高可靠工業(yè)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

彭恢攀

（福建泉州閩光鋼鐵有限責(zé)任公司，福建 泉州 362000）

隨著2025中國(guó)制造的推進(jìn)，我國(guó)的工業(yè)系統(tǒng)也在進(jìn)行裝備和系統(tǒng)的升級(jí)，以更高效、更智能、更環(huán)保、更優(yōu)質(zhì)、更低廉的產(chǎn)品來(lái)提升國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，工業(yè)領(lǐng)域朝著縱向高端化、橫向廣域化發(fā)展，對(duì)控制系統(tǒng)的安全和可靠有了更高要求。連續(xù)作業(yè)生產(chǎn)線、無(wú)人化生產(chǎn)車(chē)間等對(duì)系統(tǒng)提出了甚至苛刻的需求，這就需要從技術(shù)層面進(jìn)行升級(jí)改造，提升工業(yè)控制系統(tǒng)的可靠性。

1 原產(chǎn)線問(wèn)題分析

隨著國(guó)家的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，冶金行業(yè)實(shí)行落后產(chǎn)能清理與退出政策，集團(tuán)響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，為淘汰落后產(chǎn)能、實(shí)現(xiàn)超低排放、保持綠色發(fā)展與可持續(xù)發(fā)展，對(duì)產(chǎn)線進(jìn)行整合升級(jí)，得到相關(guān)行政審核，總計(jì)投資約60億人民幣，燒結(jié)改造項(xiàng)目為子項(xiàng)目之一。原產(chǎn)線存在問(wèn)題：1）故障高；2）備件消耗高；3）維檢費(fèi)用高；4）維檢員工勞動(dòng)強(qiáng)度大；5）通信系統(tǒng)開(kāi)放性不足，接口不豐富，數(shù)采效率低；6）通信帶寬不足，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)應(yīng)用；7）網(wǎng)絡(luò)均為單線網(wǎng)絡(luò)，安全冗余度低。改造升級(jí)將解決傳統(tǒng)控制系統(tǒng)各種弊端，規(guī)避傳統(tǒng)技術(shù)所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，打造高可靠性工控系統(tǒng)，保障設(shè)備在一個(gè)安全、可靠的環(huán)境當(dāng)中運(yùn)行，提升企業(yè)制造效率，降低消耗。提供多種豐富接口與高速網(wǎng)絡(luò)滿足未來(lái)上層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)的互通互聯(lián)。

2 技術(shù)支撐

項(xiàng)目所選用的技術(shù)為當(dāng)前成熟而不失先進(jìn)的工業(yè)技術(shù)。其中冗余PLC技術(shù)、冗余電源技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)技術(shù)、Profinet環(huán)網(wǎng)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)技術(shù)等均為當(dāng)前高可靠性系統(tǒng)優(yōu)先選擇的技術(shù)，將多種可靠性技術(shù)進(jìn)行融合應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)高可靠性工業(yè)控制系統(tǒng)的重要手段，具有現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)于冗余電源及PLC的可靠性，將以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)的可靠性、Profinet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普適性、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的成熟性在一套系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)有機(jī)的統(tǒng)一，是技術(shù)應(yīng)用層面的一次升級(jí)。

2.1 冗余PLC技術(shù)

為了建設(shè)高可靠性的系統(tǒng)，所以選擇PLC系統(tǒng)硬冗余方案，采用西門(mén)子H系列PLC，真正實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備冗余，并能夠無(wú)縫切換；PLC主機(jī)架上工作電源冗余、通信網(wǎng)絡(luò)冗余、CPU冗余、操作站冗余，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的Master-Resever轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)可以進(jìn)行容錯(cuò)運(yùn)行，避免傳統(tǒng)的單機(jī)PLC系統(tǒng)因故障而停機(jī)，也避免軟件冗余系統(tǒng)因切換時(shí)間太長(zhǎng)而造成生產(chǎn)損失。

H系列的PLC其冗余機(jī)制和策略完全不需要客戶(hù)系統(tǒng)的人工干預(yù)和編程，它的同步功能、用戶(hù)程序系統(tǒng)、用戶(hù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)完全自動(dòng)的在后臺(tái)運(yùn)行，它的切換以及互備為全自動(dòng)無(wú)擾動(dòng)控制。冗余PL基本配置如圖1 所示。

圖1 冗余PLC基礎(chǔ)架構(gòu)圖

2.2 冗余電源技術(shù)

