施耐德QUANTUMPLC雙機熱備技術在首鋼遷鋼公司7000風機自控系統中的應用

類型分類：: 科普知識

數據分類：: PLC可編程控制器

施耐德QUANTUMPLC雙機熱備技術在首鋼遷鋼公司7000風機自控系統中的應用

發布日期：2022-04-22 點擊率：42 品牌：施耐德_Schneider

榮獲“2007年度工控及自動化領域優秀案例”有獎評選　三等獎
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	專家點評：
	高爐鼓風機是高爐煉鐵的關鍵設備，它運行的可靠性和穩定性直接影響到高爐生產的安全性。論文總結了首鋼7000m3 高爐風機PLC雙機裝備的設備選型、軟硬件組態、重要參數的設定，為高爐的安全生產提供了可靠保證。論文既有理論分析，又有現場故障處理的總結，具有很強的實用性和創新性，對冶金工廠以及煉鐵高爐風機維護人員是一篇很好的參考文章。

內容摘要:
鼓風機擔負著為高爐提供動力能源的重要任務，因此，要求鼓風機控制系統要具有非常高的穩定性和安全性，特別是選擇技術成熟，穩定性好的控制系統尤為重要。本文一方面詳細介紹了QUANTUM PLC雙機熱備技術在首鋼遷鋼公司7000風機自動控制系統中的應用，包括主要設備的選型，軟硬件的組態，重要參數的設定等，另一方面還結合7000風機的應用實例，剖析了雙機熱備系統在使用中常見的問題和處理方法。

關鍵詞: 鼓風機雙機熱備 QUANTUM PLC

1 概述
首鋼遷安有限公司7000立方米高爐鼓風機自動控制系統已于2004年9月順利試車成功，現已正式投產，為高爐供風。該鼓風機是由原首鋼動力廠4#風機搬遷建成。為了提高整個控制系統的穩定性,控制系統選用了性能穩定，功能完善的Schneider公司QUANTUM系列PLC，CPU采用雙機熱備形式，PLC本地站與遠程站之間采用了雙纜連接的方式。系統還配備了以態網模塊和工業交換機,可以通過光纜與其他崗位進行通訊。由于設計的改進，使得整個系統的性能到了全面的優化，穩定性，安全性，經濟性較以前都有了全面的提高。自從投產以來，系統工作狀態非常穩定，有力的保障了生產。

2 QUANTUM PLC雙機熱備技術的主要特點
2.1 雙機熱備系統具有非常高的可靠性
雙機熱備系統具有非常高的可靠性，體現在以下幾個方面：
1) 控制系統為冗余的雙CPU設計，運行時一主一備，并通過高速光纜連接；
2) 控制系統為冗余的雙通訊通道，控制系統間通訊網絡采用Modbus Plus或TCPIP協議,控制系統內部采用RIO網絡結構，以上網絡均可以采用雙纜冗余方式；
3) 控制系統為冗余的雙電源供電。
2.2 正常工作時互為熱備的控制器具有的特性
在雙機熱備系統中，互為熱備的控制器具有如下的工作特性：
1) 實時數據傳輸，確保雙CPU程序的完全一致；
2) 每個掃描周期均傳送數據及狀態信息，確保雙CPU工作狀態的完全一致；
3) 兩個控制器之間采用光纜連接；
4) 切換完成的最長時間是兩個掃描周期；
5) 通訊速率為10M,熱備系統可放于3km之外；
6) 當控制程序發生改變時，可以自動完成程序下裝功能；
7) 初次組態時，用戶快速、有效只需下裝一次程序；
8) 使用IEC方式的雙機熱備配置不需要編程工作；
9) 使用ModSoftConcept組態軟件均可進行配置；
10) 用可裝載功能塊支持984800系列用戶；
11) CHS模塊熱更換-無需停機時間。
2.3 便捷安全的熱備切換方式
可以通過以下幾種方式實現便捷安全的熱備切換：
1) 將主控機鑰匙開關從RUN切到OFFLINE,即可完成手動熱備切換；
2) 也可以通過人機界面或編程器切換；
3) 在電源失效，CPU失效，IO失效(電纜或模板)，NOM失效(只在啟動時)將完成CPU的自動切換。
3 遷鋼公司7000風機熱備系統構成
3.3 PLC的硬件設備選型及設定
一套完整的Quantum 熱備系統需要以下設備：
1) 兩塊相同的至少四槽的背板；
2) 性能完全相同的兩塊CPU控制器；
3) 兩塊類型一致的RIO處理器；
4) 兩塊類型一致的電源模塊；
5) 兩塊熱備模板CHS 110；
6) 連接用的光纖電纜；
7) 網絡連接的組件包括：分支器，RIO處理器與RIO網絡連接使用的F接頭，分支器MA-0186-100，MA-0185-100，終端電阻52-0422-000 ；
8) 如果需要其他的通訊協議，則需要增加其他的通訊適配器。
根據以上的構成熱備系統的設備要求和實際需要，首鋼遷鋼公司7000立方米風機控制系統包括plc控制柜2套，分別用來安裝本地站和遠程站，雙機熱備的CPU安裝在本地站，本地站和遠程站之間采用雙纜連接。主要的設備選型如表1所示：

