郭喜鵬，張 濤

（酒鋼集團(tuán)甘肅東興鋁業(yè)有限公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

引言

在鋁電解企業(yè)，整流供電系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行是企業(yè)連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)的前提，而整流供電控制系統(tǒng)是整流供電系統(tǒng)的核心。傳統(tǒng)的整流控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)均采用非冗余PLC控制技術(shù)，當(dāng)CPU、I/O模塊、電源模塊等器件出現(xiàn)故障時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致整流供電系統(tǒng)停運(yùn)，對(duì)電解鋁企業(yè)的連續(xù)生產(chǎn)和自備電網(wǎng)的安全運(yùn)行將產(chǎn)生較大的威脅。本文以某電解鋁企業(yè)整流控制系統(tǒng)優(yōu)化升級(jí)為背景，詳細(xì)介紹基于AB ControlLogix的PLC冗余技術(shù)在鋁電解整流供電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，建立控制PLC故障容錯(cuò)響應(yīng)機(jī)制，提高整流供電控制系統(tǒng)可靠性，確保鋁電解企業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

1 鋁電解整流供電控制系統(tǒng)概述

鋁電解企業(yè)整流供電系統(tǒng)有多臺(tái)整流機(jī)組構(gòu)成，采用晶閘管整流裝置，其整流供電控制系統(tǒng)主要由主站總調(diào)控制系統(tǒng)、子站機(jī)組控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)三個(gè)部分組成?？傉{(diào)PLC控制系統(tǒng)主要由總調(diào)PLC構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)單系列總調(diào)方式下直流電流的給定操作、系列運(yùn)行信息的采集和保護(hù)、執(zhí)行電網(wǎng)安全穩(wěn)定裝置壓（切）負(fù)荷指令、與N臺(tái)機(jī)組穩(wěn)流控制PLC間的控制信息交互等功能。機(jī)組PLC穩(wěn)流控制系統(tǒng)由穩(wěn)流控制PLC、晶閘管數(shù)字穩(wěn)流控制器、人機(jī)界面、模擬量采集模塊等組成，主要實(shí)現(xiàn)單臺(tái)整流器運(yùn)行信息采集，單臺(tái)機(jī)組工藝保護(hù)，直流電流給定、直流隔離刀、有載調(diào)壓開關(guān)檔位操作等功能。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)整流設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)的測(cè)量、控制，運(yùn)行信息記錄和打印輸出功能。

2 整流供電控制系統(tǒng)非冗余PLC在運(yùn)行中存在的主要問題

2.1 總調(diào)控制PLC故障重啟引起單系列全停

整流供電控制系統(tǒng)正常在總調(diào)方式下運(yùn)行，即N臺(tái)機(jī)組PLC控制系統(tǒng)按照總調(diào)PLC控制系統(tǒng)的指令執(zhí)行。當(dāng)總調(diào)PLC控制系統(tǒng)發(fā)生工作電源丟失、CPU故障重啟、I/O模塊故障等異常時(shí)，總調(diào)PLC控制系統(tǒng)停止工作，故障重啟后程序初始化，N臺(tái)整流機(jī)組給定電流“回零”，造成單系列全停，鋁電解生產(chǎn)中斷，影響企業(yè)電網(wǎng)的正常運(yùn)行和公司正常生產(chǎn)秩序。

2.2 總調(diào)控制PLC故障造成電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)無法調(diào)節(jié)電解鋁負(fù)荷

電解鋁負(fù)荷是企業(yè)電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)中重要負(fù)荷。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生異常時(shí)，電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制裝置向電解鋁總調(diào)控制PLC發(fā)出電解鋁負(fù)荷控制指令，總調(diào)控制PLC接受到控制命令后，向各整流機(jī)組穩(wěn)流控制PLC發(fā)出壓（切）負(fù)荷指令。當(dāng)總調(diào)控制PLC故障時(shí)，無法接受到電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制裝置的壓（切）負(fù)荷指令，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 整流供電控制系統(tǒng)中總調(diào)PLC冗余控制方案的實(shí)現(xiàn)

為防止整流控制系統(tǒng)故障造成鋁電解生產(chǎn)停滯，建立總調(diào)PLC控制系統(tǒng)故障容錯(cuò)響應(yīng)機(jī)制，對(duì)整流控制系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備采取冗余配置的方式確保其可靠性。將原來的主站總調(diào)ControlLogix 1768系列PLC升級(jí)為ControLogix 1756系列熱備冗余控制系統(tǒng)，提升整流PLC控制系統(tǒng)可靠性。

3.1 主站總調(diào)PLC硬件冗余配置

主站總調(diào)PLC控制系統(tǒng)采用ControlLogix 1756系列硬件冗余方式，該方式無需額外的程序編輯，即可實(shí)現(xiàn)PLC冗余。主站總調(diào)PLC控制系統(tǒng)配置兩套CPU機(jī)架和分布式I/O機(jī)架組成，兩個(gè)CPU機(jī)架件硬組態(tài)完全一致。