當(dāng)前生產(chǎn)制造系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的可靠性要求越來(lái)越高，在大多數(shù)情況下不允許“網(wǎng)絡(luò)癱瘓”故障，不允許電源瞬間不供電超過(guò)20ms以上的“閃斷”，對(duì)于供電部分，MTBF參數(shù)是判斷電源設(shè)備設(shè)計(jì)選型的重要指標(biāo)。電源作為控制系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源其地位舉足輕重，沒(méi)有高可靠性的電源保障，要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高可靠性的基礎(chǔ)也就不存在[4]。所以在整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及規(guī)劃當(dāng)中必須有可靠的電源技術(shù)來(lái)提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

該項(xiàng)目方案從2個(gè)方面解決電源可靠性問(wèn)題：1）控制系統(tǒng)所需的AC220V電源采用冗余機(jī)制的UPS提供動(dòng)力源頭。在兩路市電回路增加ATS，首先保障UPS系統(tǒng)供電的可靠性，再結(jié)合帶LBS的冗余UPS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)UPS輸出端的STS毫秒級(jí)線路切換，確保在市電單路停電、雙路停電、UPS故障、UPS旁路故障等惡劣環(huán)境下，負(fù)載電源的可靠性。冗余UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。2）系統(tǒng)所需的DC24V電源采用帶冗余機(jī)制的AC/DC整流電源[5]。其設(shè)計(jì)為熱備冗余，冗余模塊具備集成解耦的MOSFET，可以實(shí)現(xiàn)1 + 1以及N+1的電源冗余，可以大幅度地節(jié)約投資成本和安裝空間，降低DC24V系統(tǒng)的負(fù)載程度，減少施工時(shí)間。在配置熱拔插連接器的情況下，能夠在線更換設(shè)備，提高安全關(guān)鍵型系統(tǒng)的可用性。同時(shí)具備負(fù)載平衡電流的功能，該功能對(duì)于采用并行連接的開(kāi)關(guān)電源之間不平衡負(fù)載進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)供電電源模塊設(shè)備的溫度平衡，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，同時(shí)提高供電的安全性。當(dāng)某電源出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)其中的冗余模塊對(duì)電源進(jìn)

圖2 冗余UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

行切斷輸出同時(shí)投入備用電源，確保DC24V電源系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，冗余DC24V系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 冗余DC24V系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)技術(shù)

以太網(wǎng)環(huán)是一種環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由一組兼容的IEEE802.1以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)組成，每節(jié)點(diǎn)與其他2個(gè)節(jié)點(diǎn)經(jīng)802.3媒體訪問(wèn)控制（MAC）的環(huán)端口進(jìn)行連接，其他服務(wù)層技術(shù)對(duì)以太網(wǎng)MAC能夠承載，各節(jié)點(diǎn)之間可直接或間接通訊[1]。以太網(wǎng)環(huán)既是物理的環(huán)形結(jié)構(gòu)，也是一種邏輯結(jié)構(gòu)，流量的轉(zhuǎn)發(fā)按照IEEE802.1規(guī)范，支持點(diǎn)-點(diǎn)、點(diǎn)-多點(diǎn)、多點(diǎn)-多點(diǎn)，也包含了虛擬的專(zhuān)線與專(zhuān)線間不同通信模式，支持單播、廣播以及多播。以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)互連模式包含3種：共享節(jié)點(diǎn)、2個(gè)共享節(jié)點(diǎn)構(gòu)成鏈路、以太環(huán)網(wǎng)重疊形成多環(huán)。業(yè)務(wù)及數(shù)據(jù)能實(shí)現(xiàn)端到端的傳送[2]。

對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)時(shí)，可互聯(lián)成閉合環(huán)路，很多時(shí)候都不是1個(gè)閉合環(huán)路，而是可形成多個(gè)閉合環(huán)路，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障后，網(wǎng)絡(luò)某處斷開(kāi)，可通過(guò)其他環(huán)路繼續(xù)工作[1]。

2.4 Profinet總線環(huán)網(wǎng)技術(shù)

Profinet總線環(huán)網(wǎng)技術(shù)，是一種新型工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上形成的自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn)，由PROFIBUS國(guó)際組織推出[3]。Profinet包含實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、分布式自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)安全、運(yùn)動(dòng)控制及故障安全等內(nèi)容，為自動(dòng)化通信領(lǐng)域提供了網(wǎng)絡(luò)解決方案，并且與現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)能夠完美兼容，它結(jié)合了以太網(wǎng)技術(shù)以及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了快速的數(shù)據(jù)交換以及設(shè)備層面的鏈接和交換。Profinet是一種完整的解決方案，主要涉及8個(gè)模塊：實(shí)時(shí)通信、分布式自動(dòng)化、過(guò)程自動(dòng)化、分布式現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、IT標(biāo)準(zhǔn)和信息安全、運(yùn)動(dòng)控制、網(wǎng)絡(luò)安裝及故障安全。

