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摘 要：柳钢2#高炉采用AB ControlLogix冗余控制系统实现了生产过程检测与控制，通过现场总线方式实现各分站间的通讯，使用FactoryTalk View Studio软件制作上位机控制画面，取得了稳定的控制效果和良好的经济效益。
关键词：自动控制；ControlLogix；冗余；高炉
中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）33-0236-02
1 前 言
柳钢2#高炉于2012年9月投产，炉容2650m3。控制系统采用了Rockwell公司推出的Controllogix的冗余CPU控制系统。所谓冗余，即指重复配置系统的部分部件，当系统发生故障时，冗余配置的部件介入并承担替代故障部件的工作，由此减少系统的故障时间，可大大提高系统的稳定性和可靠性。
2 系统介绍
2.1 ControlLogix冗余控制系统特点
ControlLogix可以提供完善的CPU冗余功能，采用热备的方式构建控制器，两个CPU使用完全相同的配置，CPU之间使用同轴电缆连接。不仅控制器可以采用热备，通讯网络、电源也采用相似的方式进行热备。考虑到距离远、节点多、容易受干扰等因素，采用了ControlNet网络类型，抗干扰性好且网络通道冗余，保证可靠通信，系统结构如图1所示。
上位机通过交换机与PLC处理器通讯，远程机架通过冗余的ControlNet连接到控制器机架，同时，远程机架采用了网络通道冗余。在I/O的选择上，采用了基于机架的1756 ControlLogix I/O和ArmorPoint系列的1738 ArmorPoint I/O相结合的方式。1738 ArmorPoint I/O直接安装在高炉平台上，大大降低接线和系统成本。上位机采用FactoryTalk View SE软件，用以监控现场设备的运行。
CPU机架由C1和C2机架构成，运行时C1和C2互为热备，构成了冗余，实现无扰切换。C3，C4，C5和C6是远程机架。ControlNet网络采用网络冗余方式，A网和B网。冗余模块1757-SRM通过光纤连接。图中标有E和F为另外到现场ControlNet网络链路。其中C1和C2机架各个槽位的所配置的模块如表1所示。
2.2 FactoryTalk View SE的特点
FactoryTalk View SE，它是一个功能强大的监控软件。它具有多服务器集群和多客户端的分布式结构，和强大的可伸缩性。利用FactoryTalkView系列的FactoryTalk View Studio進行开发。应用组态存在于各个FactoryTalk View SE服务器当中，而客户端可以任意地调用并显示在各服务器中的应用。
（1）基于网络的分布式监控。FactoryTalk View SE的多服务器多客户端结构可以很容易建立分布式应用的方案。这种结构可以应用在最小到一台服务器一个客户端的微小系统，也可以应用在多服务器多客户端的大系统上。
（2）共用的开发环境FactoryTalk View Studio。利用组态工具FactoryTalk View Studio进行应用开发，可以提高开发效率和节省开发成本。
（3）直接I/O数据关联。在推荐应用中，FactoryTalk View SE不需要建立任何的上位Tag标签来定义和下位PLC的通信关系。
（4）WINDOWS安全机制。FactoryTalk View SE集成Windows安全控制。可以直接利用在Windows里面存在的用户和用户组。并针对不同的用户配置不同的权限。
（5）核心HMI功能。FactoryTalk View SE支持包括安全、画面、报警、操作和报警记录、趋势等等在内HMI的核心功能。
3 调试心得
（1）ControlLogix冗余控制系统中，两个控制器是同步运行。两个控制器框架之间，完全是靠系统冗余模块SRM来完成同步和数据交换，基本实现了无扰切换。
（2）冗余系统中，主控制器机架和从控制器机架上各个模块的版本必须严格一致，并到达到要求的版本号，否则无法正常冗余运行。
（3）用户首先开启送电的机架成为主机架。用户打开从机架的电源后，它自动与主机架同步。当版本不一样时，在RSLinx软件中可能无法看到从控制器框架上的处理器，同时控制器框架的处理器状态指示灯将变为红色长亮。
（4）在正常工作情况下，主机架的1757-SRM会显示PRIM，从框架的会显示SYNC。正常运行时，在SRM属性中可以进行主从的切换。如果显示状态与这个不一致，表示系统同步出现问题，需要进行检查，刚上电时因为SRM需要自检。如果同步光纤、Control NET或者以太网出现连接问题，都有可能导致同步不正常。
