大型高爐物料運輸系統(tǒng)中網絡資源整合與結構優(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)出現問題，都會引起整系統(tǒng)的設備停機，尤其對于高爐的生產來說，物料供應的中斷，就意味著停產。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故障停止運行，就會從來料方向對所有皮帶進行順序停車，在實現集中控制后要使設備實現運行穩(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絡通訊質量提出了很高的要求，原單路光纖環(huán)網已經不能滿足正常生產的使用要求，需要將其升級為雙光纖冗余環(huán)網，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)，再進行結構優(yōu)化，使其更穩(wěn)定；而在設備的集中控制方面，三套系統(tǒng)中很多冗余設備的運行狀態(tài)沒有實現實時的監(jiān)控，冗余設備出現故障，需要靠人工點檢才能發(fā)現，而點檢路線遠，點檢周期長，會導致冗余設備停止工作后無法第一時間發(fā)現并解決，為設備正常運行埋下隱患，所有構建一套實時監(jiān)測系統(tǒng)，也是十分必要的。

1 通訊網絡的整合與優(yōu)化

原物料運輸系統(tǒng)的通訊網絡，采用單光纖環(huán)網進行第一級的外層通訊，現場總線設備所構成的第二級通訊網絡則采用ABB的CI801單路通訊模件進行數據的采集，當有網絡故障發(fā)生，通訊設備無冗余備用，直接影響系統(tǒng)的各類數據傳輸，影響程序中關于信號的識別，引起整系統(tǒng)的設備停機，需要將第一級外層通訊網絡改造為雙光纖冗余環(huán)網，再將3套冗余控制系統(tǒng)接入光纖交換機中，實現外層設備的冗余通訊。在現場設備附近，分散著大量以現場總線設備為采集終端的現場總線箱，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，連接相關子模件，實現了終端現場總線設備的冗余通訊，形成了第二級冗余網絡。

在原赫斯曼交換機組成的單光纖環(huán)網的基礎上，用復制的方法，配置第二條光纖環(huán)網，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開關中的RM選擇為ON，使其成為環(huán)網管理機，它的功能是在光纖環(huán)網中自動阻斷其中一路光纖通訊，避免其成環(huán)，影響通訊，而當環(huán)網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開關設置：STAND BY選擇ON，將此交換機設置為兩路光纖的耦合點，通過交叉網線將其聯通，使其成為2路光纖環(huán)網的耦合節(jié)點，耦合點起到了聯通連個光纖環(huán)網的目的，完成其耦合也是為了下一步分配控制器工作做準備。

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，可實現冗余無擾切換，正好可以同雙光纖冗余環(huán)網中節(jié)點上的主、從交換機相連接匹配。將每個站點的控制器主、控制器從對應地接入到交換機主、從中，交換機所對應的三個控制系統(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)網中，使其形成雙光纖環(huán)網，并與控制器、操作電腦的實現對接冗余。

在完成雙光纖環(huán)網的升級改造后，對整個通訊網絡進行重新梳理后發(fā)現，其中在4#交換機所處網絡節(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，沒有任何設備和數據的接入（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絡的正常使用，同時還減少了故障點，節(jié)省了設備資源。

圖1 運礦系統(tǒng)網絡圖

2 遠端現場總線設備的冗余通訊

在物料運輸系統(tǒng)中，每條皮帶的頭部、中部、尾部都有現場總線箱，其中安裝著現場總線設備，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、拉繩開關等，這些現場總線箱因為相隔距離遠，所以在原設計中采用光纖與DP通訊相結合的方式，組成設備通訊網，在光纖組成環(huán)網連接的設備末端，均使用光纖轉換器把光纖與DP線進行連接，再通過DP線連接各現場總線箱內的總線設備，來進行各種數據的采集。原遠端的數據通訊模塊使用的是單路DP線和單路通訊的ABB CI801模件，在實際生產中，經常出現當線路或通訊模件出現故障后，某個現場總線箱整體“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鍵信號，一旦出現總線箱整體“離線”這種故障，程序中會默認為皮帶停止或總線箱出現問題，需要進行相關控制皮帶及其連鎖皮帶的順序停車，為避免這種因設備問題引起的“誤停車”，保證物料運輸系統(tǒng)的整體運行穩(wěn)定性，對現場總線設備的通訊重新設計并進行了改造，經過多次試驗，證明下列設計方案可行，并成功應用于實際生產中：各光纖之間的連接，使用西門子OLM光纖轉換器，此設備可滿足單路光纖構成光纖環(huán)網，而此設備上還有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備的通訊，極易出現問題，其穩(wěn)定運行周期短，日常點檢無法起到應有的作用，只能在出現故障后進行應急處理。