在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化發(fā)展中，自動(dòng)化控制系統(tǒng)的分散程度不斷提升。分布式自動(dòng)化正在逐步取代工業(yè)控制系統(tǒng)中的分散式自動(dòng)化，所以基于組件的自動(dòng)化成為發(fā)展的趨勢(shì)。工廠中電子電氣部件、機(jī)械部件及應(yīng)用軟件等，具備獨(dú)立工作能力的模塊，都被抽象為封裝好的組件，Profinet對(duì)各組件進(jìn)行連接。

2.5 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)技術(shù)

在Profinet環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中采用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，故障診斷。其監(jiān)測(cè)診斷設(shè)備具備以下幾個(gè)功能：1）實(shí)時(shí)列表功能。實(shí)時(shí)列表能夠持續(xù)不斷地列出所有在線設(shè)備。分別顯示出有效設(shè)備、數(shù)據(jù)交換中的設(shè)備和閑置設(shè)備。2）統(tǒng)計(jì)信息功能。數(shù)據(jù)矩陣是分析儀功能最強(qiáng)大的特性。數(shù)據(jù)矩陣分為2個(gè)部分，一部分顯示附加信息，另一部分顯示實(shí)際的數(shù)據(jù)矩陣。3）柱狀圖功能。顯示各個(gè)設(shè)備的循環(huán)周期。4）SNMP 功能。SNMP功能能夠檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，根據(jù)設(shè)備功能的不同，如系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間、系統(tǒng)描述、硬件地址和IP地址等相關(guān)信息會(huì)顯示出來(lái)。5）拓?fù)鋱D功能。能夠在線檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。豐富的監(jiān)測(cè)、診斷為總線網(wǎng)絡(luò)的快速運(yùn)維提供有效手段。

2.6 多環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代化的控制系統(tǒng)當(dāng)中，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)從最高的ERP、MES、EMS等管理層向下滲透到設(shè)備層。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)帶來(lái)的便捷、高效、數(shù)據(jù)互通、數(shù)據(jù)共享充分在控制領(lǐng)域顯現(xiàn)。傳統(tǒng)的光纖網(wǎng)絡(luò)基本以單環(huán)、線性結(jié)構(gòu)以及樹(shù)形等結(jié)構(gòu)為主，其網(wǎng)絡(luò)的單一性帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)中斷風(fēng)險(xiǎn)較大，現(xiàn)代化的控制系統(tǒng)當(dāng)中，網(wǎng)絡(luò)作為控制系統(tǒng)的神經(jīng)，對(duì)可靠性要求較高。而在控制系統(tǒng)的各階層都采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，使得每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)的首尾均可以相連，形成1個(gè)閉環(huán)，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障或者斷路均可以使網(wǎng)絡(luò)的鏈路始終為聯(lián)通狀態(tài)，形成了可靠的網(wǎng)絡(luò)物理鏈路。該項(xiàng)目通過(guò)客戶(hù)端、工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線環(huán)網(wǎng)，3層高效可靠的環(huán)網(wǎng)來(lái)構(gòu)建穩(wěn)定、可靠的冗余網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，燒結(jié)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D4所示。

圖4 燒結(jié)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

3 結(jié)論

舊系統(tǒng)為單機(jī)多環(huán)節(jié)串聯(lián)系統(tǒng)，以小時(shí)為基本計(jì)算單位，近5年統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示平均無(wú)故障時(shí)間1440h；采用冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，系統(tǒng)為串并聯(lián)系統(tǒng)，其無(wú)故障時(shí)間預(yù)計(jì)為4320h，系統(tǒng)已經(jīng)投用4個(gè)月后統(tǒng)計(jì)顯示故障時(shí)間為0，其安全可靠性得到基本驗(yàn)證。

舊系統(tǒng)平均每年6次故障，每次故障恢復(fù)時(shí)間約2.5h；新系統(tǒng)投用后預(yù)計(jì)可以做到每年2次故障，每次故障恢復(fù)時(shí)間約2.0h。年故障時(shí)間減少11h。企業(yè)年產(chǎn)值約110億人民幣，平均每小時(shí)產(chǎn)值125.6萬(wàn)，11h的停機(jī)時(shí)間會(huì)造成直接產(chǎn)值損失1381.2萬(wàn)。采用前文所述的各種冗余技術(shù)融合的系統(tǒng)較傳統(tǒng)單機(jī)系統(tǒng)投資約增加150~200萬(wàn)，但其帶來(lái)的直接收益和邊際效益較大。并且因系統(tǒng)的故障停機(jī)會(huì)增加生產(chǎn)線的物料、能源、備件、人力等浪費(fèi)，推高產(chǎn)品成本。提高系統(tǒng)的可靠性所需的投入是非常有意義的，有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，它的投入為公司的發(fā)展和經(jīng)營(yíng)從系統(tǒng)層面提供了有力支撐。