選煤廠自動(dòng)化系統(tǒng)升級(jí)改造

張 林

（永煤集團(tuán)順和煤礦，永城 476600）

順和煤礦是永煤集團(tuán)在河南省商丘市永城投資建設(shè)的第5座現(xiàn)代化礦井，始建于2011年，于2012年12月調(diào)試完成交付使用?，F(xiàn)階段該自動(dòng)化系統(tǒng)難以滿足礦井需求，存在諸多問題。在信息化時(shí)代下，順和煤礦選煤廠始終堅(jiān)持提升設(shè)備機(jī)械化、自動(dòng)化及智能化水平，推廣應(yīng)用新技術(shù)、新工藝和新設(shè)備，以降低職工勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)。因此，文章將重點(diǎn)闡述對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的升級(jí)改造。

1 選煤廠現(xiàn)有控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

順和洗煤廠采用Rockwell的ControlLogix控制系統(tǒng)與FactoryTalk上位機(jī)操作系統(tǒng)，形成了一個(gè)集EtherNet、DeviceNet和Modbus網(wǎng)絡(luò)的相對(duì)完善的控制系統(tǒng)，完成了對(duì)整個(gè)選煤廠的配電系統(tǒng)的控制及監(jiān)視、機(jī)電設(shè)備的控制及運(yùn)行監(jiān)視、各種開關(guān)量及模擬量的報(bào)警、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)記錄、發(fā)展趨勢(shì)以及報(bào)表生成等。

選煤廠現(xiàn)有控制系統(tǒng)的上位機(jī)操作系統(tǒng)采用分布式布局。它包括1個(gè)噴淋系統(tǒng)工程師站、1個(gè)選煤系統(tǒng)工程師站、1個(gè)壓濾系統(tǒng)上位機(jī)、1個(gè)E3上位機(jī)、2個(gè)集控操作員站、2個(gè)皮帶秤及灰分儀系統(tǒng)（需要單獨(dú)成立系統(tǒng)，不在此次上位機(jī)改造系統(tǒng)中）[1]?，F(xiàn)場(chǎng)的可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳至集控室的上位機(jī)。

2 系統(tǒng)存在的問題

2.1 集控中心監(jiān)控系統(tǒng)面臨的問題

集控中心監(jiān)控系統(tǒng)目前主要面臨5個(gè)問題。第一，Windows XP工控機(jī)升級(jí)遇到驅(qū)動(dòng)不支持，只能升級(jí)到Windows 7，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的上位機(jī)軟件需要重新開發(fā)。第二，工控機(jī)系統(tǒng)損壞。上位機(jī)運(yùn)行軟件無法恢復(fù)至停機(jī)前狀態(tài)，導(dǎo)致工藝參數(shù)需要重新調(diào)整。第三，工控機(jī)更換需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間安裝操作系統(tǒng)、編程軟件、上位機(jī)開發(fā)軟件、上位機(jī)運(yùn)行軟件以及Office軟件，且安裝軟件后涉及軟件授權(quán)和激活問題。第四，工控機(jī)硬件故障。由于電子器件升級(jí)而無法買到備件，需要將原硬件升級(jí)到當(dāng)前的主流配置，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)升級(jí)到Windows 10，導(dǎo)致原系統(tǒng)和上位機(jī)軟件無法運(yùn)行。第五，現(xiàn)場(chǎng)存在多個(gè)系統(tǒng)，如洗選、壓濾、除塵及水處理等系統(tǒng)，需要整合這幾個(gè)系統(tǒng)，存在數(shù)據(jù)無法及時(shí)共享的問題[2]。

2.2 PLC控制系統(tǒng)面臨的問題

PLC控制系統(tǒng)涉及5大子系統(tǒng)，因此采用分布式輸入/輸出（Input/Output，I/O）布局。中央處理器（Central Processing Unit，CPU）位于原煤倉車間的PLC機(jī)架上，各遠(yuǎn)程分站通過交換機(jī)的光纖環(huán)網(wǎng)通信。

PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行目前主要面臨以下4個(gè)問題。第一，目前全廠控制系統(tǒng)采用單機(jī)CPU，當(dāng)CPU發(fā)生故障時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)將無法正常運(yùn)行，會(huì)影響全廠的正常生產(chǎn)。第二，CPU自身內(nèi)存容量為4.0 MB，目前已經(jīng)使用3.5 MB。對(duì)目前系統(tǒng)I/O容量而言，運(yùn)行內(nèi)存不足，偶爾出現(xiàn)CPU死機(jī)現(xiàn)象，容易造成系統(tǒng)停機(jī)。另外，考慮今后系統(tǒng)擴(kuò)容問題，目前CPU已無法滿足系統(tǒng)要求。第三，由于CPU機(jī)架采用單一網(wǎng)絡(luò)模塊與I/O層和監(jiān)控層設(shè)備進(jìn)行通信，一旦該模塊出現(xiàn)故障或者網(wǎng)絡(luò)鏈路出現(xiàn)故障，會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)存在停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。第四，電動(dòng)機(jī)保護(hù)采用E3plus（智能馬達(dá)保護(hù)器），通過DeviceNet網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視電機(jī)的各項(xiàng)電流和診斷參數(shù)等。此產(chǎn)品已淘汰，而新產(chǎn)品是E300（智能馬達(dá)保護(hù)器），主要包括DeviceNet、EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃及組態(tài)。但是，上位機(jī)軟件版本較低，無法滿足新產(chǎn)品的通信要求[3]。

