基于ControlLogix的PLC冗余技術在鋁電解整流供電控制系統中的應用

郭喜鵬，張 濤

（酒鋼集團甘肅東興鋁業有限公司，甘肅 嘉峪關 735100）

引言

在鋁電解企業，整流供電系統平穩運行是企業連續穩定生產的前提，而整流供電控制系統是整流供電系統的核心。傳統的整流控制系統設計均采用非冗余PLC控制技術，當CPU、I/O模塊、電源模塊等器件出現故障時，就會導致整流供電系統停運，對電解鋁企業的連續生產和自備電網的安全運行將產生較大的威脅。本文以某電解鋁企業整流控制系統優化升級為背景，詳細介紹基于AB ControlLogix的PLC冗余技術在鋁電解整流供電控制系統中的應用，建立控制PLC故障容錯響應機制，提高整流供電控制系統可靠性，確保鋁電解企業生產的連續性和穩定性。

1 鋁電解整流供電控制系統概述

鋁電解企業整流供電系統有多臺整流機組構成，采用晶閘管整流裝置，其整流供電控制系統主要由主站總調控制系統、子站機組控制系統和計算機監控系統三個部分組成。總調PLC控制系統主要由總調PLC構成，主要實現單系列總調方式下直流電流的給定操作、系列運行信息的采集和保護、執行電網安全穩定裝置壓（切）負荷指令、與N臺機組穩流控制PLC間的控制信息交互等功能。機組PLC穩流控制系統由穩流控制PLC、晶閘管數字穩流控制器、人機界面、模擬量采集模塊等組成，主要實現單臺整流器運行信息采集，單臺機組工藝保護，直流電流給定、直流隔離刀、有載調壓開關檔位操作等功能。計算機監控系統主要實現整流設備運行參數和狀態的測量、控制，運行信息記錄和打印輸出功能。

2 整流供電控制系統非冗余PLC在運行中存在的主要問題

2.1 總調控制PLC故障重啟引起單系列全停

整流供電控制系統正常在總調方式下運行，即N臺機組PLC控制系統按照總調PLC控制系統的指令執行。當總調PLC控制系統發生工作電源丟失、CPU故障重啟、I/O模塊故障等異常時，總調PLC控制系統停止工作，故障重啟后程序初始化，N臺整流機組給定電流“回零”，造成單系列全停，鋁電解生產中斷，影響企業電網的正常運行和公司正常生產秩序。

2.2 總調控制PLC故障造成電網安全穩定控制系統無法調節電解鋁負荷

電解鋁負荷是企業電網安全穩定控制系統中重要負荷。當電網發生異常時，電網安全穩定控制裝置向電解鋁總調控制PLC發出電解鋁負荷控制指令，總調控制PLC接受到控制命令后，向各整流機組穩流控制PLC發出壓（切）負荷指令。當總調控制PLC故障時，無法接受到電網安全穩定控制裝置的壓（切）負荷指令，嚴重影響電網的安全穩定運行。

3 整流供電控制系統中總調PLC冗余控制方案的實現

為防止整流控制系統故障造成鋁電解生產停滯，建立總調PLC控制系統故障容錯響應機制，對整流控制系統關鍵設備采取冗余配置的方式確保其可靠性。將原來的主站總調ControlLogix 1768系列PLC升級為ControLogix 1756系列熱備冗余控制系統，提升整流PLC控制系統可靠性。

3.1 主站總調PLC硬件冗余配置

主站總調PLC控制系統采用ControlLogix 1756系列硬件冗余方式，該方式無需額外的程序編輯，即可實現PLC冗余。主站總調PLC控制系統配置兩套CPU機架和分布式I/O機架組成，兩個CPU機架件硬組態完全一致。

1）主站CPU機架主要由獨立的電源模塊1756-PA72、控制器1756-L71、冗余模塊1756-RM2、單口以太網模塊1756-EN2T和雙口以太網模塊1756-EN2TR等組成。兩套CPU機架的冗余模塊通過冗余光纖連接，實現冗余狀態監測和信息交互。為保障CPU供電可靠性，兩個CPU機架的電源采用獨立的UPS電源。

2）分布式IO機架由2個冗余電源模塊1756-PA75R、1個冗余電源適配器1756-PSCA2和輸入輸出模塊組成。2個冗余電源模塊也采用獨立的UPS電源，提高供電可靠性。

3.2 子站機組控制PLC配置優化

原子站1768系列PLC硬件大部分無需改動，唯一的變動是把原1768-CNBR模塊替換成1768-ENBT模塊，每個子站都新增了一個1783-ETAP環網網關，用于實現網絡系統的優化。

軟件方面需升級控制器的固件版本，保證和主站控制器版本一致，并對消費者標簽連接的控制器進線重新定義。

3.3 網絡架構優化升級

為使整個系統的網絡架構更加便于管理和維護，將整流控制系統通訊方式全部采用以太網通訊，分成兩個獨立的網段控制層和信息層。

3.3.1 控制層

總站總調控制系統和子站機組控制系統通訊方式由傳統ControlNet網絡升級為EtherNet/IP網，主站和子站系統數據交換方式采用消費者模式?？傉{PLC控制系統和分布式I/O子站以及各機組控制系統采用以太網DLR設備環網通訊。DLR設備環網能保證整個網絡的任何一個節點故障，整個網絡能夠正常工作，網絡通訊速率由原來5 Mbit/s提高至100 Mbit/s，提高了控制網絡運行可靠性[1]。

3.3.2 信息層

在總調PLC控制系統和機組PLC控制系統分別增加一個以太網模塊，與上位機進行通訊。

4 可靠性分析

4.1 控制器冗余實現無擾動切換

ContolLogix熱備冗余控制系統的兩個控制器為“主—從”關系。兩套CPU機架分別為主機架和從機架，正常情況下由主機控制整個系統，從機保持與主機通訊，監控主機的運行狀態。若主機架發生電源丟失、控制器故障、拔插模塊、模塊故障和控制網絡故障時，冗余系統會將控制權從主機架自動快速切換至從機架，從機立即運行切換程序。將控制權轉到從機，切換時間最快可達20 ms，實現無擾動切換[2]。而當故障CPU機架恢復之后，則自動轉為從機熱備運行。

4.2 電源冗余提高系統可靠性

電源是確保PLC控制系統正常運行的源動力，一旦PLC的電源突然掉電就會造成控制系統停運，影響較大。一是主、從機架的電源冗余，主、從機架分別引接來自不同段的獨立UPS電源，控制系統工作電源可靠性大大提高。二是分布式I/O機架的電源冗余，I/O機架由兩個電源模塊供電，兩個電源模塊電源也引接獨立的UPS電源，在任一電源或電源模塊故障時，切換到另一個電源，繼續為I/O機架供電，保證I/O機架可靠運行。

4.3 控制層環網，提高控制網絡可靠性

主站總調控制PLC的主從機架、分布式I/O機架和N臺子站機組控制PLC構成以太網環網結構，當環網結構中發生一點網絡中斷，整個控制網絡層仍能夠可靠工作。

5 結語

鋁電解生產工藝對整流供電系統運行的可靠性和穩定性要求高，通過對整流控制系統總調PLC硬件冗余配置和電源冗余優化，可以有效降低整控制系統運行風險，保障整流供電系統的安全、穩定、可靠運行，充分發揮自動控制裝置在鋁電解整流供電系統中的作用。