǒng)，以小時為基本計算單位，近5年統(tǒng)計結(jié)果顯示平均無故障時間1440h；采用冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計后，系統(tǒng)為串并聯(lián)系統(tǒng)，其無故障時間預(yù)計為4320h，系統(tǒng)已經(jīng)投用4個月后統(tǒng)計顯示故障時間為0，其安全可靠性得到基本驗證。

舊系統(tǒng)平均每年6次故障，每次故障恢復(fù)時間約2.5h；新系統(tǒng)投用后預(yù)計可以做到每年2次故障，每次故障恢復(fù)時間約2.0h。年故障時間減少11h。企業(yè)年產(chǎn)值約110億人民幣，平均每小時產(chǎn)值125.6萬，11h的停機時間會造成直接產(chǎn)值損失1381.2萬。采用前文所述的各種冗余技術(shù)融合的系統(tǒng)較傳統(tǒng)單機系統(tǒng)投資約增加150~200萬，但其帶來的直接收益和邊際效益較大。并且因系統(tǒng)的故障停機會增加生產(chǎn)線的物料、能源、備件、人力等浪費，推高產(chǎn)品成本。提高系統(tǒng)的可靠性所需的投入是非常有意義的，有良好的經(jīng)濟和社會效益，它的投入為公司的發(fā)展和經(jīng)營從系統(tǒng)層面提供了有力支撐。