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【摘 要】 结合酒钢4#高炉年修项目提出的要求，更好地服务生产，建立了以Unity Quantum为过程控制平台，热备冗余CPU、冗余通讯总线和冗余RIO控制网，实现了高炉生产系统数据通讯的高可靠性、无阻塞和高速度传输，实现了生产现场设备的远程调控。
【关键词】 热备冗余；PLC；工业以太网
1 引言
炼铁高炉的自动化控制方案首先应着眼于系统的可靠性，在设备控制方面要满足炼铁设备及工艺的特定要求，完善必要的软硬件连锁，实现最可靠的启停车顺序控制，以及可靠的处理突发性事件的应急处理方案，确保整个高炉生产系统的安全性。其次，高炉生产的过程控制是由工业微型计算机和PLC系统、计算机网络及控制软件组成的在线计算机应用系统，下位机通过各检测仪表采集高炉配料、上料运行数据、炉体温度、顶温、顶压、风温、风压和除尘系统等工艺参数，经过PLC运算处理，使之成为清晰的“软件仪表”，将过去人工来不及分析的各项缺乏相关项的信息都能充分地利用起来，从而对判断高炉生产过程和指导操作起到了重要的作用。
2 Unity Quantum系统的构成
Unity Quantum PLC系统通常由以下几个部分组成：
背板 为所有模板提供安装基础
电源模板 为所有模板提供供电
CPU模板 对所有数据进行处理
I/O模板 采集数据及输出控制指令
通讯模板 满足多种多样的通讯需求
附属设备 分支器、分离器、接线端子、同轴电缆、网线、继电器等。
3 Unity Quantum冗余处理器
Quantum系统是施耐德推出的世界上第一个通用自动化平台，同时提供了IEC要求的全部5种编程方式：LD、FBD、SFC、IL与ST，将传统DCS与PLC得优势完美地结合于一体，是离散控制和过程控制经济、灵活的硬件控制平台。系统既可连接常规I/O，又可连接RemoteI/O、Profibus、FF、CAN及Modbus等各种现场总线设备，具有高度的灵活性和极好的扩展性。
Unity Quantum系统双机热备技术的可靠性主要体现在以下3个方面：一是控制系统冗余的双CPU设计，运行时一主一备，并通过高速光缆连接；二是采用冗余的双通讯通道，控制系统间通讯网络采用Modbus Plus或TCP/IP协议，控制系统内部采用RIO网络结构，以上均采用双缆冗余方式；三是控制系统采用冗余的双电源供电。
在双机热备系统中，互为热备的CPU具有如下的工作特性：
a 实时数据传输，确保双CPU程序的完全一致；
b 每个扫描周期均传送数据及状态信息，确保双CPU状态的完全一致；
c 两个控制器之间采用光缆连接；
d 切换完成的最长时间是两个扫描周期；
e 通讯速率为10M，热备系统可放于3km之外；
f 当控制程序发生改变时，可以自动完成程序更新功能（需添加一段小程序）；
g 初次组态时，用户快速、有效只需下装一次程序；
h 使用IEC方式的双机热备配置不需要编程工作；
i 使用ModSoft/Concept组态软件均可进行配置；
j 用可装载功能块支持984、800系列用户；
4 网络结构
4#高炉炉顶、矿槽系统自动化网络结构见下图1所示，配备6个操作站、1个工程师站、4个过程级控制站及2个具有冗余功能的交换机。7台操作站PC机完成传统控制功能，如操作与监视、归档与信息记录、趋势与报警等。该过程级控制站采用Unity的热备处理器140CPU67160，I/O模块采用140DDI35300和140DDO35300等与现场不同类型的过程信号相连接。冗余CPU、冗余模块、冗余通讯总线等组成的工业以太网，保证了系统数据通讯的高可靠性、无阻塞和高速度传输，进一步提高了自动化系统的稳定性。
4.1 现场I/O层
I/O模块采用施耐德Modicon Quantum系列模版，其开关量I/O模块为140DDI35300和140DDO35300为32通道，模拟量I/O模块均为8通道，现场I/O层配备模拟量输入输出模块、热电阻和热电偶等模块。采集来自现场的各类开关、温度、压力、流量等信号。
远程站采用RIO通讯适配器（CRP、CRA）模板进行连接，完成与上级处理器的通讯，通讯协议为S908，通讯速率是1.544Mbps，通讯距离：最远4572米（同轴电缆），14公里（光纤），支持最大子站数31个。
4.2 控制层
根据高炉工艺要求，整个自动化过程由4个过程站完成：
（1）炉顶、矿槽过程站；用于对槽下上料及炉顶布料的自动控制；
（2）本体过程站：用于对高炉本体运行的状态检测；
（3）热风炉过程站：用于热风炉和高炉的各种温度、压力及流量等数据的采集、分析与控制；
（4）布袋除尘过程站：用于对荒煤气进行除尘后再供各用户使用。