3 升級(jí)改造方案

3.1 集控中心監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)

為了解決工控機(jī)硬件升級(jí)帶來的原有軟件不兼容問題，將洗煤廠多個(gè)上位機(jī)整合到一個(gè)系統(tǒng)，最大限度地降低現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)難度，現(xiàn)擬升級(jí)改造原有的6臺(tái)獨(dú)立上位機(jī)工控機(jī)。本次改造計(jì)劃使用一款全集成、可預(yù)配置及可預(yù)測(cè)試的超融合架構(gòu)的工業(yè)私有云（Industrial Private Clouds，IPC）平臺(tái)，支持微軟Hyper-V虛擬機(jī)和WitLinc WiP2V軟件，實(shí)現(xiàn)一體化的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（Internet Technology，IT）與操作技術(shù)（Operation Technology，OT）的融合[4]。通過WL-820B-A存儲(chǔ)虛擬化ASAN，能夠使存儲(chǔ)容量隨著集群節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多而增大，同時(shí)實(shí)現(xiàn)性能的疊加、彈性擴(kuò)展、服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）以及集中管理功能，可以更快、更好、更簡(jiǎn)單地為各種工業(yè)控制負(fù)載提供數(shù)據(jù)保障，見圖1。

圖1 升級(jí)后的工業(yè)數(shù)據(jù)中心方案

3.2 PLC系統(tǒng)升級(jí)

為了解決單CPU故障對(duì)全廠生產(chǎn)造成的巨大影響，現(xiàn)計(jì)劃升級(jí)CPU，由原來的單CPU升級(jí)為冗余CPU，無須變更下位機(jī)I/O模塊，可較小改動(dòng)程序，達(dá)到冗余目的。單CPU與升級(jí)冗余后CPU的對(duì)比。當(dāng)可用性為99.9%、可能停機(jī)時(shí)間為8.760 h時(shí)，為標(biāo)準(zhǔn)的CPU；當(dāng)可用性為99.999%、可能停機(jī)時(shí)間為0.088 h時(shí)，為冗余的CPU。

單CPU每年因CPU造成的停機(jī)時(shí)間為8.76 h，升級(jí)到冗余CPU后，每年因CPU造成的系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間縮短至約5.28 min（即0.088 h）。

原系統(tǒng)CPU的點(diǎn)數(shù)較多，升級(jí)到冗余系統(tǒng)后，需要處理器內(nèi)存有足夠余量，可以存儲(chǔ)2倍的標(biāo)簽數(shù)據(jù)和2倍的I/O內(nèi)存。

4 升級(jí)后工業(yè)數(shù)據(jù)中心功能和特點(diǎn)

4.1 硬件部分

工業(yè)數(shù)據(jù)中心在緊湊型機(jī)箱內(nèi)可配置3～64個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，并配置相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點(diǎn)、電源節(jié)點(diǎn)和安全節(jié)點(diǎn)。

4.1.1 計(jì)算節(jié)點(diǎn)主機(jī)

Intel Xeon Processor系列CPU，主機(jī)配備32～256 GB物理內(nèi)存，存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)為8～24盤位工業(yè)存儲(chǔ)，并支持工業(yè)級(jí)熱插拔磁盤。硬盤標(biāo)配8～128 TB，可擴(kuò)展。

4.1.2 計(jì)算節(jié)點(diǎn)集成的千兆WiNet網(wǎng)卡

計(jì)算節(jié)點(diǎn)集成的千兆WiNet網(wǎng)卡，可自動(dòng)識(shí)別Modbus TCP、S7 Net、EtherNet、網(wǎng)際互連協(xié)議（Internet Protocol，IP）以及對(duì)象鏈接與嵌入的過程控制（Object Linking and Embedding for Process Control，OPL）等工業(yè)通信協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)交換節(jié)點(diǎn)配備2～4臺(tái)高性能可堆疊工業(yè)級(jí)交換機(jī)，同時(shí)電源節(jié)點(diǎn)配備最小3 kVA容量不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）和電池組。

4.2 軟件部分

工業(yè)數(shù)據(jù)中心軟件部分包括虛擬化平臺(tái)、Web管理頁面、多系統(tǒng)畫面切換、統(tǒng)一報(bào)警信息提醒、統(tǒng)一數(shù)據(jù)連接接口、子系統(tǒng)操作記錄查詢以及關(guān)鍵歷史數(shù)據(jù)查詢等內(nèi)容。

