大型高爐物料運輸系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)資源整合與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

河鋼集團宣鋼機電公司 張婭楠

0 引言

物料運輸系統(tǒng)中，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會引起整系統(tǒng)的設(shè)備停機，尤其對于高爐的生產(chǎn)來說，物料供應(yīng)的中斷，就意味著停產(chǎn)。河鋼宣鋼大型高爐的運礦自動控制系統(tǒng)中有42條皮帶均使用連鎖控制，只要其中一條皮帶出現(xiàn)故障停止運行，就會從來料方向?qū)λ衅нM行順序停車，在實現(xiàn)集中控制后要使設(shè)備實現(xiàn)運行穩(wěn)定，需要穩(wěn)定的信號通訊，因為一旦通訊時信號丟失，程序中就會認為皮帶已停止運行，引起連鎖停機，這就對物料運輸系統(tǒng)中的三個過程站間的光纖網(wǎng)絡(luò)通訊質(zhì)量提出了很高的要求，原單路光纖環(huán)網(wǎng)已經(jīng)不能滿足正常生產(chǎn)的使用要求，需要將其升級為雙光纖冗余環(huán)網(wǎng)，并與三套系統(tǒng)的冗余控制器共同形成帶自愈功能的冗余通訊系統(tǒng)，再進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其更穩(wěn)定；而在設(shè)備的集中控制方面，三套系統(tǒng)中很多冗余設(shè)備的運行狀態(tài)沒有實現(xiàn)實時的監(jiān)控，冗余設(shè)備出現(xiàn)故障，需要靠人工點檢才能發(fā)現(xiàn)，而點檢路線遠，點檢周期長，會導(dǎo)致冗余設(shè)備停止工作后無法第一時間發(fā)現(xiàn)并解決，為設(shè)備正常運行埋下隱患，所有構(gòu)建一套實時監(jiān)測系統(tǒng)，也是十分必要的。

1 通訊網(wǎng)絡(luò)的整合與優(yōu)化

原物料運輸系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)，采用單光纖環(huán)網(wǎng)進行第一級的外層通訊，現(xiàn)場總線設(shè)備所構(gòu)成的第二級通訊網(wǎng)絡(luò)則采用ABB的CI801單路通訊模件進行數(shù)據(jù)的采集，當(dāng)有網(wǎng)絡(luò)故障發(fā)生，通訊設(shè)備無冗余備用，直接影響系統(tǒng)的各類數(shù)據(jù)傳輸，影響程序中關(guān)于信號的識別，引起整系統(tǒng)的設(shè)備停機，需要將第一級外層通訊網(wǎng)絡(luò)改造為雙光纖冗余環(huán)網(wǎng)，再將3套冗余控制系統(tǒng)接入光纖交換機中，實現(xiàn)外層設(shè)備的冗余通訊。在現(xiàn)場設(shè)備附近，分散著大量以現(xiàn)場總線設(shè)備為采集終端的現(xiàn)場總線箱，同樣以光纖作為通訊線路，將光纖接入西門子OLM光纖轉(zhuǎn)換器，再連接ABB RLM 01冗余分配模件，最后通過ABB CI840冗余通訊模件，連接相關(guān)子模件，實現(xiàn)了終端現(xiàn)場總線設(shè)備的冗余通訊，形成了第二級冗余網(wǎng)絡(luò)。

在原赫斯曼交換機組成的單光纖環(huán)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，用復(fù)制的方法，配置第二條光纖環(huán)網(wǎng)，在同樣的節(jié)點，增加同樣的光纖交換機；將3#交換機主、3#交換機從的DIP開關(guān)中的RM選擇為ON，使其成為環(huán)網(wǎng)管理機，它的功能是在光纖環(huán)網(wǎng)中自動阻斷其中一路光纖通訊，避免其成環(huán)，影響通訊，而當(dāng)環(huán)網(wǎng)管理機在檢測到另外一路光纖斷路后，自動開放阻斷的那一路，重新形成通訊通路。