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，可使設備網絡末端的通訊模件和DP線纜均處于一用一備狀態(tài)，同時在光纖轉換器OLM與RLM 01間的DP線，都是在現場總線箱內部，長度小于1米的線纜，基本不會出現問題。遠端設備的通訊形成了雙路DP和通訊模件，能夠實現無擾冗余切換，并且在日常設備點檢中，只需要檢查冗余設備和線路的狀態(tài)，就可以保證總線設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 構建通訊監(jiān)視圖

在物料運輸系統(tǒng)中，因設備的距離遠、跨度大，所以構建網絡通訊監(jiān)視圖，是實現設備統(tǒng)一管理必要手段，它可以實時監(jiān)測系統(tǒng)中各類設備的運行狀態(tài)，備用設備的情況、報警信息等，并可做為一站式點檢的主要點檢內容。物料運輸系統(tǒng)中，所構建的通訊監(jiān)視圖分為2級，第一級為雙光纖環(huán)網內的交換機、24V電源、RLM 01、冗余控制器、CI840及下掛模件。其中光纖環(huán)網內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，當沒有故障時，為常閉點，當出現以下故障之一，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（包括光纖接口和網線接口）；5）環(huán)網斷開與恢復的狀態(tài)切換時。同樣的原理，設備的24V電源、RLM 01同樣將其報警點用線纜接入系統(tǒng)模件內，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，再由其對應的狀態(tài)碼判斷硬件設備所處的狀態(tài)。由這些設備信息組成了圖1所示的運礦系統(tǒng)網絡圖。

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

其中光纖轉換器、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，對應形成報警信息，并做成畫面。各遠程站的設備運行情況，光纖路由和DP線路一目了然，便于設備點檢、故障排查和設備的集中控制。

4 優(yōu)化設備供電方式

在物料運輸系統(tǒng)中，現場安裝了許多現場總線箱，而為了保證現場總線采集設備的安全，均采用的是24V供電給現場總線箱，這就為現場設備實現雙路供電提供了基礎。在原設計中，現場總線設備的供電系統(tǒng)，均使用1段電供給UPS，再由UPS供給現場總線箱內安裝的24V電源，由24V電源為現場總線設備供電。在實際生產中，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)運轉中，而現場總線設備的單路供電，使得日常對UPS的停電清掃，檢查等工作內容無法完成，很多時候UPS等供電設備都是“帶病”作業(yè)，為安全生產埋下隱患。通過改造，在現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，直接供給現場總線箱內的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備，這樣其中一路斷電，不會對現場總線設備造成影響。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，尤其完成設備的供電，但對于現場總線設備來說，任何短時間的斷電再供電，都會使模件重新上電檢測，直接影響現場設備的信號采集，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，可保證現場總線設備24V供電的無擾冗余切換。根據以上方法，對所有現場總線設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故障，也能夠保證物料運輸系統(tǒng)中各現場總線設備的持續(xù)供電。

5 結束語

在改造前，高爐物料運輸系統(tǒng)因為各類故障導致的設備停機頻繁發(fā)生，已嚴重影響了高爐的正常供料和生產，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)以太網中，保證數據傳輸的可靠、穩(wěn)定，是首要任務，而避免因通訊故障引起設備不必要的停機，是我們研究冗余網絡組成的目的，它可以通過無擾切換、故障檢測與分析，避免網絡故障的發(fā)生，提高運行周期。

在本次升級改造的應用中，在各層次上都進行相關冗余的設計，通過雙光纖冗余環(huán)網與對應控制器的連接，實現了ABB主、從控制器與工業(yè)以太網的完美對接；同時對于范圍廣、跨度大、數量多的現場總線設備來說，冗余模式下的通訊結構，更穩(wěn)定，通過日常設備點檢，只要檢查冗余設備狀態(tài)，及時排除冗余設備故障，就可使整套系統(tǒng)穩(wěn)定運行；各類數據信號匯總組成的網絡監(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，既能滿足現場總線設備的持續(xù)供電，還可對供電設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。