寶鋼熱處理爐自動(dòng)控制與冗余系統(tǒng)的應(yīng)用研究

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(duì)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(gè)爐子全部由世界著名熱處理爐設(shè)計(jì)公司——德國(guó) LOI公司設(shè)計(jì)。

2 熱處理爐電氣控制功能簡(jiǎn)述

熱處理爐電氣控制功能如下。

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

2)長(zhǎng)度測(cè)量與鋼板定位。鋼板結(jié)束對(duì)中后將被測(cè)量長(zhǎng)度并開(kāi)始定位跟蹤。長(zhǎng)度測(cè)量裝置由6個(gè)檢測(cè)光柵組成,光柵觸發(fā)鋼板頭部跟蹤并計(jì)算鋼板長(zhǎng)度。長(zhǎng)度測(cè)量值與上級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)下傳的長(zhǎng)度進(jìn)行對(duì)比,操作人員根據(jù)對(duì)比結(jié)果確定是否要“裝鋼”。此后,PLC將對(duì)“裝鋼”鋼板進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)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(zhǎng)度,以及爐子溫度,單塊鋼板受溫時(shí)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(dòng)調(diào)整并優(yōu)化鋼板間隙。

4)傳動(dòng)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(gè)輥?zhàn)踊虺山M輥道的啟動(dòng)、停止以及變頻速度控制。

5)爐門(mén)開(kāi)啟,關(guān)閉控制。爐子加料門(mén)和卸料門(mén)可以在3個(gè)位置上運(yùn)動(dòng):①關(guān)門(mén)(通常的位置);②工作位置(加料或卸料位置);③門(mén)開(kāi)(用于維修時(shí),全面打開(kāi))。所有的門(mén)都配有3個(gè)限位開(kāi)關(guān)來(lái)確保爐門(mén)到達(dá)準(zhǔn)確的位置。爐門(mén)的機(jī)械裝置配置壓縮氣體系統(tǒng),以使?fàn)t門(mén)緊密關(guān)閉。當(dāng)加料門(mén)和卸料門(mén)打開(kāi)時(shí),氮?dú)饬鲉?dòng)以防大氣進(jìn)入爐內(nèi)。

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

7)與WINCC人機(jī)交互畫(huà)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(dòng)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(dòng)化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖。在自動(dòng)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(shí)無(wú)擾動(dòng)自動(dòng)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(shí)其中的一套正常運(yùn)行并主導(dǎo)過(guò)程控制,稱(chēng)為主系統(tǒng);另一套PLC正常運(yùn)行時(shí)不斷與主系統(tǒng)存儲(chǔ)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(guò)光纜連接該同步化子模板完成2個(gè)中央處理器之間的物理連接。另外,CPU 的“0”“1”屬性可通過(guò)該同步化模板設(shè)定。

與2塊CPU同時(shí)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(duì)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(xiě)入過(guò)程數(shù)據(jù)并相互檢查。因?yàn)?塊CPU用戶程序完全相同,2個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理完全一致。

CPU0或CPU1通過(guò)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(xiě)各個(gè)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(gè)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(hào)爐的子站主要包括4個(gè)ET200站,4個(gè)DP從站以及近250個(gè)的變頻傳動(dòng)控制站。在冗余系統(tǒng)工作時(shí),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(dòng)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(dòng)過(guò)程是2塊CPU狀態(tài)變化的過(guò)程。假設(shè)首先將用戶程序下載到CPU0中并啟動(dòng)CPU0,則按順序2塊CPU會(huì)經(jīng)歷如下過(guò)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(dòng)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(dòng)完成之后,處于RUN狀態(tài),執(zhí)行用戶程序。而沒(méi)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?tīng)顟B(tài)。備用CPU拷貝主CPU數(shù)據(jù)(包括輸入、輸出、計(jì)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(gè)CPU都處于RUN狀態(tài),并同時(shí)處理用戶程序。

