水泥生產(chǎn)線中冗余控制系統(tǒng)的應(yīng)用

　　1.引言

　　隨著目前工業(yè)生產(chǎn)線規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)大型控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性可靠性提出了更高的要求，控制系統(tǒng)合理的冗余設(shè)計(jì)會(huì)大大提高系統(tǒng)的可靠性，確保生產(chǎn)線的連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。本文以合肥水泥研究設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的某6000t/d水泥熟料生產(chǎn)線工程為例，介紹基于ABB公司Industral IT 800xA控制系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)方案。

　　2. 冗余技術(shù)概念

　　所謂冗余就是增加備用的設(shè)備，在主設(shè)備出現(xiàn)故障不能正常工作時(shí)，備用設(shè)備進(jìn)入工作狀態(tài)，以保證系統(tǒng)持續(xù)可靠的運(yùn)行。冗余的分類方法多種多樣，按照在系統(tǒng)中所處的位置，冗余可分為元件級(jí)、部件級(jí)和系統(tǒng)級(jí);按照冗余的程度可分為1：1冗余、1：2冗余、1：n冗余等多種。在目前無冗余功能元件性能不斷提高，且部分元件自帶冗余功能性價(jià)比不高的情況下，從總體設(shè)計(jì)方案出發(fā)，1：1的部件級(jí)熱冗余是相對(duì)簡(jiǎn)單，性能可靠，且比較經(jīng)濟(jì)的方式，所以目前國(guó)內(nèi)外過程控制大多數(shù)都采用這種冗余方式，當(dāng)然也有局部設(shè)計(jì)中采用多種冗余方式組合的方式。本文將就控制系統(tǒng)的部件級(jí)熱冗余進(jìn)行分析。

　　3. 水泥生產(chǎn)線控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　本水泥生產(chǎn)線采用的是ABB公司Industral IT 800xA控制系統(tǒng)，全廠控制系統(tǒng)按網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為以太網(wǎng)層，工業(yè)以太網(wǎng)層，現(xiàn)場(chǎng)總線層。

　　4. 控制系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)

　　(1)以太網(wǎng)層

　　服務(wù)器冗余

　　本生產(chǎn)線800xA控制系統(tǒng)使用5臺(tái)服務(wù)器，其中3臺(tái)為屬性服務(wù)器AS1、AS2、AS3，2臺(tái)為連接服務(wù)器CS1、CS2。其中屬性服務(wù)器AS2、AS3為AS1的冗余服務(wù)器，連接服務(wù)器CS2為CS1的冗余服務(wù)器。而AS1也作網(wǎng)絡(luò)域服務(wù)器，AS2為冗余域服務(wù)器；CS1為OPC服務(wù)器，CS2為冗余OPC服務(wù)器。5臺(tái)服務(wù)器根據(jù)功能的不同都作了不同程度的冗余，使用最少的計(jì)算機(jī)作了最大限度的冗余，使上位機(jī)控制系統(tǒng)可靠性大大增加。而且安裝800xA控制系統(tǒng)軟件后，所有服務(wù)器根據(jù)屬性服務(wù)器AS1自行實(shí)現(xiàn)時(shí)間和數(shù)據(jù)同步，不需要作特別設(shè)置。

　　以太網(wǎng)交換機(jī)冗余

　　以太網(wǎng)層數(shù)據(jù)通信設(shè)備以太網(wǎng)交換機(jī)無疑也非常重要，我們也采用冗余配置，2個(gè)交換機(jī)同時(shí)在線，當(dāng)然，所有上位機(jī)服務(wù)器和操作員站也必須安裝雙網(wǎng)卡，使用雙網(wǎng)線。這樣只要有一個(gè)交換機(jī)或者網(wǎng)線出現(xiàn)故障，系統(tǒng)能夠自行通過另一交換機(jī)交換數(shù)據(jù)，不影響通訊，同時(shí)計(jì)算機(jī)上會(huì)有網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)提示。