在2路獨立的光纖環(huán)網(wǎng)配置完成之后，開始進行它們之間的耦合：在1#交換機主、1#交換機從上，通過交換機上的DIP開關(guān)設(shè)置：STAND BY選擇ON，將此交換機設(shè)置為兩路光纖的耦合點，通過交叉網(wǎng)線將其聯(lián)通，使其成為2路光纖環(huán)網(wǎng)的耦合節(jié)點，耦合點起到了聯(lián)通連個光纖環(huán)網(wǎng)的目的，完成其耦合也是為了下一步分配控制器工作做準(zhǔn)備。

針對ABB控制器的冗余特點，即：每套控制系統(tǒng)都有主、從兩個控制器，可實現(xiàn)冗余無擾切換，正好可以同雙光纖冗余環(huán)網(wǎng)中節(jié)點上的主、從交換機相連接匹配。將每個站點的控制器主、控制器從對應(yīng)地接入到交換機主、從中，交換機所對應(yīng)的三個控制系統(tǒng)中的主、從控制器以及操作電腦分別接入到兩路光纖環(huán)網(wǎng)中，使其形成雙光纖環(huán)網(wǎng)，并與控制器、操作電腦的實現(xiàn)對接冗余。

在完成雙光纖環(huán)網(wǎng)的升級改造后，對整個通訊網(wǎng)絡(luò)進行重新梳理后發(fā)現(xiàn)，其中在4#交換機所處網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上，雖然安裝了交換機，但此節(jié)點只起到了光纖通路的作用，沒有任何設(shè)備和數(shù)據(jù)的接入（此交換機中之前接入了2臺操作電腦，后因人員集中管理，將其移至1#交換機處），如果仍保留這個交換機節(jié)點，就整套系統(tǒng)來說，增加了一個故障點，通過光纖熔接，將此交換機摘除，既不影響整個光纖網(wǎng)絡(luò)的正常使用，同時還減少了故障點，節(jié)省了設(shè)備資源。

圖1 運礦系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

2 遠端現(xiàn)場總線設(shè)備的冗余通訊

在物料運輸系統(tǒng)中，每條皮帶的頭部、中部、尾部都有現(xiàn)場總線箱，其中安裝著現(xiàn)場總線設(shè)備，用于采集皮帶的各類信號，例如：集中信號、皮帶運行信號、皮帶電流、急停命令、跑偏信號、拉繩開關(guān)等，這些現(xiàn)場總線箱因為相隔距離遠，所以在原設(shè)計中采用光纖與DP通訊相結(jié)合的方式，組成設(shè)備通訊網(wǎng)，在光纖組成環(huán)網(wǎng)連接的設(shè)備末端，均使用光纖轉(zhuǎn)換器把光纖與DP線進行連接，再通過DP線連接各現(xiàn)場總線箱內(nèi)的總線設(shè)備，來進行各種數(shù)據(jù)的采集。原遠端的數(shù)據(jù)通訊模塊使用的是單路DP線和單路通訊的ABB CI801模件，在實際生產(chǎn)中，經(jīng)常出現(xiàn)當(dāng)線路或通訊模件出現(xiàn)故障后，某個現(xiàn)場總線箱整體“離線”，其中采集的重要信號丟失，尤其是皮帶運行信號、皮帶電流信號，這是程序中判斷皮帶是否正在運行的關(guān)鍵信號，一旦出現(xiàn)總線箱整體“離線”這種故障，程序中會默認為皮帶停止或總線箱出現(xiàn)問題，需要進行相關(guān)控制皮帶及其連鎖皮帶的順序停車，為避免這種因設(shè)備問題引起的“誤停車”，保證物料運輸系統(tǒng)的整體運行穩(wěn)定性，對現(xiàn)場總線設(shè)備的通訊重新設(shè)計并進行了改造，經(jīng)過多次試驗，證明下列設(shè)計方案可行，并成功應(yīng)用于實際生產(chǎn)中：各光纖之間的連接，使用西門子OLM光纖轉(zhuǎn)換器，此設(shè)備可滿足單路光纖構(gòu)成光纖環(huán)網(wǎng)，而此設(shè)備上還有1個DP接口，這個DP接口后接入ABB RLM 01模件，它的作用是將單路DP轉(zhuǎn)換為雙路DP的冗余通訊，在ABB RLM 01后面將原單路通訊模件ABB CI801改為雙路通訊模件ABB CI840,使其在通訊線路、通訊設(shè)備上做到了一備一用，互為冗余。