1）主站CPU機(jī)架主要由獨(dú)立的電源模塊1756-PA72、控制器1756-L71、冗余模塊1756-RM2、單口以太網(wǎng)模塊1756-EN2T和雙口以太網(wǎng)模塊1756-EN2TR等組成。兩套CPU機(jī)架的冗余模塊通過冗余光纖連接，實(shí)現(xiàn)冗余狀態(tài)監(jiān)測(cè)和信息交互。為保障CPU供電可靠性，兩個(gè)CPU機(jī)架的電源采用獨(dú)立的UPS電源。

2）分布式IO機(jī)架由2個(gè)冗余電源模塊1756-PA75R、1個(gè)冗余電源適配器1756-PSCA2和輸入輸出模塊組成。2個(gè)冗余電源模塊也采用獨(dú)立的UPS電源，提高供電可靠性。

3.2 子站機(jī)組控制PLC配置優(yōu)化

原子站1768系列PLC硬件大部分無需改動(dòng)，唯一的變動(dòng)是把原1768-CNBR模塊替換成1768-ENBT模塊，每個(gè)子站都新增了一個(gè)1783-ETAP環(huán)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的優(yōu)化。

軟件方面需升級(jí)控制器的固件版本，保證和主站控制器版本一致，并對(duì)消費(fèi)者標(biāo)簽連接的控制器進(jìn)線重新定義。

3.3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化升級(jí)

為使整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更加便于管理和維護(hù)，將整流控制系統(tǒng)通訊方式全部采用以太網(wǎng)通訊，分成兩個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)段控制層和信息層。

3.3.1 控制層

總站總調(diào)控制系統(tǒng)和子站機(jī)組控制系統(tǒng)通訊方式由傳統(tǒng)ControlNet網(wǎng)絡(luò)升級(jí)為EtherNet/IP網(wǎng)，主站和子站系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換方式采用消費(fèi)者模式?？傉{(diào)PLC控制系統(tǒng)和分布式I/O子站以及各機(jī)組控制系統(tǒng)采用以太網(wǎng)DLR設(shè)備環(huán)網(wǎng)通訊。DLR設(shè)備環(huán)網(wǎng)能保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)故障，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能夠正常工作，網(wǎng)絡(luò)通訊速率由原來5 Mbit/s提高至100 Mbit/s，提高了控制網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行可靠性[1]。

3.3.2 信息層

在總調(diào)PLC控制系統(tǒng)和機(jī)組PLC控制系統(tǒng)分別增加一個(gè)以太網(wǎng)模塊，與上位機(jī)進(jìn)行通訊。

4 可靠性分析

4.1 控制器冗余實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換

ContolLogix熱備冗余控制系統(tǒng)的兩個(gè)控制器為“主—從”關(guān)系。兩套CPU機(jī)架分別為主機(jī)架和從機(jī)架，正常情況下由主機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)，從機(jī)保持與主機(jī)通訊，監(jiān)控主機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。若主機(jī)架發(fā)生電源丟失、控制器故障、拔插模塊、模塊故障和控制網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，冗余系統(tǒng)會(huì)將控制權(quán)從主機(jī)架自動(dòng)快速切換至從機(jī)架，從機(jī)立即運(yùn)行切換程序。將控制權(quán)轉(zhuǎn)到從機(jī)，切換時(shí)間最快可達(dá)20 ms，實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換[2]。而當(dāng)故障CPU機(jī)架恢復(fù)之后，則自動(dòng)轉(zhuǎn)為從機(jī)熱備運(yùn)行。

4.2 電源冗余提高系統(tǒng)可靠性

電源是確保PLC控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的源動(dòng)力，一旦PLC的電源突然掉電就會(huì)造成控制系統(tǒng)停運(yùn)，影響較大。一是主、從機(jī)架的電源冗余，主、從機(jī)架分別引接來自不同段的獨(dú)立UPS電源，控制系統(tǒng)工作電源可靠性大大提高。二是分布式I/O機(jī)架的電源冗余，I/O機(jī)架由兩個(gè)電源模塊供電，兩個(gè)電源模塊電源也引接獨(dú)立的UPS電源，在任一電源或電源模塊故障時(shí)，切換到另一個(gè)電源，繼續(xù)為I/O機(jī)架供電，保證I/O機(jī)架可靠運(yùn)行。

4.3 控制層環(huán)網(wǎng)，提高控制網(wǎng)絡(luò)可靠性

主站總調(diào)控制PLC的主從機(jī)架、分布式I/O機(jī)架和N臺(tái)子站機(jī)組控制PLC構(gòu)成以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中發(fā)生一點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中斷，整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)層仍能夠可靠工作。

5 結(jié)語

鋁電解生產(chǎn)工藝對(duì)整流供電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性要求高，通過對(duì)整流控制系統(tǒng)總調(diào)PLC硬件冗余配置和電源冗余優(yōu)化，可以有效降低整控制系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，保障整流供電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，充分發(fā)揮自動(dòng)控制裝置在鋁電解整流供電系統(tǒng)中的作用。