工業(yè)數(shù)據(jù)中心虛擬化平臺(tái)結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求，從虛擬化平臺(tái)底層融入適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的元素，從而有效保證工業(yè)生產(chǎn)業(yè)務(wù)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行[5]。

4.2.1 工業(yè)數(shù)據(jù)對(duì)內(nèi)存的作用

全新的工業(yè)數(shù)據(jù)中心可以提供更廣泛的設(shè)備支持方法，如對(duì)大容量?jī)?nèi)存的支持和提升安全性，并能夠承載更多的虛擬機(jī)運(yùn)行實(shí)例。

4.2.2 對(duì)工業(yè)環(huán)境的操作系統(tǒng)支持

為了更好地滿足工廠現(xiàn)有的IT環(huán)境和未來的IT發(fā)展趨勢(shì)，廣泛支持在虛擬化環(huán)境中同時(shí)運(yùn)行不同類型的操作系統(tǒng)，包括32位和64位的多種不同服務(wù)器平臺(tái)操作系統(tǒng)，如Windows 2000、Windows XP、Windows 7、Windows Server以及Linux等操作系統(tǒng)。

4.2.3 對(duì)稱多處理器支持

以對(duì)稱多處理器（Symmetrical Multi-Processing，SMP）為工業(yè)服務(wù)器，在一個(gè)虛擬機(jī)環(huán)境中最多支持64個(gè)虛擬處理器，具有感受多線程應(yīng)用程序的性能優(yōu)勢(shì)。

4.2.4 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡

全新的虛擬交換功能可用簡(jiǎn)單的方法配置運(yùn)行Windows網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡（Network Load Balancing，NLB）服務(wù)，以均衡不同服務(wù)器多個(gè)虛擬機(jī)的負(fù)載。

4.2.5 高可用性

數(shù)據(jù)中心包括可與故障轉(zhuǎn)移群集配合使用的增強(qiáng)特性，以確保在Windows虛擬化運(yùn)行的虛擬機(jī)具有高可用性。與故障轉(zhuǎn)移群集使用時(shí)，工業(yè)數(shù)據(jù)中心使得管理員能夠以最少的服務(wù)中斷響應(yīng)計(jì)劃停機(jī)的需求和回應(yīng)意外停機(jī)。具體性能包括不停機(jī)遷移虛擬機(jī)、不停機(jī)遷移虛擬存儲(chǔ)、虛擬機(jī)復(fù)制和網(wǎng)卡組合等功能。

4.3 ControlLogix冗余控制系統(tǒng)

4.3.1 冗余系統(tǒng)的硬件組成

冗余系統(tǒng)的硬件組成由處理器1756-L7x，以太網(wǎng)模塊1756-EN2T、1756-EN2TR、1756-EN2F和1756-EN2TP，冗余模塊1756-RM2和冗余光纖1756-RMC1等組成。

4.3.2 以太網(wǎng)模塊IP地址自動(dòng)切換

與主從以太網(wǎng)模塊的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(Internet Protocol，IP）地址設(shè)置相同，同步后從站IP自動(dòng)加1，人機(jī)接口（Human Machine Interface，HMI）與主站通信的IP地址不變，見圖2。

圖2 以太網(wǎng)模塊IP地址自動(dòng)切換

4.3.3 在線擴(kuò)展和升級(jí)冗余系統(tǒng)

在線擴(kuò)展和升級(jí)冗余系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)冗余系統(tǒng)不停機(jī)、在線添加I/O模塊或者通信模塊、在線刷新固件以及在線升級(jí)硬件模塊。

4.3.4 冗余實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單

實(shí)現(xiàn)冗余系統(tǒng)無須額外編程，無須組態(tài)冗余模塊和從站機(jī)架，自動(dòng)程序交叉加載和同步，不必維護(hù)兩套主從控制器程序等。

5 結(jié)果、經(jīng)濟(jì)及效益分析

通過升級(jí)改造集控中心監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)PLC單機(jī)及冗余系統(tǒng)的自動(dòng)化，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，有利于在生產(chǎn)過程中優(yōu)化工藝參數(shù)和智能操作，提高產(chǎn)品質(zhì)量和工作效率，使得設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)更加便捷，提高設(shè)備使用性能和自動(dòng)化程度，減少設(shè)備安全隱患的發(fā)生，降低員工勞動(dòng)強(qiáng)度，減少人工成本開支，節(jié)約能源，增加煤礦的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各行各業(yè)向著自動(dòng)化和智能化發(fā)展。自動(dòng)化技術(shù)有利于提高企業(yè)的生產(chǎn)、安全、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。升級(jí)改造后的Rockwell的ControlLogix控制系統(tǒng)與FactoryTalk上位機(jī)操作系統(tǒng)，自2021年6月試運(yùn)行至2021年8月正式投入使用以來，性能安全穩(wěn)定，獲得了用戶的一致好評(píng)。