煤化工廠備煤皮帶PLC系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信優(yōu)化

舒春紅

（攀鋼煤化工廠 四川攀枝花）

攀鋼煤化工廠備煤生產(chǎn)系統(tǒng)是該廠原料煤接受和貯存、煤調(diào)濕、配煤和粉碎的重要工序，其中備煤皮帶自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用施耐德昆騰系列CPU控制器組成PLC控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱備煤PLC系統(tǒng)），是整個(gè)備煤生產(chǎn)工序正常生產(chǎn)的關(guān)鍵。

一、備煤PLC系統(tǒng)

以施耐德Unity控制編程平臺(tái)和Citect網(wǎng)絡(luò)控制體系為核心，提供了1個(gè)由計(jì)算機(jī)、以太網(wǎng)、PLC、現(xiàn)場(chǎng)總線、現(xiàn)場(chǎng)在線采集組成的多級(jí)、開(kāi)放、模塊化、實(shí)時(shí)多任務(wù)、集散型、可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用集成工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線、控制總線和高速以太網(wǎng)組成的多層體系結(jié)構(gòu)，整個(gè)PLC網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)主要分為兩層。

1.工業(yè)以太網(wǎng)控制層（圖1）

該層以網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)為中心，采用TCP/IP通信協(xié)議和Internet/Intranet系統(tǒng)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)內(nèi)通信，數(shù)據(jù)吞吐率100Mbps。硬件部分主要是四期集控室安裝的西雅特Citect、Unity軟件的工控機(jī)、服務(wù)器及配套網(wǎng)絡(luò)傳輸線路、數(shù)據(jù)交換設(shè)備，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)控制、通信、顯示及生產(chǎn)管理調(diào)度等功能。

2.PLC控制層

該層以施耐德Unity平臺(tái)為控制核心，將分布在各工序之間的施耐德PLC和集控室監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)相連，實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的高速傳輸。PLC自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和工藝參數(shù)變化，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制。硬件主要是施耐德PLC、光纖中繼器、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)等設(shè)備。根據(jù)工藝流程，全備煤共設(shè)4套施耐德PLC控制系統(tǒng)。

圖1 備煤工業(yè)以太網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)

（1）備煤二期皮帶PLC控制系統(tǒng)（圖1中二期集控室部分）。主要控制3#煤塔、一二期儲(chǔ)煤槽、配煤盤、二系粉碎機(jī)配套的二期皮帶設(shè)備。該站PLC系統(tǒng)由1塊CPU模板控制，分為本地主站和本地分站兩個(gè)底板的設(shè)備，每個(gè)底板帶1塊電源模塊，通過(guò)主站通信模板和子站通信模板之間的同軸電纜連接實(shí)現(xiàn)RIO通信（單通道）連接。該網(wǎng)絡(luò)通信基于輸入/輸出分散式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)S908，最多可配置31個(gè)分散工作站，每個(gè)工作站可支持最多64個(gè)輸入/64輸出字。整個(gè)二期皮帶PLC控制系統(tǒng)通信由以太網(wǎng)通信模塊連接以太網(wǎng)交換機(jī)到上位機(jī)實(shí)現(xiàn)控制，通過(guò)光纖到備煤三期集控室交換機(jī)后實(shí)現(xiàn)與備煤四期集控室計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的通信。

（2）備煤三期皮帶PLC控制系統(tǒng)（圖1中3#電磁站部分）。主要控制3#翻車機(jī)、煤場(chǎng)、三期儲(chǔ)煤槽、配煤盤、一系粉碎機(jī)、4#煤塔配套的皮帶設(shè)備。整個(gè)PLC系統(tǒng)設(shè)備分布在1#電磁站、2#電磁站、3#電磁站（主站）和7#電磁站等4個(gè)電磁站。有1個(gè)本地主站和2個(gè)本地分站，6個(gè)遠(yuǎn)程分站共9塊底板的設(shè)備，每個(gè)底板帶1塊電源模塊。整個(gè)PLC系統(tǒng)由3#電磁站的CPU模塊控制。PLC系統(tǒng)和遠(yuǎn)程站之間的RIO通信由主站（單通道）通信模板，通過(guò)中繼器帶單路光纖電纜串接到各電磁站的子站（單通道）通信模板，實(shí)現(xiàn)主站和各遠(yuǎn)程子站之間的通信。整個(gè)三期PLC控制系統(tǒng)與上位機(jī)的通信由3#站的以太網(wǎng)通信模塊通過(guò)光纖交換機(jī)，接兩路光纖電纜（冗余）到備煤四期集控室的光纖交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)與四期備煤集控室控制系統(tǒng)的通信。

