內(nèi)容摘要:
鼓風(fēng)機(jī)擔(dān)負(fù)著為高爐提供動(dòng)力能源的重要任務(wù)，因此，要求鼓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)要具有非常高的穩(wěn)定性和安全性，特別是選擇技術(shù)成熟，穩(wěn)定性好的控制系統(tǒng)尤為重要。本文一方面詳細(xì)介紹了QUANTUM PLC雙機(jī)熱備技術(shù)在首鋼遷鋼公司7000風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，包括主要設(shè)備的選型，軟硬件的組態(tài)，重要參數(shù)的設(shè)定等，另一方面還結(jié)合7000風(fēng)機(jī)的應(yīng)用實(shí)例，剖析了雙機(jī)熱備系統(tǒng)在使用中常見的問題和處理方法。
關(guān)鍵詞: 鼓風(fēng)機(jī) 雙機(jī)熱備 QUANTUM PLC
1 概述
首鋼遷安有限公司7000立方米高爐鼓風(fēng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)已于2004年9月順利試車成功，現(xiàn)已正式投產(chǎn)，為高爐供風(fēng)。該鼓風(fēng)機(jī)是由原首鋼動(dòng)力廠4#風(fēng)機(jī)搬遷建成。為了提高整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,控制系統(tǒng)選用了性能穩(wěn)定，功能完善的Schneider公司QUANTUM系列PLC，CPU采用雙機(jī)熱備形式，PLC本地站與遠(yuǎn)程站之間采用了雙纜連接的方式。系統(tǒng)還配備了以態(tài)網(wǎng)模塊和工業(yè)交換機(jī),可以通過光纜與其他崗位進(jìn)行通訊。由于設(shè)計(jì)的改進(jìn)，使得整個(gè)系統(tǒng)的性能到了全面的優(yōu)化，穩(wěn)定性，安全性，經(jīng)濟(jì)性較以前都有了全面的提高。自從投產(chǎn)以來，系統(tǒng)工作狀態(tài)非常穩(wěn)定，有力的保障了生產(chǎn)。
2 QUANTUM PLC雙機(jī)熱備技術(shù)的主要特點(diǎn)
2.1 雙機(jī)熱備系統(tǒng)具有非常高的可靠性
雙機(jī)熱備系統(tǒng)具有非常高的可靠性，體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
1) 控制系統(tǒng)為冗余的雙CPU設(shè)計(jì)，運(yùn)行時(shí)一主一備，并通過高速光纜連接；
2) 控制系統(tǒng)為冗余的雙通訊通道，控制系統(tǒng)間通訊網(wǎng)絡(luò)采用Modbus Plus或TCPIP協(xié)議,控制系統(tǒng)內(nèi)部采用RIO網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以上網(wǎng)絡(luò)均可以采用雙纜冗余方式；
3) 控制系統(tǒng)為冗余的雙電源供電。
2.2 正常工作時(shí)互為熱備的控制器具有的特性
在雙機(jī)熱備系統(tǒng)中，互為熱備的控制器具有如下的工作特性：
1) 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，確保雙CPU程序的完全一致；
2) 每個(gè)掃描周期均傳送數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息，確保雙CPU工作狀態(tài)的完全一致；
3) 兩個(gè)控制器之間采用光纜連接；
4) 切換完成的最長(zhǎng)時(shí)間是兩個(gè)掃描周期；
5) 通訊速率為10M,熱備系統(tǒng)可放于3km之外；
6) 當(dāng)控制程序發(fā)生改變時(shí)，可以自動(dòng)完成程序下裝功能；
7) 初次組態(tài)時(shí)，用戶快速、有效只需下裝一次程序；
8) 使用IEC方式的雙機(jī)熱備配置不需要編程工作；
9) 使用ModSoftConcept組態(tài)軟件均可進(jìn)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(jī)時(shí)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(shí)現(xiàn)便捷安全的熱備切換：
