基于ControlLogix的PLC冗余技术在铝电解整流供电控制系统中的应用

郭喜鹏，张 涛

（酒钢集团甘肃东兴铝业有限公司，甘肃 嘉峪关 735100）

引言

在铝电解企业，整流供电系统平稳运行是企业连续稳定生产的前提，而整流供电控制系统是整流供电系统的核心。传统的整流控制系统设计均采用非冗余PLC控制技术，当CPU、I/O模块、电源模块等器件出现故障时，就会导致整流供电系统停运，对电解铝企业的连续生产和自备电网的安全运行将产生较大的威胁。本文以某电解铝企业整流控制系统优化升级为背景，详细介绍基于AB ControlLogix的PLC冗余技术在铝电解整流供电控制系统中的应用，建立控制PLC故障容错响应机制，提高整流供电控制系统可靠性，确保铝电解企业生产的连续性和稳定性。

1 铝电解整流供电控制系统概述

铝电解企业整流供电系统有多台整流机组构成，采用晶闸管整流装置，其整流供电控制系统主要由主站总调控制系统、子站机组控制系统和计算机监控系统三个部分组成。总调PLC控制系统主要由总调PLC构成，主要实现单系列总调方式下直流电流的给定操作、系列运行信息的采集和保护、执行电网安全稳定装置压（切）负荷指令、与N台机组稳流控制PLC间的控制信息交互等功能。机组PLC稳流控制系统由稳流控制PLC、晶闸管数字稳流控制器、人机界面、模拟量采集模块等组成，主要实现单台整流器运行信息采集，单台机组工艺保护，直流电流给定、直流隔离刀、有载调压开关档位操作等功能。计算机监控系统主要实现整流设备运行参数和状态的测量、控制，运行信息记录和打印输出功能。

2 整流供电控制系统非冗余PLC在运行中存在的主要问题

2.1 总调控制PLC故障重启引起单系列全停

整流供电控制系统正常在总调方式下运行，即N台机组PLC控制系统按照总调PLC控制系统的指令执行。当总调PLC控制系统发生工作电源丢失、CPU故障重启、I/O模块故障等异常时，总调PLC控制系统停止工作，故障重启后程序初始化，N台整流机组给定电流“回零”，造成单系列全停，铝电解生产中断，影响企业电网的正常运行和公司正常生产秩序。

2.2 总调控制PLC故障造成电网安全稳定控制系统无法调节电解铝负荷

电解铝负荷是企业电网安全稳定控制系统中重要负荷。当电网发生异常时，电网安全稳定控制装置向电解铝总调控制PLC发出电解铝负荷控制指令，总调控制PLC接受到控制命令后，向各整流机组稳流控制PLC发出压（切）负荷指令。当总调控制PLC故障时，无法接受到电网安全稳定控制装置的压（切）负荷指令，严重影响电网的安全稳定运行。

3 整流供电控制系统中总调PLC冗余控制方案的实现

为防止整流控制系统故障造成铝电解生产停滞，建立总调PLC控制系统故障容错响应机制，对整流控制系统关键设备采取冗余配置的方式确保其可靠性。将原来的主站总调ControlLogix 1768系列PLC升级为ControLogix 1756系列热备冗余控制系统，提升整流PLC控制系统可靠性。

3.1 主站总调PLC硬件冗余配置

主站总调PLC控制系统采用ControlLogix 1756系列硬件冗余方式，该方式无需额外的程序编辑，即可实现PLC冗余。主站总调PLC控制系统配置两套CPU机架和分布式I/O机架组成，两个CPU机架件硬组态完全一致。

1）主站CPU机架主要由独立的电源模块1756-PA72、控制器1756-L71、冗余模块1756-RM2、单口以太网模块1756-EN2T和双口以太网模块1756-EN2TR等组成。两套CPU机架的冗余模块通过冗余光纤连接，实现冗余状态监测和信息交互。为保障CPU供电可靠性，两个CPU机架的电源采用独立的UPS电源。

2）分布式IO机架由2个冗余电源模块1756-PA75R、1个冗余电源适配器1756-PSCA2和输入输出模块组成。2个冗余电源模块也采用独立的UPS电源，提高供电可靠性。

3.2 子站机组控制PLC配置优化

原子站1768系列PLC硬件大部分无需改动，唯一的变动是把原1768-CNBR模块替换成1768-ENBT模块，每个子站都新增了一个1783-ETAP环网网关，用于实现网络系统的优化。

软件方面需升级控制器的固件版本，保证和主站控制器版本一致，并对消费者标签连接的控制器进线重新定义。

3.3 网络架构优化升级

为使整个系统的网络架构更加便于管理和维护，将整流控制系统通讯方式全部采用以太网通讯，分成两个独立的网段控制层和信息层。

3.3.1 控制层

总站总调控制系统和子站机组控制系统通讯方式由传统ControlNet网络升级为EtherNet/IP网，主站和子站系统数据交换方式采用消费者模式。总调PLC控制系统和分布式I/O子站以及各机组控制系统采用以太网DLR设备环网通讯。DLR设备环网能保证整个网络的任何一个节点故障，整个网络能够正常工作，网络通讯速率由原来5 Mbit/s提高至100 Mbit/s，提高了控制网络运行可靠性[1]。

3.3.2 信息层

在总调PLC控制系统和机组PLC控制系统分别增加一个以太网模块，与上位机进行通讯。

4 可靠性分析

4.1 控制器冗余实现无扰动切换

ContolLogix热备冗余控制系统的两个控制器为“主—从”关系。两套CPU机架分别为主机架和从机架，正常情况下由主机控制整个系统，从机保持与主机通讯，监控主机的运行状态。若主机架发生电源丢失、控制器故障、拔插模块、模块故障和控制网络故障时，冗余系统会将控制权从主机架自动快速切换至从机架，从机立即运行切换程序。将控制权转到从机，切换时间最快可达20 ms，实现无扰动切换[2]。而当故障CPU机架恢复之后，则自动转为从机热备运行。

4.2 电源冗余提高系统可靠性

电源是确保PLC控制系统正常运行的源动力，一旦PLC的电源突然掉电就会造成控制系统停运，影响较大。一是主、从机架的电源冗余，主、从机架分别引接来自不同段的独立UPS电源，控制系统工作电源可靠性大大提高。二是分布式I/O机架的电源冗余，I/O机架由两个电源模块供电，两个电源模块电源也引接独立的UPS电源，在任一电源或电源模块故障时，切换到另一个电源，继续为I/O机架供电，保证I/O机架可靠运行。

4.3 控制层环网，提高控制网络可靠性

主站总调控制PLC的主从机架、分布式I/O机架和N台子站机组控制PLC构成以太网环网结构，当环网结构中发生一点网络中断，整个控制网络层仍能够可靠工作。

5 结语

铝电解生产工艺对整流供电系统运行的可靠性和稳定性要求高，通过对整流控制系统总调PLC硬件冗余配置和电源冗余优化，可以有效降低整控制系统运行风险，保障整流供电系统的安全、稳定、可靠运行，充分发挥自动控制装置在铝电解整流供电系统中的作用。