（3）備煤四期皮帶PLC系統(tǒng)（圖1中四期集控室部分）。主要控制4#翻車機(jī)、5#煤塔、四期儲(chǔ)煤槽、預(yù)粉碎機(jī)等設(shè)備的配套皮帶設(shè)備。該P(yáng)LC系統(tǒng)設(shè)備分布四期集控室、預(yù)粉碎機(jī)電磁站、41#電磁站、45#電磁站和B309#電磁站等5處。整個(gè)PLC系統(tǒng)有2個(gè)CPU主站底板、4個(gè)本地分站和6個(gè)遠(yuǎn)程分站共11塊底板的設(shè)備，每個(gè)底板均帶2塊電源模塊（冗余）。四期CPU使用Modicon Quantum Unity熱備系統(tǒng)，兩個(gè)671型CPU（冗余）配置相同硬件和程序，1個(gè)CPU作為主控制器，另1個(gè)即為備用控制器。PLC系統(tǒng)和遠(yuǎn)程站之間的RIO通信由CPU主站的（雙通道）通信模板，分別通過(guò)中繼器后，兩路光纖（冗余）電纜串接到各電磁站的分站（雙通道）通信模板，實(shí)現(xiàn)主站和各個(gè)遠(yuǎn)程分站之間的通信。PLC控制系統(tǒng)與上位機(jī)的通信由兩個(gè)以太網(wǎng)（冗余）通信模塊通過(guò)交換機(jī)接入四期備煤集控室上位機(jī)進(jìn)行控制。

（4）煤調(diào)濕PLC系統(tǒng)（圖1中45#電磁站部分）。主要控制煤調(diào)濕系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)、控制及配套的皮帶設(shè)備。該P(yáng)LC系統(tǒng)同樣是雙CPU熱備系統(tǒng)，兩個(gè)671型CPU（冗余）配置相同硬件和程序，和兩個(gè)本地分站的I/O設(shè)備，每個(gè)底板都有雙電源模塊冗余。PLC控制系統(tǒng)與上位機(jī)的通信由兩根網(wǎng)線通過(guò)以太網(wǎng)通信模塊連通交換機(jī)光纖冗余接入四期備煤集控室上位機(jī)。該站同時(shí)轉(zhuǎn)接B309電磁站四期皮帶的通信光纜。

二、存在問(wèn)題及分析

1.二、三期備煤PLC系統(tǒng)

二、三期PLC系統(tǒng)均為2004-2005年1#、2#焦?fàn)t易地大修時(shí)改造和新建的備煤皮帶PLC控制系統(tǒng)，采取相同設(shè)計(jì)，選用低端CPU（434、534 型 CPU），且 CPU、電源、RIO 通信、以太網(wǎng)通信未進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)。系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性較低。尤其是通信環(huán)節(jié)薄弱，三期PLC系統(tǒng)遠(yuǎn)程分站多，跨度大（兩次跨越鐵路線，3#電磁站至7#電磁站，7#電磁站至煤場(chǎng)2#電磁站），通信距離遠(yuǎn)，通信線路所在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，既有高空也有地下，高危險(xiǎn)、高腐蝕。極易造成通信中斷，影響整個(gè)備煤生產(chǎn)系統(tǒng)及煉焦生產(chǎn)。

2.四期和煤調(diào)濕PLC系統(tǒng)

