大型高炉物料运输系统中网络资源整合与结构优化

河钢集团宣钢机电公司 张娅楠

0 引言

物料运输系统中，任何一个环节出现问题，都会引起整系统的设备停机，尤其对于高炉的生产来说，物料供应的中断，就意味着停产。河钢宣钢大型高炉的运矿自动控制系统中有42条皮带均使用连锁控制，只要其中一条皮带出现故障停止运行，就会从来料方向对所有皮带进行顺序停车，在实现集中控制后要使设备实现运行稳定，需要稳定的信号通讯，因为一旦通讯时信号丢失，程序中就会认为皮带已停止运行，引起连锁停机，这就对物料运输系统中的三个过程站间的光纤网络通讯质量提出了很高的要求，原单路光纤环网已经不能满足正常生产的使用要求，需要将其升级为双光纤冗余环网，并与三套系统的冗余控制器共同形成带自愈功能的冗余通讯系统，再进行结构优化，使其更稳定；而在设备的集中控制方面，三套系统中很多冗余设备的运行状态没有实现实时的监控，冗余设备出现故障，需要靠人工点检才能发现，而点检路线远，点检周期长，会导致冗余设备停止工作后无法第一时间发现并解决，为设备正常运行埋下隐患，所有构建一套实时监测系统，也是十分必要的。

1 通讯网络的整合与优化

原物料运输系统的通讯网络，采用单光纤环网进行第一级的外层通讯，现场总线设备所构成的第二级通讯网络则采用ABB的CI801单路通讯模件进行数据的采集，当有网络故障发生，通讯设备无冗余备用，直接影响系统的各类数据传输，影响程序中关于信号的识别，引起整系统的设备停机，需要将第一级外层通讯网络改造为双光纤冗余环网，再将3套冗余控制系统接入光纤交换机中，实现外层设备的冗余通讯。在现场设备附近，分散着大量以现场总线设备为采集终端的现场总线箱，同样以光纤作为通讯线路，将光纤接入西门子OLM光纤转换器，再连接ABB RLM 01冗余分配模件，最后通过ABB CI840冗余通讯模件，连接相关子模件，实现了终端现场总线设备的冗余通讯，形成了第二级冗余网络。

在原赫斯曼交换机组成的单光纤环网的基础上，用复制的方法，配置第二条光纤环网，在同样的节点，增加同样的光纤交换机；将3#交换机主、3#交换机从的DIP开关中的RM选择为ON，使其成为环网管理机，它的功能是在光纤环网中自动阻断其中一路光纤通讯，避免其成环，影响通讯，而当环网管理机在检测到另外一路光纤断路后，自动开放阻断的那一路，重新形成通讯通路。

在2路独立的光纤环网配置完成之后，开始进行它们之间的耦合：在1#交换机主、1#交换机从上，通过交换机上的DIP开关设置：STAND BY选择ON，将此交换机设置为两路光纤的耦合点，通过交叉网线将其联通，使其成为2路光纤环网的耦合节点，耦合点起到了联通连个光纤环网的目的，完成其耦合也是为了下一步分配控制器工作做准备。

针对ABB控制器的冗余特点，即：每套控制系统都有主、从两个控制器，可实现冗余无扰切换，正好可以同双光纤冗余环网中节点上的主、从交换机相连接匹配。将每个站点的控制器主、控制器从对应地接入到交换机主、从中，交换机所对应的三个控制系统中的主、从控制器以及操作电脑分别接入到两路光纤环网中，使其形成双光纤环网，并与控制器、操作电脑的实现对接冗余。

在完成双光纤环网的升级改造后，对整个通讯网络进行重新梳理后发现，其中在4#交换机所处网络节点上，虽然安装了交换机，但此节点只起到了光纤通路的作用，没有任何设备和数据的接入（此交换机中之前接入了2台操作电脑，后因人员集中管理，将其移至1#交换机处），如果仍保留这个交换机节点，就整套系统来说，增加了一个故障点，通过光纤熔接，将此交换机摘除，既不影响整个光纤网络的正常使用，同时还减少了故障点，节省了设备资源。

图1 运矿系统网络图

2 远端现场总线设备的冗余通讯

在物料运输系统中，每条皮带的头部、中部、尾部都有现场总线箱，其中安装着现场总线设备，用于采集皮带的各类信号，例如：集中信号、皮带运行信号、皮带电流、急停命令、跑偏信号、拉绳开关等，这些现场总线箱因为相隔距离远，所以在原设计中采用光纤与DP通讯相结合的方式，组成设备通讯网，在光纤组成环网连接的设备末端，均使用光纤转换器把光纤与DP线进行连接，再通过DP线连接各现场总线箱内的总线设备，来进行各种数据的采集。原远端的数据通讯模块使用的是单路DP线和单路通讯的ABB CI801模件，在实际生产中，经常出现当线路或通讯模件出现故障后，某个现场总线箱整体“离线”，其中采集的重要信号丢失，尤其是皮带运行信号、皮带电流信号，这是程序中判断皮带是否正在运行的关键信号，一旦出现总线箱整体“离线”这种故障，程序中会默认为皮带停止或总线箱出现问题，需要进行相关控制皮带及其连锁皮带的顺序停车，为避免这种因设备问题引起的“误停车”，保证物料运输系统的整体运行稳定性，对现场总线设备的通讯重新设计并进行了改造，经过多次试验，证明下列设计方案可行，并成功应用于实际生产中：各光纤之间的连接，使用西门子OLM光纤转换器，此设备可满足单路光纤构成光纤环网，而此设备上还有1个DP接口，这个DP接口后接入ABB RLM 01模件，它的作用是将单路DP转换为双路DP的冗余通讯，在ABB RLM 01后面将原单路通讯模件ABB CI801改为双路通讯模件ABB CI840,使其在通讯线路、通讯设备上做到了一备一用，互为冗余。