4 主要控制功能
4.1 冗余控制系统的切换
当主机架的任一组件发生故障，控制权切换到从控制器。包括以下几种情况：
（1）主机控制器所在机架掉电。
（2）插拔主机架上的任何模块。
（3）控制器程序错误产生主要故障。
（4）主机架中的任一块模块被拔掉、安装或出错。
（5）折断或断开Control Net分接头或以太网通信电缆。
（6）来自主控制器发出命令。
（7）来自RSLinx软件发出命令。
冗余切换所需要的时间取决于故障的类型和远程I/O网Control Net的网络刷新时间NUT，例如当NUT等于10ms，切换的时间大约需要80～200ms。Control Net的网络对冗余切换时间影响的估算如表2所示。
冗余切换时间非常短，一旦主控制器发生故障，立刻可以切换至从控制器，不会对生产造成影响。
4.2 生产过程控制
（1）对电气和仪表自动控制，包括执行设备运转控制以及工艺设备过程的自动调节、超限报警等。
（2）高炉本体仪表系统、冷却壁冷却系统水温、水压、流量测量，冷却系统与炉体热负荷计算，高炉煤气分析，风口检漏，炉体冷却水及炉衬温度测量报警，炉缸及炉底炭砖温度测量报警，热风温度控制及压力检测等。
（3）由系统采集大量冶炼数据输入信号，利用动力学模型、控制模型或炉况判断模型，对炉况进行数据与信息的分类处理、分析与判断、操作指导，防止因操作者的因素而造成的炉况判断失误。
（4）高炉富氧，从工艺需求和经济效益两方面考虑，既要服从工艺要求，又要使富氧经济效益最大化。高炉操作人员可以利用各高炉参数确定高炉维持适宜理论燃烧温度的富氧量。只需要输入富氧量，富氧阀会自动调节。而不会因为氧气压力波动等因素的影响，达到合理经济富氧。
5 结束语
高炉投产至今，本系统运行稳定可靠，没有出现因为故障导致的切换。为柳钢炼铁厂节约了能源，降低了成本，提高了生产的安全性和生产效率，以及产品的合格率，创造了良好的经济效益。表3所示为2#高炉2018-03～2018-09的主要经济技术指标。
参考文献
[1]Control Logix热备冗余系统用户手册.罗克韦尔自动化公司，2007：11～52.
[2]FactoryTalk View SE用户手册.罗克韦尔自动化公司，2007：25～35.
[3]周传典.高炉冶炼生产技术手册.冶金工业出版社，2008：127～139.
收稿日期：2018-10-9
关键词：自动控制；ControlLogix；冗余；高炉
中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）33-0236-02
1 前 言
柳钢2#高炉于2012年9月投产，炉容2650m3。控制系统采用了Rockwell公司推出的Controllogix的冗余CPU控制系统。所谓冗余，即指重复配置系统的部分部件，当系统发生故障时，冗余配置的部件介入并承担替代故障部件的工作，由此减少系统的故障时间，可大大提高系统的稳定性和可靠性。
2 系统介绍
2.1 ControlLogix冗余控制系统特点
ControlLogix可以提供完善的CPU冗余功能，采用热备的方式构建控制器，两个CPU使用完全相同的配置，CPU之间使用同轴电缆连接。不仅控制器可以采用热备，通讯网络、电源也采用相似的方式进行热备。考虑到距离远、节点多、容易受干扰等因素，采用了ControlNet网络类型，抗干扰性好且网络通道冗余，保证可靠通信，系统结构如图1所示。
上位机通过交换机与PLC处理器通讯，远程机架通过冗余的ControlNet连接到控制器机架，同时，远程机架采用了网络通道冗余。在I/O的选择上，采用了基于机架的1756 ControlLogix I/O和ArmorPoint系列的1738 ArmorPoint I/O相结合的方式。1738 ArmorPoint I/O直接安装在高炉平台上，大大降低接线和系统成本。上位机采用FactoryTalk View SE软件，用以监控现场设备的运行。
CPU机架由C1和C2机架构成，运行时C1和C2互为热备，构成了冗余，实现无扰切换。C3，C4，C5和C6是远程机架。ControlNet网络采用网络冗余方式，A网和B网。冗余模块1757-SRM通过光纤连接。图中标有E和F为另外到现场ControlNet网络链路。其中C1和C2机架各个槽位的所配置的模块如表1所示。
2.2 FactoryTalk View SE的特点
