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水泥生產(chǎn)線中冗余控制系統(tǒng)的應(yīng)用

2012-08-27 00:00

  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(lèi)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(wú)冗余功能元件性能不斷提高,且部分元件自帶冗余功能性?xún)r(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(guò)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(wú)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(guò)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(lái)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洌粋€(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(wèn)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(guò)周期性的掃描主控制器的程序和數(shù)據(jù)來(lái)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(jiàn)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(wú)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(méi)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(shuō)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(lái)自正常供電,一路來(lái)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(wèn)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(méi)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(hù)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(hù)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(hù)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)。

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