熱處理爐自動(dòng)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(shí),主備CPU都可以訪問(wèn)SWITCH I/O。但是,在任一時(shí)刻,冗余系統(tǒng)只在一個(gè)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(hào)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(jì)軟件WINCC 6.1。

在編寫(xiě)用戶程序中,普通S7-400系統(tǒng)設(shè)計(jì)和編程的規(guī)則同樣適用于S7-400H。相對(duì)于一般S7-400,S7-400H則多了一些提供冗余功能的專(zhuān)用模塊,如順序塊SFC90等。用戶程序以相同的形式存貯在兩個(gè)中央處理器中并且同時(shí)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(dòng)運(yùn)行并且全部采用后臺(tái)操作方式,在用戶程序中完全沒(méi)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(shí)間的延長(zhǎng),S7-400H提供一些專(zhuān)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(dòng)和自動(dòng)任意切換。2臺(tái)服務(wù)器作為兩個(gè)站點(diǎn)互相獨(dú)立,每臺(tái)服務(wù)器內(nèi)都安裝西門(mén)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(guò)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(tái)WINCC服務(wù)器之間通訊采用TCP/IP協(xié)議。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)服務(wù)器互相監(jiān)控,能及早識(shí)別故障伙伴服務(wù)器,并通過(guò)過(guò)程消息指出故障服務(wù)器。

如果一臺(tái)服務(wù)器發(fā)生故障,另一臺(tái)服務(wù)器將繼續(xù)讀取PLC過(guò)程數(shù)據(jù)和消息并保證數(shù)據(jù)的完整性。與此同時(shí),在操作室的客戶機(jī)將自動(dòng)在較短的時(shí)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(tái)將繼續(xù)正常使用。

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

3.4 變頻傳動(dòng)控制系統(tǒng)的冗余應(yīng)用

2號(hào)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(dòng)控制系統(tǒng)采用西門(mén)子6SE70系列書(shū)本型變頻器,一臺(tái)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(shí)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(shí)間超過(guò)設(shè)定時(shí)間時(shí)(比如主CPU有故障時(shí)),另一條鏈路立即起作用。

圖4 變頻傳動(dòng)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(bào)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(guò)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(duì)應(yīng)連接量為K3001～K3016,第 2塊 CBP對(duì)應(yīng)連接量為K8001～K8016。變頻器中監(jiān)視2個(gè)通訊鏈路的狀態(tài)、輸出通訊錯(cuò)誤并將錯(cuò)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(cuò)誤時(shí),變頻器自動(dòng)將參數(shù)設(shè)定源設(shè)置為第2塊 CBP對(duì)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(gè)系統(tǒng)的通訊鏈路都有問(wèn)題時(shí),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(shí)保證爐輥在高溫下能夠連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),通訊報(bào)警將被屏蔽從而確保變頻器不會(huì)因?yàn)閳?bào)錯(cuò)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(jì)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(kāi)始運(yùn)行(t=0)到某時(shí)刻t這段時(shí)間內(nèi)能正常運(yùn)行的概率。失效率表示為λ,是指單位時(shí)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(shí)間的平均值稱(chēng)為平均無(wú)故障時(shí)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(shí),該回路系統(tǒng)可靠性為

系統(tǒng)平均無(wú)故障時(shí)間為

當(dāng)系統(tǒng)為冗余模式時(shí),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(wú)故障時(shí)間為

計(jì)算表明,當(dāng)變頻器可靠性取為PLC系統(tǒng)可靠性的一半時(shí),冗余系統(tǒng)控制下,變頻器工作可靠性為單個(gè)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(guò)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(huì)越來(lái)越成熟,可靠性也會(huì)越來(lái)越高。在過(guò)程控制要求逐步提高的未來(lái),冗余技術(shù)將扮演更加重要的角色。

[1]SIEMENS.自動(dòng)化系統(tǒng)S7-400H容錯(cuò)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(dòng)化,2003(5):95-96.