遠程I/O技術在安鋼一煉軋除塵系統(tǒng)中的應用

王保飛 李明

摘 要：針對遠程I/O技術在安陽鋼鐵股份有限公司第一煉軋廠除塵系統(tǒng)中的應用，介紹了遠程I/O系統(tǒng)的環(huán)形網(wǎng)絡構建方法及其優(yōu)點。項目采用圖爾克BL67遠程I/O系統(tǒng)新技術，從可靠性、經(jīng)濟性、功能三個方面與傳統(tǒng)控制方式進行了對比，最終證明使用以圖爾克BL67技術為架構的遠程I/O系統(tǒng)，能夠降低工程造價，節(jié)約投資，提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靈活性與自動化水平。

關鍵詞：遠程I/O技術;除塵系統(tǒng);PLC;圖爾克

0 引言

當前，國家環(huán)保形勢嚴峻，政策要求日趨嚴格，2019年8月，生態(tài)環(huán)境部印發(fā)《關于加強重污染天氣應對夯實應急減排措施的指導意見》，對鋼鐵、焦化等15個行業(yè)實行A、B、C三級績效分級，明確只有A級企業(yè)才可自主減排。在嚴峻的環(huán)保形勢下，我廠所處區(qū)域位置敏感，集團號召我廠逐步完善環(huán)保系統(tǒng)。遠程I/O是相對于傳統(tǒng)集中式I/O而言的，以前的控制方式都是控制器直接帶I/O設備，也就是說I/O設備常常離控制室很近，比如放在控制室內(nèi)。后來提出的分布式I/O設備，即將傳統(tǒng)的控制方式分散化，將I/O設備放到現(xiàn)場，通過現(xiàn)場總線采集信號并傳遞控制命令。我廠的除塵系統(tǒng)主控部分設置在廠房之外，而許多除塵閥門及移動罩卻在不同的生產(chǎn)車間，離控制中心有數(shù)百米距離。而采用遠程I/O技術能夠降低人工成本，提高自動化程度，為后期DCS系統(tǒng)的建立創(chuàng)造條件。

1 I/O網(wǎng)絡構建

本次除塵系統(tǒng)建設包括兩個老系統(tǒng)C3、C4，兩個新系統(tǒng)C1、C2。其中C1為電爐車間廠房除塵系統(tǒng)，C2為1#LF爐及板坯連鑄機除塵系統(tǒng)，C3為轉爐車間廠房除塵系統(tǒng)，C4為2#LF爐及方坯連鑄機除塵系統(tǒng)。除塵系統(tǒng)還需與生產(chǎn)設備主體發(fā)生必要通信，故必須將網(wǎng)絡設計為復雜的分布式網(wǎng)絡拓撲才能滿足要求。

1.1? ? 主網(wǎng)絡構建

第一煉軋廠除塵系統(tǒng)主要服務于兩套冶煉系統(tǒng)、兩臺連鑄機及一條軋鋼生產(chǎn)線。其中轉爐系統(tǒng)中的主要自動化系統(tǒng)構成為西門子S7-400系列，電爐系統(tǒng)主要為羅克韋爾AB-1756系列，方坯連鑄機自動化系統(tǒng)主要是西門子S7-300系列，板坯連鑄系統(tǒng)主要是早期的西門子S5系列，軋鋼系統(tǒng)則是PCS7架構的自動化控制系統(tǒng)。現(xiàn)場結構極其復雜，相互之間交換數(shù)據(jù)難度較大。一煉軋主網(wǎng)絡系統(tǒng)如圖1所示。

1.2? ? I/O環(huán)網(wǎng)構建

PLC之間通信、PLC與I/O通信、PLC與外圍設備通信由獨立網(wǎng)卡完成。現(xiàn)場總線采用可靠的光纖環(huán)網(wǎng)拓撲結構。C1、C2系統(tǒng)網(wǎng)絡如圖2所示。

這種網(wǎng)絡結構的優(yōu)點是：

（1）鏈路自動冗余備份，能自動協(xié)商到達最近節(jié)點的路徑，如果一處線路損壞，網(wǎng)絡拓撲重新配置，達到正常網(wǎng)絡狀態(tài)只需50 ms。

（2）具有較高的帶寬，環(huán)網(wǎng)傳輸帶寬為100 Mb/s，同時采用新的多數(shù)據(jù)處理技術，使得網(wǎng)絡在重負荷情況下仍能保持很高的帶寬。

（3）可靠性高，環(huán)型結構在網(wǎng)絡出現(xiàn)故障時仍能自行重構，保證系統(tǒng)安全可靠，同時傳輸光纖對電磁和射頻干擾具有抑制能力，在傳輸過程中不受電磁和射頻噪聲的影響，也不影響其他設備。由于光纖傳輸?shù)氖枪庑盘枺瑑啥说碾娫聪鄬Ω綦x，所以有效消除了光纖兩端電源和地線對設備可能造成的嚴重威脅。

2 圖爾克技術

作為傳感器、現(xiàn)場總線、接插件、接口技術及人機界面（HMI）和RFID系統(tǒng)領域的專家，圖爾克為工廠及過程自動化提供高效的解決方案。圖爾克憑借先進的技術設備，可以快速而靈活地應對各種現(xiàn)場需求。因此，選擇使用其中的BL67模塊化現(xiàn)場總線I/O系統(tǒng)。

