施耐德電氣I/O解決方案在包鋼煤氣加壓站改造工程的應用

　　摘要：冶金行業近年來不斷增加在技術改進和節能增效方面的投入，這既符合國家的產業規劃的要求，也是行業趨勢。QuantumEthernetI/O系統是施耐德電氣PlantStruxure架構的新成員，配合施耐德電氣的以太網交換機可以構建目前*同時支持Ethernet/IP和ModbusTCP/IP兩種主流工業以太網協議的系統。本文以包鋼煤氣加壓站改造項目為例介紹施耐德電氣如何憑借以太網架構滿足用戶的技術改造需求，給用戶帶來更多的價值。
　　
　　1、前言
　　
　　傳統的現場總線由于實時性好、可靠性高、抗*力強、連接方便、布線簡單在工業控制領域中得到了廣泛的應用。隨著控制系統連接的外部設備種類和接口越來越多，故障診斷等功能要求越來越高，傳統的現場總線受到的挑戰越來越大。
　　
　　工業以太網以其通訊速率較高、協議開發容易互連、支持遠程訪問和遠程實時故障診斷、支持多種不同介質互連、支持網絡冗余和多種網絡連接方式等特點，在當前的工業控制系統中得到了廣泛應用。
　　
　　QuantumEthernetI/O系統是施耐德推出的，基于PlantStruxure系統的解決方案。該解決方案以QuantumPLC為核心、采用工業以太網Ethernet/IP協議作為主干網絡的通訊協議、連接現場Quantum遠程IO子站、分布式IO子站、儀表、執行機構等現場設備。該解決方案在充分發揮了工業以太網的各種優點，支持以太網的常見各種服務的同時，并解決了以太網實時性差、可靠性差的缺點，極大的延伸了QuantumPLC的解決方案。
　　
　　下圖為QuantumEthernetI/O系統的典型架構：　　
　　QuantumEthernetI/O系統具有如下特點：
　　
　　開放、標準的通訊協議：采用Ethernet/IP協議作為IO主干網絡協議，同時還支持ModbusTCP/IP協議；
　　
　　更靈活的系統結構：支持菊花鏈環、主環、子環和星型等結構，支持雙絞線、單模、多模光纖等多種通訊介質；
　　
　　強大的故障診斷功能：多種硬件、軟件診斷功能及以太網的各種服務機制，極大的方便了系統的故障診斷，降低了對維護人員的維護要求，縮短了維護時間和維護工作量；
　　
　　更高的可靠性：支持Quantum雙機熱備系統和菊花鏈主環、子環等結構，<50ms的環網重建時間，提高了系統運行過程中的可靠性；
　　
　　更多的擴展性：無需大量的修改，即可保證當前項目的整個生命周期的需求。同時，可以以多種連接方式接入更多的現場設備，大大擴展了系統的規模；
　　
　　更高的過程控制處理能力：每個子站的輸入/輸出字數限制分別提高了7倍以上，同時支持31個EthernetIO子站和128個分布式IO子站，更好的滿足了復雜的、模擬量信號較多的過程控制要求；
　　
　　更好的響應性能：更快的信號采樣和輸出時間、更大和更快的數據處理能力等性能保證了系統具有更有的應用相應時間（ART）；
　　
　　2、系統簡介
　　
　　2.1項目概況
　　
　　包鋼擬新建一條年產120萬噸的H型鋼、鋼軌、鋼板樁生產線。根據軋鋼工藝的2+3方案則在包鋼廠區1#道路和2#道路的西南夾角軋鋼區范圍內的連鑄加壓站、無縫、高線及棒材擠壓站、軌梁加壓站及煤氣凈化設施等需拆除改建，在1#道路的北側和2#道路西側新建供友誼軋鋼廠、無縫車間、高線車間、軌梁車間、新高線車間及軌梁廠新建型鋼生產線使用的煤氣系統設施，配套水道、電氣、儀表等輔助設施。
　　