　　(2)工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線層

　　控制器(CPU)冗余

　　控制器(CPU)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心單元，絕大多數(shù)的控制任務(wù)邏輯連鎖都由它來完成，控制器(CPU)同樣也可使用冗余配置，但是由于控制器一般價(jià)格比較高，所以我們一般在水泥生產(chǎn)線重要的流程段的控制使用冗余控制器配置。如生料磨，窯尾，窯中，窯頭，水泥磨等?？刂破魅哂嗯渲靡话銥橐挥靡粋?，一個(gè)控制器在工作狀態(tài)的時(shí)候，另一個(gè)在備用狀態(tài)，工作狀態(tài)下控制器主要執(zhí)行程序，訪問I/O等作用，備用狀態(tài)的控制器主要執(zhí)行監(jiān)視和診斷主控制器的好壞，通過周期性的掃描主控制器的程序和數(shù)據(jù)來達(dá)到備用控制器的同步更新，以便在主控制器故障時(shí)能夠自動(dòng)切換。

　　通訊網(wǎng)絡(luò)冗余

　　控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)是非常重要的一個(gè)部分，直接影響到控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量，要求很高的可靠性。以本工程為例，一般根據(jù)使用總線協(xié)議的不同我們使用不同的通訊模塊，現(xiàn)以常見的Profi-bus 總線為例實(shí)現(xiàn)通訊模塊的冗余配置。

　　控制器間通訊電纜冗余，一般采用雙環(huán)型拓樸結(jié)構(gòu)的光纖環(huán)網(wǎng)，這樣只要以確保各控制器有任一工作，任一環(huán)網(wǎng)無2個(gè)斷點(diǎn)，可保證系統(tǒng)通訊的正常工作。

　　現(xiàn)場(chǎng)部分I/O模塊與CPU間采用冗余雙profi-bus總線, 正常工作狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)選擇一條總線作為其工作總線，如果當(dāng)某總線條出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判斷并切換使用備用總線工作，同時(shí)在工程師站給出網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)提示。

　　而控制器和現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，如PA儀表電機(jī)保護(hù)器等的連接，由于許多PA儀表和電機(jī)保護(hù)器不支持雙總線結(jié)構(gòu)的冗余，而沒有采用冗余。

　　電源冗余

　　電源是整個(gè)控制系統(tǒng)正常工作的基本保證，雖說部分模塊帶有電池功能，但一旦控制電源發(fā)生故障，造成整個(gè)控制系統(tǒng)的工作中斷，整個(gè)生產(chǎn)線的跳停將再所難免。因此我們?cè)O(shè)計(jì)首先從電氣部分就作了應(yīng)急電源配電柜一路來自正常供電，一路來自應(yīng)急發(fā)電機(jī)，其次在控制系統(tǒng)部分，我們采用了UPS給所有控制系統(tǒng)模塊供電，并且所有220V轉(zhuǎn)24V電源模塊我們使用了并聯(lián)冗余。從而多重保證了控制系統(tǒng)電源供給問題。

　　I/O模塊冗余

　　由于整個(gè)生產(chǎn)線使用大量的I/O模塊，給所有模塊作冗余既浪費(fèi)也沒有必要，因此我們只爭(zhēng)對(duì)其中少數(shù)非常重要的部分進(jìn)行了冗余。

　　5. 優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

　　控制系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)大大提高了系統(tǒng)的可靠性，保障了生產(chǎn)線的連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。但是很明顯，冗余的配置增加了用戶的投資，如果配置不合理反而可能降低系統(tǒng)的可靠性，并增加了一定的維護(hù)難度。因此，根據(jù)本人工程經(jīng)驗(yàn)，建議用戶根據(jù)自身情況，對(duì)部分重要的部件采用冗余配置即可。

　　6. 結(jié)束語(yǔ)

　　在目前的大規(guī)模生產(chǎn)線中，控制系統(tǒng)合理的冗余配置具有更高的穩(wěn)定性，更加符合廣大用戶的利益，已經(jīng)被眾多行業(yè)廣泛的應(yīng)用。在此，僅以一個(gè)在水泥生產(chǎn)線為例，介紹了冗余系統(tǒng)的實(shí)際配置及應(yīng)用，希望能起到拋磚引玉的作用，給予廣大工程設(shè)計(jì)人員一定幫助和啟發(fā)。