光纖后的DP連接均為單路、單模件，依靠唯一線路保證設(shè)備的通訊，極易出現(xiàn)問題，其穩(wěn)定運行周期短，日常點檢無法起到應(yīng)有的作用，只能在出現(xiàn)故障后進行應(yīng)急處理。

改造后，從RLM 01模件之后均使用了雙路DP線、雙路冗余通訊模件，可使設(shè)備網(wǎng)絡(luò)末端的通訊模件和DP線纜均處于一用一備狀態(tài)，同時在光纖轉(zhuǎn)換器OLM與RLM 01間的DP線，都是在現(xiàn)場總線箱內(nèi)部，長度小于1米的線纜，基本不會出現(xiàn)問題。遠端設(shè)備的通訊形成了雙路DP和通訊模件，能夠?qū)崿F(xiàn)無擾冗余切換，并且在日常設(shè)備點檢中，只需要檢查冗余設(shè)備和線路的狀態(tài)，就可以保證總線設(shè)備的長周期的正常運行，大大減少了因通訊模件和DP線纜故障造成的系統(tǒng)停機。

3 構(gòu)建通訊監(jiān)視圖

在物料運輸系統(tǒng)中，因設(shè)備的距離遠、跨度大，所以構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)通訊監(jiān)視圖，是實現(xiàn)設(shè)備統(tǒng)一管理必要手段，它可以實時監(jiān)測系統(tǒng)中各類設(shè)備的運行狀態(tài)，備用設(shè)備的情況、報警信息等，并可做為一站式點檢的主要點檢內(nèi)容。物料運輸系統(tǒng)中，所構(gòu)建的通訊監(jiān)視圖分為2級，第一級為雙光纖環(huán)網(wǎng)內(nèi)的交換機、24V電源、RLM 01、冗余控制器、CI840及下掛模件。其中光纖環(huán)網(wǎng)內(nèi)的赫斯曼交換機將其6針端子排上2、5腳FAULT報警輸出用線纜連接至所屬系統(tǒng)的模件中，通過程序和畫面形成報警顯示，當(dāng)沒有故障時，為常閉點，當(dāng)出現(xiàn)以下故障之一，即輸出故障信號，成為常開點：1）單路供電；2）2路供電電源中有至少一路電壓低于9.6V；3）內(nèi)部電壓問題造成的交換機故障；4）任意一個連接端口狀態(tài)異常（包括光纖接口和網(wǎng)線接口）；5）環(huán)網(wǎng)斷開與恢復(fù)的狀態(tài)切換時。同樣的原理，設(shè)備的24V電源、RLM 01同樣將其報警點用線纜接入系統(tǒng)模件內(nèi)，形成畫面顯示。

ABB冗余控制器、CI840及下掛模件的報警狀態(tài)，是從硬件組態(tài)中拆分出對應(yīng)變量，通過制作自定義功能塊，將各類狀態(tài)碼引入其中，再由其對應(yīng)的狀態(tài)碼判斷硬件設(shè)備所處的狀態(tài)。由這些設(shè)備信息組成了圖1所示的運礦系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖。

第二級為P5設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，可點擊運礦系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖中的按鈕進入，在這級監(jiān)視圖中，主要接入的設(shè)備狀態(tài)有：光纖轉(zhuǎn)換器、24V電源、RLM 01、CI801、CI840。

其中光纖轉(zhuǎn)換器、24V電源、RLM 01均采用將其報警點用線纜接入所在遠程站中的模件，而同樣CI801和CI840采用拆分硬件組態(tài)中的變量，對應(yīng)形成報警信息，并做成畫面。各遠程站的設(shè)備運行情況，光纖路由和DP線路一目了然，便于設(shè)備點檢、故障排查和設(shè)備的集中控制。