　　包鋼軌梁廠橫列式軋機項目煤氣加壓站改造工程的主要目的是創建一套新的加壓站、混合站、壓縮站控制系統，保證6大車間煤氣設施正常工作的同時，實現對現場設備的遠程監視、控制和管理等功能。
　　
　　2.2控制系統組成及要求
　　
　　包鋼軌梁廠橫列式軋機項目煤氣加壓站改造工程主要由以下控制系統組成：
　　
　　加壓站控制系統
　　
　　混合站控制系統
　　
　　壓縮站控制系統
　　
　　該控制系統主要用于實現高爐煤氣、焦爐煤氣加壓機盲板閥與蝶閥、羅茨風機盲板閥與蝶閥、各個用戶端的盲板閥、蝶閥的監視、控制和管理等功能。
　　
　　該控制系統的基本要求有：
　　
　　控制系統全年任何時候都不能停機；
　　
　　控制系統故障診斷功能較強；
　　
　　控制系統的維護簡單；
　　
　　3、解決方案簡介
　　
　　該改造工程系統中采用了施耐德電氣公司的全套解決方案來實現加壓站、混合站和壓縮站所有現場設備的監控功能。
　　
　　系統結構示意圖見下圖所示：　　
　　整個改造工程系統主要有四層網絡結構組成：監控層、控制層、現場層和網絡層。
　　
　　3.1監控層
　　
　　該系統監控層設備主要監控計算機和打印機組成。
　　
　　該系統所涉及的高、焦爐煤氣加壓站、混合站、壓縮站共用1套SCADA監控系統，該監控系統主要由2套冗余服務器和4臺操作員站組成。
　　
　　2套冗余服務器用于從PLC單元手機設備數據，生成并存儲相應的實時數據庫文件。根據操作員站的請求，實現現場工作設備數據的采集、顯示、控制、數據記錄和管理、分析、打印、報警顯示、管理和打印、趨勢曲線的顯示等功能。
　　
　　SCADA監控系統正常運行時，2套冗余服務器中只有1臺服務器作為IOServer與現場設備進行數據交換（不考慮負載平衡功能）。當任一通訊鏈路出現故障時，可實現冗余服務器間的無擾切換，實現備用服務器對現場設備的數據采集功能，不影響監控系統的正常運行。
　　
　　所有4臺操作員站的所有監控功能*對等，可實現操作員站之間的任意操作。
　　
　　所有服務器和操作員站的監控軟件全部采用施耐德電氣公司的VijeoCitect軟件完成所有設備的監控功能。
　　
　　VijeoCitect軟件的如下特點，*了控制系統的應用要求：
　　
　　“全冗余”架構和強大的“負荷平衡”功能，在降低了系統的網絡負荷和帶寬的同時，提高了系統的可靠性和安全性；
　　
　　軟件強大的“精靈”和“超級精靈”開發功能，減少了軟件開發和維護工作量和維護時間；
　　
　　軟件zui短可達10ms的頁面刷新時間，保證了系統的實時性；
　　
　　軟件強大的自動部署功能，保證SCADA系統在在線的情況下，可實現對服務器、客戶端間項目文件的自動、無擾發布、部署等功能，減少了系統停機時間，提高了SCADA系統的可用性；
　　
　　3.2控制層
　　
　　該系統的控制層設備主要由2套單機PLC和2套雙機熱備PLC組成。所有控制系統全部采用了施耐德電氣公司的UnityQuantum自動化控制平臺來實現。
　　
　　其中加壓站控制系統采用冗余電源、冗余通訊網絡的雙機熱備PLC來實現，CPU型號為140CPU67160。熱備系統中任一機架的任一模板出現故障，系統都可以保證在一個掃描周期內自動、無擾地切換到另一機架，由備機接管全部控制功能，保證了系統的可靠性和安全性。冗余的通訊鏈路也保證了通訊鏈路中任一模板和附件出現故障時，系統數據交換的可靠性。
　　
　　混合站控制系統采用冗余電源、冗余通訊網絡的單機PLC來實現，CPU型號為140CPU65160。冗余的通訊鏈路也保證了通訊鏈路中任一模板和附件出現故障時，系統數據交換的可靠性。
　　