光纤后的DP连接均为单路、单模件，依靠唯一线路保证设备的通讯，极易出现问题，其稳定运行周期短，日常点检无法起到应有的作用，只能在出现故障后进行应急处理。

改造后，从RLM 01模件之后均使用了双路DP线、双路冗余通讯模件，可使设备网络末端的通讯模件和DP线缆均处于一用一备状态，同时在光纤转换器OLM与RLM 01间的DP线，都是在现场总线箱内部，长度小于1米的线缆，基本不会出现问题。远端设备的通讯形成了双路DP和通讯模件，能够实现无扰冗余切换，并且在日常设备点检中，只需要检查冗余设备和线路的状态，就可以保证总线设备的长周期的正常运行，大大减少了因通讯模件和DP线缆故障造成的系统停机。

3 构建通讯监视图

在物料运输系统中，因设备的距离远、跨度大，所以构建网络通讯监视图，是实现设备统一管理必要手段，它可以实时监测系统中各类设备的运行状态，备用设备的情况、报警信息等，并可做为一站式点检的主要点检内容。物料运输系统中，所构建的通讯监视图分为2级，第一级为双光纤环网内的交换机、24V电源、RLM 01、冗余控制器、CI840及下挂模件。其中光纤环网内的赫斯曼交换机将其6针端子排上2、5脚FAULT报警输出用线缆连接至所属系统的模件中，通过程序和画面形成报警显示，当没有故障时，为常闭点，当出现以下故障之一，即输出故障信号，成为常开点：1）单路供电；2）2路供电电源中有至少一路电压低于9.6V；3）内部电压问题造成的交换机故障；4）任意一个连接端口状态异常（包括光纤接口和网线接口）；5）环网断开与恢复的状态切换时。同样的原理，设备的24V电源、RLM 01同样将其报警点用线缆接入系统模件内，形成画面显示。

ABB冗余控制器、CI840及下挂模件的报警状态，是从硬件组态中拆分出对应变量，通过制作自定义功能块，将各类状态码引入其中，再由其对应的状态码判断硬件设备所处的状态。由这些设备信息组成了图1所示的运矿系统网络图。

第二级为P5设备网络，可点击运矿系统网络图中的按钮进入，在这级监视图中，主要接入的设备状态有：光纤转换器、24V电源、RLM 01、CI801、CI840。

其中光纤转换器、24V电源、RLM 01均采用将其报警点用线缆接入所在远程站中的模件，而同样CI801和CI840采用拆分硬件组态中的变量，对应形成报警信息，并做成画面。各远程站的设备运行情况，光纤路由和DP线路一目了然，便于设备点检、故障排查和设备的集中控制。

4 优化设备供电方式

在物料运输系统中，现场安装了许多现场总线箱，而为了保证现场总线采集设备的安全，均采用的是24V供电给现场总线箱，这就为现场设备实现双路供电提供了基础。在原设计中，现场总线设备的供电系统，均使用1段电供给UPS，再由UPS供给现场总线箱内安装的24V电源，由24V电源为现场总线设备供电。在实际生产中，因物料运输系统持续为多座高炉供料，除特殊情况外，基本都保持在持续运转中，而现场总线设备的单路供电，使得日常对UPS的停电清扫，检查等工作内容无法完成，很多时候UPS等供电设备都是“带病”作业，为安全生产埋下隐患。通过改造，在现场总线箱加装了一块24V电源模件，和一块24V供电冗余模件，通过再引入另外一路220V的市电线路供电，直接供给现场总线箱内的24V电源模件，2块24V电源模件的输出接入到24V供电冗余模件中，再由其输出给总线设备，这样其中一路断电，不会对现场总线设备造成影响。在其中的一些供电线路中，安装了220V电源的自动切换装置，虽然也是2路220V电供给自动切换装置，尤其完成设备的供电，但对于现场总线设备来说，任何短时间的断电再供电，都会使模件重新上电检测，直接影响现场设备的信号采集，而改造后，不再使用电源自动切换装置，通过加装24V供电冗余模件后，可保证现场总线设备24V供电的无扰冗余切换。根据以上方法，对所有现场总线设备的供电线路做了统一改造，改造完成后，可以按UPS使用状态，时间等特点，对其进行定时维护、检修，而一旦其中一路供电出现故障，也能够保证物料运输系统中各现场总线设备的持续供电。

5 结束语

在改造前，高炉物料运输系统因为各类故障导致的设备停机频繁发生，已严重影响了高炉的正常供料和生产，通过历时2个月的整合优化与改造，整套系统已不间断运行了19个月，整套系统运行稳定。

在工业以太网中，保证数据传输的可靠、稳定，是首要任务，而避免因通讯故障引起设备不必要的停机，是我们研究冗余网络组成的目的，它可以通过无扰切换、故障检测与分析，避免网络故障的发生，提高运行周期。

在本次升级改造的应用中，在各层次上都进行相关冗余的设计，通过双光纤冗余环网与对应控制器的连接，实现了ABB主、从控制器与工业以太网的完美对接；同时对于范围广、跨度大、数量多的现场总线设备来说，冗余模式下的通讯结构，更稳定，通过日常设备点检，只要检查冗余设备状态，及时排除冗余设备故障，就可使整套系统稳定运行；各类数据信号汇总组成的网络监控图，满足了一站式点检的需求，使维护工作省时省力，效率高；利用24V电源冗余模件对供电线路的改造，既能满足现场总线设备的持续供电，还可对供电设备进行周期性的维修、检查，从根本上保证了系统的持续稳定运行。