RH精煉爐集成監(jiān)控系統(tǒng)中的冗余設(shè)計及應(yīng)用

摘 要：本文首先簡要介紹了RH精煉爐的處理過程及對安全性的要求，然后設(shè)計出了集成監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并針對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的三個層次中的冗余技術(shù)及具體實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了詳細(xì)說明，最后結(jié)合具體應(yīng)用實(shí)踐，給出了系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：冗余系統(tǒng)；PLC；通訊；計算機(jī)監(jiān)控；過程控制系統(tǒng)；通訊鏈路

中圖分類號：TP393.02

RH（真空循環(huán)脫氣）鋼水精煉爐主要是對轉(zhuǎn)爐、LF爐出鋼后的鋼水進(jìn)行脫氣、脫碳、成分控制和溫度調(diào)整等處理，從而提高鋼水品質(zhì)的處理過程。隨著我國對鋼鐵產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整，對低耗能，高品質(zhì)鋼的需求急劇增加，RH精煉爐則是實(shí)現(xiàn)該要求的重要生產(chǎn)設(shè)備。

RH處理中，鋼水的冶金化學(xué)反應(yīng)是在砌有耐火襯的真空槽內(nèi)進(jìn)行。真空槽下部是兩個帶耐火襯的浸漬管。當(dāng)真空槽抽空時，鋼水表面的大氣壓力迫使鋼水從浸漬管流入真空槽內(nèi)。與真空槽連通的兩個浸漬管，一個為上升管，一個為下降管。由于上升管不斷向鋼液吹入提升氣體，相對下降管產(chǎn)生了一個較高的靜壓差，使鋼水從上升管進(jìn)入并通過真空槽流向下降管，如此不斷循環(huán)反復(fù)。在真空狀態(tài)下，流經(jīng)真空槽鋼水中的氬氣、氫氣、一氧化碳等氣體在鋼液循環(huán)過程中被抽走，同時，進(jìn)入真空槽的鋼水還進(jìn)行一系列的冶金反應(yīng)，如碳氧反應(yīng)等，通過循環(huán)脫氣精煉，使鋼液得到凈化。

1 RH集成監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計要求

RH處理過程是過程化極強(qiáng)，有嚴(yán)格時間控制要求，自動化要求高，并且環(huán)境惡劣，涉及到高壓煤氣，惰性氣體等有毒有害介質(zhì)的處理環(huán)境。任何意外都可能導(dǎo)致設(shè)備及人員安全事故?；诒鞠到y(tǒng)的特殊性及安全性要求，要最大限度的保證系統(tǒng)的可靠性，否則會造成重大設(shè)備及人員事故，因此，對RH的集成監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定提出了很高的要求，而冗余設(shè)計顯得十分必要，其在解決系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性，無停機(jī)切換方面起著重要作用，是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)零停機(jī)的主要解決方法。

針對以上要求，RH集成監(jiān)控系統(tǒng)采用分級分層設(shè)計，并且在每層多種環(huán)節(jié)采用冗余設(shè)計，達(dá)到了系統(tǒng)要求。分層設(shè)計保證了各層次之間的相對獨(dú)立和完整性，每層功能異常不影響其它層次的正常運(yùn)行；各層中的冗余設(shè)計最大程度保障了每個層次的安全性。

1.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

集成監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主要包括三層結(jié)構(gòu)：基礎(chǔ)自動化控制層、設(shè)備監(jiān)控層、過程控制層。整個系統(tǒng)要對RH處理中的真空系統(tǒng)，水處理系統(tǒng)，合金系統(tǒng)，預(yù)熱槍系統(tǒng)及頂槍系統(tǒng)等進(jìn)行實(shí)時控制。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

2 冗余設(shè)計在各功能層中的實(shí)現(xiàn)

2.1 基礎(chǔ)自動化控制系統(tǒng)

2.1.1 主要功能

基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)對RH精煉爐生產(chǎn)過程設(shè)備進(jìn)行實(shí)時控制，以完成工藝要求的設(shè)備動作，實(shí)現(xiàn)合格鋼水的產(chǎn)出。主要包括：鋼包臺車控制，測溫取樣裝置控制，真空槽臺車控制，真空槽環(huán)流控制，真空脫氣控制，喂絲攪拌控制，離線烘烤等子系統(tǒng)的控制功能。

2.1.2 冗余配置及應(yīng)用

由于系統(tǒng)功能要求較多，根據(jù)控制要求及設(shè)備負(fù)荷能力均衡計算，系統(tǒng)采用兩套相同的西門子PLC控制系統(tǒng)S7-417H控制器，10多套ET200遠(yuǎn)程站來完成自動化系統(tǒng)的核心控制功能。