1) 將主控機(jī)鑰匙開關(guān)從RUN切到OFFLINE,即可完成手動(dòng)熱備切換；
2) 也可以通過人機(jī)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(dòng)時(shí))將完成CPU的自動(dòng)切換。
3 遷鋼公司7000風(fēng)機(jī)熱備系統(tǒng)構(gòu)成
3.3 PLC的硬件設(shè)備選型及設(shè)定
一套完整的Quantum 熱備系統(tǒng)需要以下設(shè)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(wǎng)絡(luò)連接的組件包括：分支器，RIO處理器與RIO網(wǎng)絡(luò)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(xié)議，則需要增加其他的通訊適配器。
根據(jù)以上的構(gòu)成熱備系統(tǒng)的設(shè)備要求和實(shí)際需要，首鋼遷鋼公司7000立方米風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)包括plc控制柜2套，分別用來安裝本地站和遠(yuǎn)程站，雙機(jī)熱備的CPU安裝在本地站，本地站和遠(yuǎn)程站之間采用雙纜連接。主要的設(shè)備選型如表1所示：
選定硬件設(shè)備后，需要按照如下的順序安裝熱備系統(tǒng)：
1) 安裝本地站和遠(yuǎn)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(tǒng)兩個(gè)底板上安裝的模板種類和順序必須一致。兩個(gè)CPU地設(shè)備地址設(shè)定必須相同。兩個(gè)Ethernet模塊的IP地址設(shè)定必須相同。hot standby 模塊的指定滑動(dòng)開關(guān)必須一個(gè)設(shè)定為A,另外一個(gè)設(shè)定為B.
2) 連接網(wǎng)絡(luò)，包括安裝RIO網(wǎng)絡(luò)和Ethernet網(wǎng)絡(luò)，按照網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，分別安裝RIO處理器和遠(yuǎn)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(jī)和網(wǎng)線；
3) 連接兩個(gè)hot standby 模塊之間的光纖。
3.4 編程和上位監(jiān)控系統(tǒng)
首先確定編程和上位監(jiān)控系統(tǒng)與PLC之間選擇TCPIP的通訊協(xié)議。組態(tài)軟件Concept和上位監(jiān)控軟件都支持TCPIP的通訊協(xié)議，只要將網(wǎng)絡(luò)搭建起來即可。遷鋼公司7000立方米風(fēng)機(jī)熱備系統(tǒng)選用TCPIP的通訊協(xié)議，需要的主要設(shè)備如下：
1) 編程和上位監(jiān)控系統(tǒng)微機(jī)需配備Ethernet網(wǎng)卡；
2) 為了與熱備的PLC通訊，需要安裝Ethernet交換機(jī)；
另外，為了開發(fā)出理想的監(jiān)控系統(tǒng)，選擇的監(jiān)控軟件是美國TCPWonderware公司開發(fā)的InTouch8.0。InTouch是一個(gè)集成的、基于組CPIP件的MMI系統(tǒng)——FactorySuite 2000中的一個(gè)核心組件。它具有美觀的HMI（人機(jī)接口界面）和面向?qū)ο蟮膱D形開發(fā)環(huán)境，能夠高效、快捷地配置用戶的應(yīng)用程序。其在穩(wěn)定性，開放性，網(wǎng)絡(luò)功能，數(shù)據(jù)庫功能等方面都具有很大的優(yōu)越性。使用INTOUCH開發(fā)的監(jiān)控畫面包括顯示系統(tǒng)工藝過程的主畫面，潤(rùn)滑系統(tǒng)，軸振系統(tǒng)，軸位移系統(tǒng)等監(jiān)控畫面，以及報(bào)警、歷史曲線、實(shí)時(shí)曲線和報(bào)表等。系統(tǒng)的主要監(jiān)控界面如圖1，圖2，圖3，圖4所示。
3.3 熱備系統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成