四期和煤調(diào)濕PLC系統(tǒng)是2007-2008年3#、4#焦?fàn)t易地大修配套新建的PLC集中控制系統(tǒng)。系統(tǒng)配置較新，CPU、電源、RIO通信及以太網(wǎng)通信均進(jìn)行可靠的冗余設(shè)計(jì)，通信距離短，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境相對(duì)較好。安全性較高，運(yùn)行可靠，穩(wěn)定。經(jīng)多年運(yùn)行觀察，未發(fā)現(xiàn)明顯薄弱環(huán)節(jié)。

3.PLC控制系統(tǒng)相互關(guān)系

整個(gè)備煤PLC控制系統(tǒng)，雖然具有獨(dú)立的4套PLC控制系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)通過(guò)不同的生產(chǎn)料線，相互影響，有極強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，任何一套PLC發(fā)生故障，都將影響整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)組織和安排協(xié)調(diào)。因此必須保障備煤PLC系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

三、備煤PLC系統(tǒng)改進(jìn)優(yōu)化

1.二三期PLC系統(tǒng)增加電源和RIO通信冗余

（1）拆除主站和分站底板上的空模塊，增加1塊140CPS11400電源模塊實(shí)現(xiàn)冗余。保證每個(gè)PLC工作站為雙電源供電，提高電源安全性。

（2）將現(xiàn)有單通道主站通信模板（140CRA93100）和子站通信模板（140CRP93100）更換為雙通道主站通信模板（140CRA93200）和子站通信模板（140CRP93200）。將主站和子站通信方式升級(jí)為雙通道方式，提高站間RIO通信可靠性。和四期設(shè)備同型號(hào)，減少備件占用量。

2.三四期PLC控制系統(tǒng)構(gòu)建RIO光纖通信環(huán)網(wǎng)

利用三四期PLC系統(tǒng)RIO通信模板（140CRX93200）間的光纖中繼器（490NRP95400）的光纖冗余功能，將光纖電纜連接成環(huán)網(wǎng)，分別構(gòu)建成三四期RIO光纖通信環(huán)網(wǎng)，提高PLC系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)通信安全，保證設(shè)備可靠運(yùn)行。

（1）構(gòu)建三期PLC系統(tǒng)RIO數(shù)據(jù)通信環(huán)網(wǎng)（圖2），在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增加煤場(chǎng)1#電磁站到 3#電磁站間的RIO通信光纜，沿煤場(chǎng)大皮帶-A113皮帶-A114皮帶-A115皮帶-A121皮帶-3#電磁站鋪設(shè)，長(zhǎng)度約1.5km。

（2）建設(shè)四期PLC系統(tǒng)RIO數(shù)據(jù)通信環(huán)網(wǎng)，需增加四期集控室到B309電磁站光纖電纜兩路，沿5#煤塔周邊皮帶料線鋪設(shè)，長(zhǎng)度約1km。

圖2 RIO站間數(shù)據(jù)通信光纖環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

3.工業(yè)以太網(wǎng)控制層的環(huán)網(wǎng)建設(shè)

將現(xiàn)有二三四期PLC以太網(wǎng)控制層總線分支拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)修改為環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。利用施耐德光纖交換機(jī)（499NOS17100）即可光纖冗余，又可構(gòu)建自愈環(huán)網(wǎng)帶的功能，以光纖為通信介質(zhì)，組建工業(yè)以太網(wǎng)，形成自愈環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（圖3）。當(dāng)環(huán)網(wǎng)發(fā)生1個(gè)光纖斷點(diǎn)時(shí)，施耐德交換機(jī)仍能使網(wǎng)絡(luò)正常工作，保證生產(chǎn)安全。若利用施耐德公司工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)診斷軟件ConneXiumTM還能在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理網(wǎng)絡(luò)故障。

圖3 以太網(wǎng)自愈環(huán)網(wǎng)

攀鋼煤化工廠備煤皮帶PLC系統(tǒng)優(yōu)化后，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定，能夠及時(shí)掌握全系統(tǒng)運(yùn)行工作狀態(tài)。提高設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)化程度，降低了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用，對(duì)生產(chǎn)安全穩(wěn)定起到良好的促進(jìn)作用。