S7-417H控制器采用兩套控制器進(jìn)行冗余系統(tǒng)控制功能的實(shí)現(xiàn)，每套冗余S7-417H控制器配置如下圖2所示：

主控制器完成全部的控制功能，兩臺控制器之間使用熱備電纜（光纖）進(jìn)行相互狀態(tài)跟蹤和信息同步，系統(tǒng)中兩個CPU同時工作，CPU切換時間小于100ms。在主控制器發(fā)生故障時，不用人工干預(yù)即可自動切換至備用控制器，此時備用控制器接替主控制器的全部工作，切換時，系統(tǒng)輸出保持，信息、報警及中斷信息不會丟失，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無擾動切換，使整個系統(tǒng)不會發(fā)生停滯。

S7-417H控制器與遠(yuǎn)程站ET200通過冗余Profibus-DP現(xiàn)場總線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，每個ET200子站分別采集各自的現(xiàn)場設(shè)備信號，但不進(jìn)行控制和計算處理。冗余的S7-417H PLC通過最大傳輸速率為12MB/s的Profibus DP現(xiàn)場總線對ET200的信號進(jìn)行采集處理，完成控制功能，并且通過工業(yè)以太網(wǎng)模塊CP443-1與上層監(jiān)控計算機(jī)實(shí)現(xiàn)冗余工業(yè)以太網(wǎng)通訊。

CP443-1通訊模塊是西門子公司S7-400系列PLC中的工業(yè)以太網(wǎng)通訊模塊，其支持TCP/IP、ISO協(xié)議。對于S7-417H系統(tǒng)，為了保證上位機(jī)與PLC通訊的可靠性及冗余配置，對CP443-1只能使用ISO通訊協(xié)議，即使用MAC地址進(jìn)行通訊。通過CP443-1通訊模塊，可使上位監(jiān)控系統(tǒng)和其他PLC系統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備與本冗余控制器建立冗余的工業(yè)以太網(wǎng)通訊連接。正常通訊通道建立在通訊鏈路1上，當(dāng)該同道出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)會自動切換到通訊鏈路2進(jìn)行實(shí)時通訊，對用戶使用來說是透明的，無需干涉。當(dāng)主通訊鏈路回復(fù)后，系統(tǒng)可自動切換到通訊鏈路1進(jìn)行正常通訊功能處理，通訊鏈路2自動進(jìn)入后備狀態(tài)。

采用S7-417H控制器避免由于單個CPU故障造成系統(tǒng)癱瘓，無擾動切換，不會丟失任何信息。同時具有平滑的主從切換，自動事件同步，集成的錯誤識別和錯誤定位功能，操作期間可對系統(tǒng)進(jìn)行修改，下載程序可只考慮單個CPU，程序?qū)⒆詣涌截惖搅硪粋€CPU中，主CPU修復(fù)后自動再投入，熱插拔式模板支持在線更換部件等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)

2.2.1 主要功能

設(shè)備監(jiān)控主要是對RH生產(chǎn)過程及系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，同時完成生產(chǎn)數(shù)據(jù)處理，生產(chǎn)優(yōu)化處理，參數(shù)管理，機(jī)組狀態(tài)設(shè)置，數(shù)據(jù)管理等功能。

監(jiān)控系統(tǒng)主要包括：RH處理工位總貌監(jiān)控，真空系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控，槽臺車走行系統(tǒng)，鋼包走行及鋼包升降監(jiān)控，頂槍運(yùn)行監(jiān)控，預(yù)熱系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控，合金控制，參數(shù)曲線分析，故障報警及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控等。

2.2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

監(jiān)控系統(tǒng)是生產(chǎn)操作人員控制指揮RH設(shè)備按照要求運(yùn)行的重要界面和手段，在設(shè)計上要盡量保證安全、可靠，堅決防止系統(tǒng)死機(jī)。因此，監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計主要從三個方面使用了冗余技術(shù)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，服務(wù)器本體，通訊鏈路。監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示：

監(jiān)控系統(tǒng)選用西門子人機(jī)界面開發(fā)平臺SIMATIC WINCC系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)組監(jiān)控軟件的開發(fā)。HMI系統(tǒng)部署為服務(wù)器/客戶機(jī)（S/C）多用戶系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，HMI SERVER 與現(xiàn)場PLC系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，通過以太網(wǎng)卡CP1613與可編程控制器等設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，同時HMI SERVER負(fù)責(zé)為HMI CLIENT提供數(shù)據(jù)源，HMI SERVER服務(wù)器承擔(dān)主要任務(wù)。

這樣各個客戶端均可互為熱備，互不影響，每一臺客戶機(jī)出現(xiàn)故障，其他任意一臺客戶機(jī)均可代替其工作，形成N：1多重冗余；對服務(wù)器采用雙冗余熱備設(shè)計，兩臺服務(wù)器同時運(yùn)行，互相監(jiān)控對方狀態(tài)。正常工作時，各客戶機(jī)均從主監(jiān)控服務(wù)器上獲得服務(wù)，當(dāng)主監(jiān)控服務(wù)器故障時，各客戶機(jī)會自動全部切換到后備監(jiān)控服務(wù)器上，從后備監(jiān)控服務(wù)器獲取服務(wù)，由于主、后備監(jiān)控服務(wù)器同時運(yùn)行，同步工作，其所提供的服務(wù)內(nèi)容相同，因此客戶及會透明切換，并可在主監(jiān)控服務(wù)器恢復(fù)后自動切回。