根據(jù)對(duì)PLC系統(tǒng)和編程和上位監(jiān)控系統(tǒng)的選擇，確定整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。控制系統(tǒng)由研華IPC610工業(yè)計(jì)算機(jī)一臺(tái)，EPSON LQ1600KIII打印機(jī)一臺(tái)，PHILIPS201P顯示器兩臺(tái)，WINFAST多屏卡一塊等構(gòu)成，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中，PLC系統(tǒng)為雙機(jī)雙纜冗余熱備系統(tǒng)，其主機(jī)IP為100.100.100.35和100.100.100.36，Quantum 本地（Local）站一個(gè)，遠(yuǎn)程（Remote）站兩個(gè)，PLC主機(jī)與工控機(jī)之間采用TCPIP通訊協(xié)議，工控機(jī)IP地址為100.100.100.37。
3.4 熱備系統(tǒng)CPU的軟件組態(tài)
使用Concept軟件來組態(tài)項(xiàng)目，在創(chuàng)建一個(gè)新的項(xiàng)目的時(shí)候，需要指定選項(xiàng)IEC Hot Standy選項(xiàng)。指定此選項(xiàng)的目的就是為了安裝相應(yīng)的熱備系統(tǒng)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(xiàng)目后就已經(jīng)激活了相應(yīng)的程序，如圖6，圖7所示。
圖5：雙機(jī)熱備系統(tǒng)硬件構(gòu)成
另外，還需要設(shè)定Hot Standby 擴(kuò)展屬性，Hot Standby 擴(kuò)展屬性包括的內(nèi)容如圖8所示：
使用Concept軟件提供的Hot Standby擴(kuò)展屬性組態(tài)界面指定Hot Standby如下屬性：
1) 指定Hot Standby 命令寄存器參數(shù)；
2) 定義非傳送區(qū)域地址范圍，以減少CPU的掃描周期；
3) 定義CPU啟動(dòng)后的工作狀態(tài)，相互熱備的CPU哪一個(gè)處于ONLINE狀態(tài)；
4) 定義處于熱備的CPU在程序發(fā)生不匹配時(shí)所產(chǎn)生動(dòng)作，是由熱備轉(zhuǎn)為自動(dòng)離線還是由熱備轉(zhuǎn)換為運(yùn)行；
5) 定義當(dāng)相互熱備的CPU工作狀態(tài)相互切換時(shí)要交換設(shè)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(zhí)行邏輯升級(jí)時(shí)CPU所采取的處理方式，可以選擇“不用停機(jī)”也可以選擇“使用停機(jī)”方式；
完成上述的硬件配置和設(shè)定工作之后，分別將項(xiàng)目的配置下裝到兩個(gè)CPU中，熱備系統(tǒng)就已經(jīng)建立起來。需要注意的是在向CPU中下裝組態(tài)時(shí)，需要先將兩個(gè)CPU的備用電池取下，至少10分鐘以上，以確保CPU在下裝組態(tài)之前存儲(chǔ)器中沒有任何數(shù)據(jù)。
4 熱備PLC系統(tǒng)常見故障及處理
熱備系統(tǒng)的硬件網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，熱備CPU通過高速光纜連接，CPU的每個(gè)掃描周期均以10M通訊速率，實(shí)時(shí)由主CPU向備CPU傳輸數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息,熱備系統(tǒng)具有自動(dòng)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(jī)時(shí)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。
5 結(jié)束語
由于風(fēng)機(jī)在整個(gè)生產(chǎn)流程中的重要作用，控制系統(tǒng)必須穩(wěn)定。使用QUANTUM PLC雙機(jī)熱備技術(shù)滿足了系統(tǒng)對(duì)控制提出的要求，實(shí)現(xiàn)了控制的安全，穩(wěn)定，高效。該控制系統(tǒng)自投入以來，工作性能非常穩(wěn)定，為生產(chǎn)提供了保障。實(shí)踐證明該應(yīng)用方案是成功的。
