新區脫硫脫硝技改項目冗余控制系統的設計與應用

陳桂芹 周傳奇 撥海波

（云南天朗節能環保集團有限公司）

1 前言

云南省安寧市作為昆鋼公司鋼鐵生產基地之一，為深入推進鋼鐵行業煙氣治理超低排放，帶動煙氣治理技術升級轉型，推動鋼鐵重點區域大氣環境質量持續改善，促進經濟向高質量增長轉變，煙氣控制系統的升級迫在眉睫。

2 昆鋼新區原有煙氣治理系統存在的不足

昆鋼新區300 m2燒結機煙氣脫硫系統原采用傳統的控制方式，僅有少部分設備進入自控系統，且PLC較為老舊、容量已達上限，工作電源單一，通訊中斷時有發生，在實際生產過程中，在高強度的滿負荷生產運行工況下，現有脫硫裝置控制系統故障率高，由于自動化程度相對較為落后，多個生產工段都是現場手動操作，對操作員操作經驗依賴性大，生產行為不夠規范，生產操作無相關記錄以及報警提醒，難以統籌生產組織，最終導致整個生產運行效率低下，成本難以控制。

3 方案的設計

為推動昆鋼新區脫硫脫硝技改項目轉型升級，建立以新型傳感器、智能控制系統、工業機器人、自動化成套生產線的智能生產體系十分必要，同時確保系統的高效，包括供電質量、網絡通信以及CUP的可靠性指標，確保能實現數據的跨系統聯動、采集、分析與交互，完成設備性能感知、過程優化等數字化生產方式，減少人力環節，使生產數字化貫穿整個昆鋼新區脫硫脫硝生產全過程，實現對整個生產流程進行監控、數據采集，便于進行數據分析，從而形成可視化、智能化的生產運維管控系統。

通過采用冗余技術，從供電方式、網絡通信、控制單元以及操作站等全過程統籌考慮冗余的必要性，能有效實現相關功能且具有一定的穩定性，以保證系統能安全、可靠地運行。

3.1 DCS系統冗余的設計

本系統選用ABB wincsDCS系統，具備對各種國內外DCS、PLC及現場智能設備等接入系統的功能，實現企業內過程控制設備信息的共享，系統采用對等式冗余結構，DCS系統為全局數據庫，具備良好的擴展性和兼容性，通訊總線應采用國際主流的現場總線協議——Profibus，并能夠同時實現兩種總線全方位冗余；互為備用的功能，完成對應裝置的監控任務，系統具備面向屬性功能，系統架構圖見圖1。

圖1 系統拓撲圖

WinCS（全稱Winmation Control System) 是新一代技術先進、工程高效、擴展開放的混合式過程控制系統，特別適合昆鋼新區煙氣治理中涉及到多個PLC品牌以及多個數據集成的需求，能以最小的工程成本和最快的速度實施DCS項目，以最小的投資及風險實施DCS系統擴展、更新升級及系統集成。整個WinCS過程控制系統分為三層，現場設備層、過程控制層、操作管理層。 現場設備層，包括I/O站和現場設備（過程儀表和控制執行設備），I/O站和現場總線設備可通過PROFIBUS總線和控制器進行通信。過程控制層，可以由一個至幾個不同的控制器組成，控制器執行開環和閉環的控制功能，并可通過I/O站與現場設備進行數據通信。操作管理層包括工程師站、操作員站和數據服務器等。工程師站可實現系統的組態和編程，操作員站可實現系統的操作和顯示、歸檔和記錄，趨勢和報警及總線設備管理等功能。WinCS過程站作為自動化過程控制的核心單元，通過采集現場設備層的過程數據，采用總線技術傳輸數據、實現數據的函數和邏輯運算和任務處理等，并將結果輸送到上一級操作管理層實現數據監控，同時將來自操作管理級的操作指令完整地傳輸給現場設備級并執行。其主要由控制器、I/O、總線設備接口及通信附件組成。