FactoryTalk View SE，它是一个功能强大的监控软件。它具有多服务器集群和多客户端的分布式结构，和强大的可伸缩性。利用FactoryTalkView系列的FactoryTalk View Studio進行开发。应用组态存在于各个FactoryTalk View SE服务器当中，而客户端可以任意地调用并显示在各服务器中的应用。
（1）基于网络的分布式监控。FactoryTalk View SE的多服务器多客户端结构可以很容易建立分布式应用的方案。这种结构可以应用在最小到一台服务器一个客户端的微小系统，也可以应用在多服务器多客户端的大系统上。
（2）共用的开发环境FactoryTalk View Studio。利用组态工具FactoryTalk View Studio进行应用开发，可以提高开发效率和节省开发成本。
（3）直接I/O数据关联。在推荐应用中，FactoryTalk View SE不需要建立任何的上位Tag标签来定义和下位PLC的通信关系。
（4）WINDOWS安全机制。FactoryTalk View SE集成Windows安全控制。可以直接利用在Windows里面存在的用户和用户组。并针对不同的用户配置不同的权限。
（5）核心HMI功能。FactoryTalk View SE支持包括安全、画面、报警、操作和报警记录、趋势等等在内HMI的核心功能。
3 调试心得
（1）ControlLogix冗余控制系统中，两个控制器是同步运行。两个控制器框架之间，完全是靠系统冗余模块SRM来完成同步和数据交换，基本实现了无扰切换。
（2）冗余系统中，主控制器机架和从控制器机架上各个模块的版本必须严格一致，并到达到要求的版本号，否则无法正常冗余运行。
（3）用户首先开启送电的机架成为主机架。用户打开从机架的电源后，它自动与主机架同步。当版本不一样时，在RSLinx软件中可能无法看到从控制器框架上的处理器，同时控制器框架的处理器状态指示灯将变为红色长亮。
（4）在正常工作情况下，主机架的1757-SRM会显示PRIM，从框架的会显示SYNC。正常运行时，在SRM属性中可以进行主从的切换。如果显示状态与这个不一致，表示系统同步出现问题，需要进行检查，刚上电时因为SRM需要自检。如果同步光纤、Control NET或者以太网出现连接问题，都有可能导致同步不正常。
4 主要控制功能
4.1 冗余控制系统的切换
当主机架的任一组件发生故障，控制权切换到从控制器。包括以下几种情况：
（1）主机控制器所在机架掉电。
（2）插拔主机架上的任何模块。
（3）控制器程序错误产生主要故障。
（4）主机架中的任一块模块被拔掉、安装或出错。
（5）折断或断开Control Net分接头或以太网通信电缆。
（6）来自主控制器发出命令。
（7）来自RSLinx软件发出命令。
冗余切换所需要的时间取决于故障的类型和远程I/O网Control Net的网络刷新时间NUT，例如当NUT等于10ms，切换的时间大约需要80～200ms。Control Net的网络对冗余切换时间影响的估算如表2所示。
冗余切换时间非常短，一旦主控制器发生故障，立刻可以切换至从控制器，不会对生产造成影响。
4.2 生产过程控制
（1）对电气和仪表自动控制，包括执行设备运转控制以及工艺设备过程的自动调节、超限报警等。
（2）高炉本体仪表系统、冷却壁冷却系统水温、水压、流量测量，冷却系统与炉体热负荷计算，高炉煤气分析，风口检漏，炉体冷却水及炉衬温度测量报警，炉缸及炉底炭砖温度测量报警，热风温度控制及压力检测等。
（3）由系统采集大量冶炼数据输入信号，利用动力学模型、控制模型或炉况判断模型，对炉况进行数据与信息的分类处理、分析与判断、操作指导，防止因操作者的因素而造成的炉况判断失误。
（4）高炉富氧，从工艺需求和经济效益两方面考虑，既要服从工艺要求，又要使富氧经济效益最大化。高炉操作人员可以利用各高炉参数确定高炉维持适宜理论燃烧温度的富氧量。只需要输入富氧量，富氧阀会自动调节。而不会因为氧气压力波动等因素的影响，达到合理经济富氧。
5 结束语
高炉投产至今，本系统运行稳定可靠，没有出现因为故障导致的切换。为柳钢炼铁厂节约了能源，降低了成本，提高了生产的安全性和生产效率，以及产品的合格率，创造了良好的经济效益。表3所示为2#高炉2018-03～2018-09的主要经济技术指标。
参考文献
[1]Control Logix热备冗余系统用户手册.罗克韦尔自动化公司，2007：11～52.
[2]FactoryTalk View SE用户手册.罗克韦尔自动化公司，2007：25～35.
[3]周传典.高炉冶炼生产技术手册.冶金工业出版社，2008：127～139.
收稿日期：2018-10-9