選定硬件設備后，需要按照如下的順序安裝熱備系統：
1) 安裝本地站和遠程站的電源模塊，CPU，RIO處理器，hot standby 模塊，TCPIP模塊到背板，需要注意的是熱備系統兩個底板上安裝的模板種類和順序必須一致。兩個CPU地設備地址設定必須相同。兩個Ethernet模塊的IP地址設定必須相同。hot standby 模塊的指定滑動開關必須一個設定為A,另外一個設定為B.
2) 連接網絡，包括安裝RIO網絡和Ethernet網絡，按照網絡結構圖，分別安裝RIO處理器和遠程站之間的分支器和F接頭，連接RIO站間的同軸電纜，Ethernet交換機和網線；
3) 連接兩個hot standby 模塊之間的光纖。
3.4 編程和上位監控系統
首先確定編程和上位監控系統與PLC之間選擇TCPIP的通訊協議。組態軟件Concept和上位監控軟件都支持TCPIP的通訊協議，只要將網絡搭建起來即可。遷鋼公司7000立方米風機熱備系統選用TCPIP的通訊協議，需要的主要設備如下：
1) 編程和上位監控系統微機需配備Ethernet網卡；
2) 為了與熱備的PLC通訊，需要安裝Ethernet交換機；
另外，為了開發出理想的監控系統，選擇的監控軟件是美國TCPWonderware公司開發的InTouch8.0。InTouch是一個集成的、基于組CPIP件的MMI系統——FactorySuite 2000中的一個核心組件。它具有美觀的HMI（人機接口界面）和面向對象的圖形開發環境，能夠高效、快捷地配置用戶的應用程序。其在穩定性，開放性，網絡功能，數據庫功能等方面都具有很大的優越性。使用INTOUCH開發的監控畫面包括顯示系統工藝過程的主畫面，潤滑系統，軸振系統，軸位移系統等監控畫面，以及報警、歷史曲線、實時曲線和報表等。系統的主要監控界面如圖1，圖2，圖3，圖4所示。

3.3 熱備系統硬件網絡的構成
根據對PLC系統和編程和上位監控系統的選擇，確定整個控制系統的硬件網絡結構。控制系統由研華IPC610工業計算機一臺，EPSON LQ1600KIII打印機一臺，PHILIPS201P顯示器兩臺，WINFAST多屏卡一塊等構成，其網絡結構如圖5所示。其中，PLC系統為雙機雙纜冗余熱備系統，其主機IP為100.100.100.35和100.100.100.36，Quantum 本地（Local）站一個，遠程（Remote）站兩個，PLC主機與工控機之間采用TCPIP通訊協議，工控機IP地址為100.100.100.37。

3.4 熱備系統CPU的軟件組態
使用Concept軟件來組態項目，在創建一個新的項目的時候，需要指定選項IEC Hot Standy選項。指定此選項的目的就是為了安裝相應的熱備系統支持程序到控制器中，在Concept V2.6版本中，這些支持程序是和Concept軟件綁定在一起的，在選中IEC Hot Standy 項目后就已經激活了相應的程序，如圖6，圖7所示。

圖5：雙機熱備系統硬件構成

另外，還需要設定Hot Standby 擴展屬性，Hot Standby 擴展屬性包括的內容如圖8所示：

使用Concept軟件提供的Hot Standby擴展屬性組態界面指定Hot Standby如下屬性：
1) 指定Hot Standby 命令寄存器參數；
2) 定義非傳送區域地址范圍，以減少CPU的掃描周期；
3) 定義CPU啟動后的工作狀態，相互熱備的CPU哪一個處于ONLINE狀態；
4) 定義處于熱備的CPU在程序發生不匹配時所產生動作，是由熱備轉為自動離線還是由熱備轉換為運行；
5) 定義當相互熱備的CPU工作狀態相互切換時要交換設備地址的通訊口，包括MODBUS口1，2，3；
6) 使能或者禁止邏輯映象按鈕忽略；
7) 定義執行邏輯升級時CPU所采取的處理方式，可以選擇“不用停機”也可以選擇“使用停機”方式；
完成上述的硬件配置和設定工作之后，分別將項目的配置下裝到兩個CPU中，熱備系統就已經建立起來。需要注意的是在向CPU中下裝組態時，需要先將兩個CPU的備用電池取下，至少10分鐘以上，以確保CPU在下裝組態之前存儲器中沒有任何數據。
4 熱備PLC系統常見故障及處理
熱備系統的硬件網絡結構圖如圖1所示，熱備CPU通過高速光纜連接，CPU的每個掃描周期均以10M通訊速率，實時由主CPU向備CPU傳輸數據及狀態信息,熱備系統具有自動程序下裝功能，快速、有效只需下裝一次程序，配置不需要編程工作，CHS模塊熱更換-無停機時間。
CHS熱備模塊的顯示面板如圖9所示，其主要顯示燈含義如表2。
CHS熱備模塊的常見故障處理如圖10所示。