　　所有IO子站采用冗余電源供電方式，當任一供電回路或電源模板出現故障時，系統自動切換至另一供電回路供電，保證了系統的可靠性。
　　
　　每套PLC與IO子站之間全部采用EthernetI/O方式連接，并形成一個菊花鏈環。當菊花鏈環中任一位置的雙絞線出現斷線故障時，系統在小于50ms的時間內自動自愈。
　　
　　UnityQuantumPLC所有模板的帶電插拔功能和多種硬件、軟件、Web等的故障診斷方式，以及全冗余的解決方案，提高了控制系統的可靠性，滿足了控制系統的應用要求，降低了現場維護人員的技術要求，減少了系統維護時間和維護工作量，降低了用戶的維護成本。
　　
　　同時，施耐德電氣公司的NSM系列大型組合拼裝式控制柜為整個控制系統提供了潔凈的安裝空間。保證了控制系統的可靠運行。
　　
　　3.3現場層
　　
　　該系統的現場層設備主要由變頻器產品組成，變頻器采用施耐德電氣公司的ATV61Plus系列柜式變頻器。
　　
　　該變頻器主要用于控制焦爐煤氣、高爐煤氣加壓機和羅茨風機等現場設備。該變頻器整套集成化解決方案、完善的故障診斷功能、直觀的中文面板顯示和參數調節、強大的IO擴展能力，*了現場所有設備的就地、遠程手動、遠程自動等的控制功能的同時，保證了系統的可靠性。
　　
　　3.4網絡層
　　
　　該控制系統使用的網絡通訊主要由三部分組成：
　　
　　監控層網絡：主要實現SCADA監控系統服務器與操作站之間的數據交互功能；
　　
　　控制層網絡：主要實現各控制層PLC與HMI監控系統間設備的數據交互功能；
　　
　　現場層網絡：注意實現高、焦爐煤氣加壓站PLC與現場變頻器之間的數據交互功能；
　　
　　3.4.1監控層網絡
　　
　　監控級網絡設備主要由工業級以太網交換機組成，以太網交換機采用施耐德電氣公司的ConneXium系列100M工業級以太網交換機。
　　
　　監控級網絡設備主要用于連接服務器和操作員站，通訊速率可達100M，通訊協議為ModbusTCP/IP，通訊介質為超五類屏蔽雙絞線。
　　
　　監控級網絡與控制級網絡*隔離，分別采用各自的以太網交換機，保證了系統在實現監控功能和控制功能時系統的穩定性和可靠性。
　　
　　所有操作員站平均的分布到兩個以太網交換機上，同時，服務器也分別連接到這兩個交換機上。兩個交換機間采用光纖進行連接。當任一以太網交換機故障，不會影響到另一交換機上連接的所有操作員站的監控功能。
　　
　　3.4.2控制層網絡
　　
　　控制層網絡設備主要由工業級以太網交換機組成，以太網交換機采用施耐德電氣公司的ConneXium系列100M工業級光纖以太網交換機。
　　
　　控制層網絡設備主要連接各個PLC和SCADA系統的服務器。其中每套PLC和SCADA系統分別配置2個100M工業級多模光纖以太網交換機，所有的以太網交換機之間采用多模光纖連接并組成冗余光纖以太網環網，當網絡中任一通訊模板、通訊電纜、以太網交換機、上位計算機以太網卡故障都可以實現通訊鏈路的自動切換，保證了整個SCADA系統的正常監控功能。
　　
　　3.4.3現場級網絡
　　
　　所有的加壓站控制系統通過Modbus總線、RS485通訊方式與現場變頻裝置進行連接，實現對現場加壓機、羅茨風機等設備的遠程監視、控制和數據采集等功能。
　　
　　4、小結
　　
　　施耐德電氣公司完善的產品系列為客戶提供了整體解決方案；
　　
　　全冗余系統架構為客戶的系統提供了可靠的安全保障；
　　
　　透明的“一網到底”以太網架構，保證了系統的可靠性、實時性的同時，為客戶提供了更多的故障診斷和更好的系統響應性能。