对过程设备的控制、运算、监控和趋势采集的组态都在过程站里组态完成。过程站（炉顶、矿槽）的硬件设备包括 Unity Quantum处理器和通讯模块，采用冗余140CPU67160实现现场过程控制（其他三个过程站采用传统TSX Quantum处理器和通讯模块，采用单机140CPU53414实现过程控制）。总线通讯模块升级为PROSOFT公司的PTQ-PDPMV1模块，实现与远距离的现场I/O点的通讯。
4.3 管理监控层
管理监控层包括6个操作站、1个工程师站。操作站分别完成了炉顶、矿槽系统；本体系统；热风炉系统和布袋除尘系统的工艺过程级参数监控，显示生产流程画面、趋势与报警画面。工程师站用于自动过程级控制的组态、过程调试等。
控制层与管理层之间采用TCP/IP Ethernet通讯协议，使用赫斯曼交换机建立控制层与管理层间的连接，使网络的可靠性高，实现高效率的数据通讯。
5 自动化系统软件
5.1 控制站软件Unity Pro
Unity Pro是针对Atrinm、Preminm和Quantum自动化平台的通用的编程工具，支持5种标准的IEC 61131-3编程语言以及面向C++的开放。基于全新架构，Unity Pro嵌入了开放的XML技术，更利于数据交换和定制。其特点是：DFB功能的定义集成到了Unity Pro软件中，编写DFB模块更加方便；丰富及合理的数据类型是数组类型变量的定义方便灵活；组态功能强大，丰富的程序调试工具使调试工作方便快捷；自定义程序模块的属性，确保了编程人员的知识产权；丰富的功能库函数满足了多样化的程序编写要求；管理目录树行化，使用户查找信息更加方便。
Unity Pro的DFB可以设置多到32个输入引脚和32个输出引脚，能满足比较复杂的单体设备控制应用。DFB在调用运行的过程中，稳定性好，每调用一次该子程序，就会在内存中开辟一块专业的区域存放运行中间变量，不会发生多次调用冲突。
5.2 管理层监控软件 InTouch
Wonderware InTouch是为 Microsoft Windows 2000、 Windows XP 以及 Windows 2003 操作系统创建 HMI 应用程序的最简单、最快捷的方式。InTouch 应用程序广泛应用于全球各地的众多垂直市场，包括食品加工、半导体、石油与天然气、汽车、化工、制药、纸浆与造纸、交通、公共事业、冶金等等。
6 结束语
4#高炉炉顶、矿槽系统PLC升级后，运行平稳，Unity PLC充分发挥了其配置灵活、控制可靠、编程方便和可以在现场调试的优点，给整个系统的稳定和高炉生产带来了较大的作用。
【关键词】 热备冗余；PLC；工业以太网
1 引言
炼铁高炉的自动化控制方案首先应着眼于系统的可靠性，在设备控制方面要满足炼铁设备及工艺的特定要求，完善必要的软硬件连锁，实现最可靠的启停车顺序控制，以及可靠的处理突发性事件的应急处理方案，确保整个高炉生产系统的安全性。其次，高炉生产的过程控制是由工业微型计算机和PLC系统、计算机网络及控制软件组成的在线计算机应用系统，下位机通过各检测仪表采集高炉配料、上料运行数据、炉体温度、顶温、顶压、风温、风压和除尘系统等工艺参数，经过PLC运算处理，使之成为清晰的“软件仪表”，将过去人工来不及分析的各项缺乏相关项的信息都能充分地利用起来，从而对判断高炉生产过程和指导操作起到了重要的作用。
2 Unity Quantum系统的构成
Unity Quantum PLC系统通常由以下几个部分组成：
背板 为所有模板提供安装基础
电源模板 为所有模板提供供电
CPU模板 对所有数据进行处理
I/O模板 采集数据及输出控制指令
通讯模板 满足多种多样的通讯需求
附属设备 分支器、分离器、接线端子、同轴电缆、网线、继电器等。
3 Unity Quantum冗余处理器
Quantum系统是施耐德推出的世界上第一个通用自动化平台，同时提供了IEC要求的全部5种编程方式：LD、FBD、SFC、IL与ST，将传统DCS与PLC得优势完美地结合于一体，是离散控制和过程控制经济、灵活的硬件控制平台。系统既可连接常规I/O，又可连接RemoteI/O、Profibus、FF、CAN及Modbus等各种现场总线设备，具有高度的灵活性和极好的扩展性。
Unity Quantum系统双机热备技术的可靠性主要体现在以下3个方面：一是控制系统冗余的双CPU设计，运行时一主一备，并通过高速光缆连接；二是采用冗余的双通讯通道，控制系统间通讯网络采用Modbus Plus或TCP/IP协议，控制系统内部采用RIO网络结构，以上均采用双缆冗余方式；三是控制系统采用冗余的双电源供电。
在双机热备系统中，互为热备的CPU具有如下的工作特性：
a 实时数据传输，确保双CPU程序的完全一致；