BL67系列產(chǎn)品是為實現(xiàn)IP67解決方案而專門設計，不必再將產(chǎn)品安裝于隔離的機柜內(nèi)。BL67采用開放式、模塊化設計，充分體現(xiàn)了可靈活擴展的特點。BL67網(wǎng)關使得I/O模塊獨立于所使用的總線類型，支持PROFINET、Ethernet/IP、Modbus TCP、PROFIBUS-DP、CANopen和DeviceNetTM等協(xié)議。BL67系列電子模塊支持熱插拔，方便在運行過程中更換模塊。該網(wǎng)關支持數(shù)字量、模擬量、溫度、RS232、SSI、CANopen接口等。通過選擇不同的底板可選擇M8、M12、M23或7/8"連接器，形式多種多樣，為復雜現(xiàn)場提供了設計選型上的便利。

2.1? ? 西門子PROFINET I/O

在以西門子自動化設備為主的除塵系統(tǒng)中現(xiàn)場遠程I/O可以兩種方式組態(tài)。第一種方式以Modbus TCP通信協(xié)議將遠程I/O站組態(tài)至WinCC當中，第二種方式可將遠程I/O站組態(tài)至西門子自動化系統(tǒng)中作為PROFINET I/O站存在。為了實現(xiàn)這一功能，選用了圖爾克公司的BL67-GW-EN網(wǎng)關。該網(wǎng)關具備IP67的防護等級，多協(xié)議支持，如Modbus TCP、EtherNet/IP和PROFINET。

2.2? ? 羅克韋爾AB Ethernet/IP I/O

在以羅克韋爾AB自動化設備為主的除塵系統(tǒng)中，BL67-GW-EN網(wǎng)關能夠支持羅克韋爾AB的EtherNet/IP，并且此款網(wǎng)關支持EtherNet/IP的網(wǎng)絡快速連接（faststartup）功能。在羅克韋爾AB的ControlLogix系統(tǒng)下進行組態(tài)與刪除并不用重啟系統(tǒng)，這對于現(xiàn)場的調(diào)試來說提供了很大的便利。

3 遠程I/O技術與傳統(tǒng)方式對比

遠程I/O系統(tǒng)與傳統(tǒng)的遠程控制相比，具有更強的環(huán)境適應能力，抗干擾、易診斷，施工成本低，具有較強的功能擴展空間。

3.1? ? 可靠性對比

采用圖爾克的BL67系列產(chǎn)品，對環(huán)境溫度來講可以達到-40～70 ℃，其防護等級達到IP67防塵防水，在一般的惡劣環(huán)境下都能夠適應。由于現(xiàn)場設備的I/O信號檢測點距離集中控制中心較遠，不但電纜用量很大，而且路徑周邊環(huán)境復雜，在較長的信號傳輸過程中非常容易受到現(xiàn)場強電的電磁干擾，嚴重影響系統(tǒng)運行。采用遠程I/O技術，各種信號可接入就近的I/O站點，由I/O遠程站通過光纜直接將信號傳輸至集中控制中心，完全避免了線路中的強電磁干擾。遠程I/O為以太網(wǎng)數(shù)字化傳輸，擁有系統(tǒng)自診斷功能及較強的組態(tài)能力，運行維護簡單方便，為將來功能擴展提供了便利。

3.2? ? 經(jīng)濟性對比

對于PLC系統(tǒng)來說，集中控制與分散I/O控制，在信號通道點數(shù)確定的情況下設備采購費用并無太大差別。但傳統(tǒng)方案需要的電纜數(shù)量巨大，每個信號需要2芯1.5 mm2信號電纜，然而遠程I/O技術只需要一根光纜及相應的光電交換機即可，所需電纜可忽略不計。傳統(tǒng)方案信號線路徑中的橋架管線以及相關的土建施工等費用更是無法估量，距離越長，站點越多，采用遠程I/O技術節(jié)約的資金量越大，綜合經(jīng)濟效應顯著。

3.3? ? 功能性對比

工業(yè)級的現(xiàn)場總線必須符合國家標準《工業(yè)通信網(wǎng)絡 現(xiàn)場總線規(guī)范 類型23：CC-Link IE規(guī)范》（GB/T 33537.1～3—2017），因此在國標下構建現(xiàn)場總線，只要符合該標準的現(xiàn)場總線產(chǎn)品，都能夠?qū)φ麄€系統(tǒng)提供支持，從而可以將不同廠商的自動化系統(tǒng)集成在一個總線控制系統(tǒng)中，結合不同廠家的優(yōu)點進行設計，提高系統(tǒng)的自動化程度、執(zhí)行效率及穩(wěn)定性。

現(xiàn)場總線方式對于施工及土建要求極低，完全可以消除因為I/O信號電纜長度較長、環(huán)境較差而產(chǎn)生的信息孤島，甚至可以采用一些較為穩(wěn)定的工業(yè)無線技術進一步擴展系統(tǒng)。

4 結語

一煉軋除塵系統(tǒng)中應用的現(xiàn)場總線方案及圖爾克BL67的高防護等級遠程技術，能明顯降低工程造價，節(jié)約投資，提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性與自動化水平，減少大量土建施工，加快工程進度，并有效節(jié)約整個系統(tǒng)的整體聯(lián)動調(diào)試時間，對整個基建工程有著實質(zhì)性的意義。遠程I/O技術在經(jīng)濟性、可靠性及功能擴展方面皆有出色表現(xiàn)，必將成為自動化建設的主流。

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收稿日期：2021-04-13

作者簡介：王保飛（1981—），男，河南安陽人，電氣工程師，研究方向：電氣自動化。