對服務(wù)器，采用IBM工業(yè)服務(wù)器，其本身部件具有冗余設(shè)計。系統(tǒng)配置雙冗余電源，可熱插拔風(fēng)扇，選用雙路CPU處理器和帶有冗余糾錯ECC的內(nèi)存RAM，選用可熱插拔更換的冗余磁盤陣列RAID5硬盤，大大減少因硬盤原因引起的停機(jī)；通過對服務(wù)器的可靠性選擇，最大限度保證了服務(wù)器不間斷運(yùn)行的要求。

在服務(wù)器與控制系統(tǒng)的通訊鏈路上采用雙通道冗余設(shè)計，最大限度的保障了監(jiān)控系統(tǒng)通訊的可靠性。當(dāng)鏈路1出現(xiàn)故障時，使用鏈路2進(jìn)行通訊，保證通訊無中斷切換。為了采用冗余通訊鏈路，服務(wù)器與控制系統(tǒng)必須采用雙CP1613通訊網(wǎng)卡，且采用MAC地址進(jìn)行ISO通訊協(xié)議通訊，同時Wincc監(jiān)控軟件必須選用Wincc冗余選項及s7-RedConnect選型。

2.3 過程控制系統(tǒng)

2.3.1 主要功能

過程控制系統(tǒng)是企業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，是企業(yè)信息系統(tǒng)與自動化控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換、信息整合、分解層，起著承上起下的重要作用。主要完成：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理，生產(chǎn)計劃管理，過程處理實(shí)績數(shù)據(jù)收集，過程監(jiān)控與狀態(tài)跟蹤，數(shù)據(jù)通訊處理，用戶管理 ，畫面及報表處理，系統(tǒng)權(quán)限控制，日志跟蹤管理等功能。

2.3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

過程控制系統(tǒng)也采用C/S結(jié)構(gòu)，L2服務(wù)器與監(jiān)控系統(tǒng)的主、后備服務(wù)器同時建立通訊通道，以保障通訊的可靠性。利用監(jiān)控服務(wù)器Wincc Server提供的OPC服務(wù)功能，L2服務(wù)器采用自定義接口，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，響應(yīng)速度可達(dá)到100ms，完全滿足過程控制系統(tǒng)實(shí)時性的數(shù)據(jù)采集、下達(dá)、反饋要求。同時L2服務(wù)器與監(jiān)控服務(wù)器主機(jī)一樣，采用冗余設(shè)計，但配置水平更高。L2服務(wù)器采用雙網(wǎng)卡設(shè)計，分別設(shè)置不同的IP網(wǎng)段，使L2L3的通訊與L2L1的通訊進(jìn)行網(wǎng)段隔離，實(shí)現(xiàn)管控隔離，保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖倏煽?。過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖4所示：

3 結(jié)束語

經(jīng)過對RH精煉爐的集成控制系統(tǒng)的高可靠性要求分析，考慮了控制及監(jiān)控系統(tǒng)中容易出現(xiàn)故障的環(huán)節(jié)，系統(tǒng)從以上三個層次上采用了多種冗余技術(shù)，大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，平均無故障時間（MBTF）得到延長，有效減少故障停機(jī)時間。此結(jié)構(gòu)設(shè)計方案在萊鋼1#RH精煉爐監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用，系統(tǒng)投運(yùn)以來，設(shè)備運(yùn)行安全，穩(wěn)定可靠，為企業(yè)提高設(shè)備利用率，提高生產(chǎn)效率提供了有力的保障。本系統(tǒng)是一套全方位的冗余集成監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用，對系統(tǒng)可靠性及安全性要求高的其他相關(guān)行業(yè)和應(yīng)用場合具有很高的參考價值。

參考文獻(xiàn)：

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[3]菜方偉.PLC冗余技術(shù)在高可靠性控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電氣傳動，1999，3.

作者簡介：韓俊峰（1974-），男，陜西省西安市人，本科，高級工程師，研究方向：工業(yè)設(shè)備信息化控制及集成監(jiān)控；焦悅（1978-），男，陜西省西安市人，本科，高級工程師，研究方向：冶金工業(yè)設(shè)備自動化控制及集成監(jiān)控；佟冰（1969-），女，陜西省西安市人，研究生，教授，研究方向：冶金工業(yè)設(shè)備自動化控制及集成監(jiān)控；曹永恒（1979-），男，陜西省西安市人，本科，高級工程師，研究方向：工業(yè)設(shè)備信息化控制及集成監(jiān)控；楊文峰（1980-），男，陜西省西安市人，本科，高級工程師，研究方向：工業(yè)設(shè)備信息化控制及集成監(jiān)控。

作者單位：中國重型機(jī)械研究院股份公司，西安 710032