4 優(yōu)化設(shè)備供電方式

在物料運輸系統(tǒng)中，現(xiàn)場安裝了許多現(xiàn)場總線箱，而為了保證現(xiàn)場總線采集設(shè)備的安全，均采用的是24V供電給現(xiàn)場總線箱，這就為現(xiàn)場設(shè)備實現(xiàn)雙路供電提供了基礎(chǔ)。在原設(shè)計中，現(xiàn)場總線設(shè)備的供電系統(tǒng)，均使用1段電供給UPS，再由UPS供給現(xiàn)場總線箱內(nèi)安裝的24V電源，由24V電源為現(xiàn)場總線設(shè)備供電。在實際生產(chǎn)中，因物料運輸系統(tǒng)持續(xù)為多座高爐供料，除特殊情況外，基本都保持在持續(xù)運轉(zhuǎn)中，而現(xiàn)場總線設(shè)備的單路供電，使得日常對UPS的停電清掃，檢查等工作內(nèi)容無法完成，很多時候UPS等供電設(shè)備都是“帶病”作業(yè)，為安全生產(chǎn)埋下隱患。通過改造，在現(xiàn)場總線箱加裝了一塊24V電源模件，和一塊24V供電冗余模件，通過再引入另外一路220V的市電線路供電，直接供給現(xiàn)場總線箱內(nèi)的24V電源模件，2塊24V電源模件的輸出接入到24V供電冗余模件中，再由其輸出給總線設(shè)備，這樣其中一路斷電，不會對現(xiàn)場總線設(shè)備造成影響。在其中的一些供電線路中，安裝了220V電源的自動切換裝置，雖然也是2路220V電供給自動切換裝置，尤其完成設(shè)備的供電，但對于現(xiàn)場總線設(shè)備來說，任何短時間的斷電再供電，都會使模件重新上電檢測，直接影響現(xiàn)場設(shè)備的信號采集，而改造后，不再使用電源自動切換裝置，通過加裝24V供電冗余模件后，可保證現(xiàn)場總線設(shè)備24V供電的無擾冗余切換。根據(jù)以上方法，對所有現(xiàn)場總線設(shè)備的供電線路做了統(tǒng)一改造，改造完成后，可以按UPS使用狀態(tài)，時間等特點，對其進行定時維護、檢修，而一旦其中一路供電出現(xiàn)故障，也能夠保證物料運輸系統(tǒng)中各現(xiàn)場總線設(shè)備的持續(xù)供電。

5 結(jié)束語

在改造前，高爐物料運輸系統(tǒng)因為各類故障導(dǎo)致的設(shè)備停機頻繁發(fā)生，已嚴(yán)重影響了高爐的正常供料和生產(chǎn)，通過歷時2個月的整合優(yōu)化與改造，整套系統(tǒng)已不間斷運行了19個月，整套系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

在工業(yè)以太網(wǎng)中，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽?、穩(wěn)定，是首要任務(wù)，而避免因通訊故障引起設(shè)備不必要的停機，是我們研究冗余網(wǎng)絡(luò)組成的目的，它可以通過無擾切換、故障檢測與分析，避免網(wǎng)絡(luò)故障的發(fā)生，提高運行周期。

在本次升級改造的應(yīng)用中，在各層次上都進行相關(guān)冗余的設(shè)計，通過雙光纖冗余環(huán)網(wǎng)與對應(yīng)控制器的連接，實現(xiàn)了ABB主、從控制器與工業(yè)以太網(wǎng)的完美對接；同時對于范圍廣、跨度大、數(shù)量多的現(xiàn)場總線設(shè)備來說，冗余模式下的通訊結(jié)構(gòu)，更穩(wěn)定，通過日常設(shè)備點檢，只要檢查冗余設(shè)備狀態(tài)，及時排除冗余設(shè)備故障，就可使整套系統(tǒng)穩(wěn)定運行；各類數(shù)據(jù)信號匯總組成的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控圖，滿足了一站式點檢的需求，使維護工作省時省力，效率高；利用24V電源冗余模件對供電線路的改造，既能滿足現(xiàn)場總線設(shè)備的持續(xù)供電，還可對供電設(shè)備進行周期性的維修、檢查，從根本上保證了系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運行。