冗余配置能實現活動控制器（主控制器）和冗余控制器（備用控制器）之間的平穩切換，因此：CPU模塊故障情況下，系統將保留PROFIBUS接口模塊或 24VDC以及連接現場總線的輸入/輸出組件的輸出信號。內部狀態（組件數據，變量值）將保留，控制器的組態數據和過程數據將在活動控制器和冗余控制器之間自動更新，同步冗余控制器（備用控制器）通過數據同步在運行控制器（主控制器）故障時接管控制操作。當運行控制器發生嚴重故障時，冗余控制器通過冗余鏈接從運行控制器中獲取用戶程序和冗余數據的更新，冗余鏈接由一條以太網雙絞線組成，兩頭分別連接兩個控制器上的 ETH2 端口，傳輸速率為100 Mbit/s。冗余切換條件控制器自診測時如發生了下列情況，主備控制器將執行強制切換：模塊錯誤（總線開關關閉時，檢測到模塊錯誤）現場總線模塊故障、看門狗報警、控制器硬件故障、系統報告控制器電源故障、控制網絡故障、系統報告“致命錯誤” 等主控制器故障時，冗余控制器將自動切換，實現冗余切換的最短時間為 50 ms，常規應用情況下，主備控制器在1 s內完成切換。但在復雜應用情況下，如控制器任務循環周期長、帶有大量遠程 I/O 等，切換時間將延長。

3.2 網絡通信冗余的設計

為保障整個系統的可靠性和穩定性，還需進一步對系統的網絡通信以及系統供電等關鍵設備進行冗余設計，根據針對控制系統的選擇，除了系統CPU和機架通信模塊的冗余，同時提供交換機、操作員站等設備的冗余設置，保證整個系統的冗余的完整性，見圖2。

圖2 控制網絡冗余圖

同時，根據生產組織、管理等要求，實現設備連接能通全通、能進全進，建立控制系統能深入生產現場任何設備的數據通訊網，特別是針對機器手、自動碼垛等第三方系統，建立OPC通信接口，相關參數以及運行狀況都能進入DCS在系統中顯示，并進一步能實現相應的控制功能，滿足生產現場操作的需求。

3.3 電源冗余的設計

為進一步提升設備的供電的可靠性，整個DCS系統采用了雙電源（市電和UPS）+冗余的方式，并通過電源自動切換開關可實現雙電源的自動切換，有效保障了系統的供電能力和供電穩定性，如圖3。

圖3 雙電源自動切換設計圖

4 實施取得的效果

實際運行表明, 該系統中的硬件冗余配置，極大的提升了設備運行的可靠性和穩定性，系統可以在50 ms以內完成主站與從站的冗余切換 ，同時，電源供電以及網絡通訊都能滿足生產實際需求,該系統冗余有更高的可靠性和實現成本。

4.1 實現雙電源的冗余切換

通過把不同的電源引入系統，采用電源自動切換開關對電源進線有效監測，保障了整個系統供電的可靠性和穩定性。

4.2 實現網絡通信的冗余

從每個機架的I/O模塊建立冗余的底層通訊冗余模塊，連接到冗余的CPU，并通過不同的網絡連接到整個操作員站，極大的提高了現場設備的可靠性，保障了生產設備的實時在線。

4.3 實現DCS系統實時冗余

針對煙氣排放的嚴格要求，必須對CPU進行有效冗余，通過在系統中完成數據采集和處理、模擬量控制系統和順序控制，生產工藝監控、報表查詢、語音報警等，其中數據采集包括常規儀表的數據采集、環保數據的采集以及具有環保部門規定的相關趨勢要求，操作人員在控制室內操作員站上通過對系統進行啟/停控制、正常運行的監視和調整以及異常與事故工況的處理，能實現一鍵開啟部分流程，事故預警等功能，建立通用模塊，減少大量重復工作，降低運行負荷，完成調節控制、聯鎖邏輯、手動操作，調節控制采用了包括反饋、前饋、開關、比率、超前、滯后等各種算法的綜合運用，使生產操作更加智能化，因此，對整個CPU的冗余是整個控制系統最關鍵的，通過實踐證明，該方案能有效提升系統運行效率，達到設計目的。

5 結束語

隨著從DCS系統的電源保障、網絡通信以及系統等全過程考慮，采用了可靠、經濟的冗余方式，保障了整個項目的可靠性和穩定性，從硬件上實現電源、控制系統以及網絡通信的全過程的冗余，把原本孤立的智能化單元有效的銜接起來，實現生產控制系統全過程的可靠性，解決了控制系統中單點問題導致的系統停機問題，有效的提高整個控制系統的效率。