b 每个扫描周期均传送数据及状态信息，确保双CPU状态的完全一致；
c 两个控制器之间采用光缆连接；
d 切换完成的最长时间是两个扫描周期；
e 通讯速率为10M，热备系统可放于3km之外；
f 当控制程序发生改变时，可以自动完成程序更新功能（需添加一段小程序）；
g 初次组态时，用户快速、有效只需下装一次程序；
h 使用IEC方式的双机热备配置不需要编程工作；
i 使用ModSoft/Concept组态软件均可进行配置；
j 用可装载功能块支持984、800系列用户；
4 网络结构
4#高炉炉顶、矿槽系统自动化网络结构见下图1所示，配备6个操作站、1个工程师站、4个过程级控制站及2个具有冗余功能的交换机。7台操作站PC机完成传统控制功能，如操作与监视、归档与信息记录、趋势与报警等。该过程级控制站采用Unity的热备处理器140CPU67160，I/O模块采用140DDI35300和140DDO35300等与现场不同类型的过程信号相连接。冗余CPU、冗余模块、冗余通讯总线等组成的工业以太网，保证了系统数据通讯的高可靠性、无阻塞和高速度传输，进一步提高了自动化系统的稳定性。
4.1 现场I/O层
I/O模块采用施耐德Modicon Quantum系列模版，其开关量I/O模块为140DDI35300和140DDO35300为32通道，模拟量I/O模块均为8通道，现场I/O层配备模拟量输入输出模块、热电阻和热电偶等模块。采集来自现场的各类开关、温度、压力、流量等信号。
远程站采用RIO通讯适配器（CRP、CRA）模板进行连接，完成与上级处理器的通讯，通讯协议为S908，通讯速率是1.544Mbps，通讯距离：最远4572米（同轴电缆），14公里（光纤），支持最大子站数31个。
4.2 控制层
根据高炉工艺要求，整个自动化过程由4个过程站完成：
（1）炉顶、矿槽过程站；用于对槽下上料及炉顶布料的自动控制；
（2）本体过程站：用于对高炉本体运行的状态检测；
（3）热风炉过程站：用于热风炉和高炉的各种温度、压力及流量等数据的采集、分析与控制；
（4）布袋除尘过程站：用于对荒煤气进行除尘后再供各用户使用。
对过程设备的控制、运算、监控和趋势采集的组态都在过程站里组态完成。过程站（炉顶、矿槽）的硬件设备包括 Unity Quantum处理器和通讯模块，采用冗余140CPU67160实现现场过程控制（其他三个过程站采用传统TSX Quantum处理器和通讯模块，采用单机140CPU53414实现过程控制）。总线通讯模块升级为PROSOFT公司的PTQ-PDPMV1模块，实现与远距离的现场I/O点的通讯。
4.3 管理监控层
管理监控层包括6个操作站、1个工程师站。操作站分别完成了炉顶、矿槽系统；本体系统；热风炉系统和布袋除尘系统的工艺过程级参数监控，显示生产流程画面、趋势与报警画面。工程师站用于自动过程级控制的组态、过程调试等。
控制层与管理层之间采用TCP/IP Ethernet通讯协议，使用赫斯曼交换机建立控制层与管理层间的连接，使网络的可靠性高，实现高效率的数据通讯。
5 自动化系统软件
5.1 控制站软件Unity Pro
Unity Pro是针对Atrinm、Preminm和Quantum自动化平台的通用的编程工具，支持5种标准的IEC 61131-3编程语言以及面向C++的开放。基于全新架构，Unity Pro嵌入了开放的XML技术，更利于数据交换和定制。其特点是：DFB功能的定义集成到了Unity Pro软件中，编写DFB模块更加方便；丰富及合理的数据类型是数组类型变量的定义方便灵活；组态功能强大，丰富的程序调试工具使调试工作方便快捷；自定义程序模块的属性，确保了编程人员的知识产权；丰富的功能库函数满足了多样化的程序编写要求；管理目录树行化，使用户查找信息更加方便。
Unity Pro的DFB可以设置多到32个输入引脚和32个输出引脚，能满足比较复杂的单体设备控制应用。DFB在调用运行的过程中，稳定性好，每调用一次该子程序，就会在内存中开辟一块专业的区域存放运行中间变量，不会发生多次调用冲突。
5.2 管理层监控软件 InTouch
Wonderware InTouch是为 Microsoft Windows 2000、 Windows XP 以及 Windows 2003 操作系统创建 HMI 应用程序的最简单、最快捷的方式。InTouch 应用程序广泛应用于全球各地的众多垂直市场，包括食品加工、半导体、石油与天然气、汽车、化工、制药、纸浆与造纸、交通、公共事业、冶金等等。
6 结束语
4#高炉炉顶、矿槽系统PLC升级后，运行平稳，Unity PLC充分发挥了其配置灵活、控制可靠、编程方便和可以在现场调试的优点，给整个系统的稳定和高炉生产带来了较大的作用。