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摘 要：本文首先简要介绍了RH精炼炉的处理过程及对安全性的要求，然后设计出了集成监控系统的网络结构，并针对网络结构的三个层次中的冗余技术及具体实现方式进行了详细说明，最后结合具体应用实践，给出了系统的应用效果。
关键词：冗余系统；PLC；通讯；计算机监控；过程控制系统；通讯链路
中图分类号：TP393.02
RH（真空循环脱气）钢水精炼炉主要是对转炉、LF炉出钢后的钢水进行脱气、脱碳、成分控制和温度调整等处理，从而提高钢水品质的处理过程。随着我国对钢铁产品结构的调整，对低耗能，高品质钢的需求急剧增加，RH精炼炉则是实现该要求的重要生产设备。
RH处理中，钢水的冶金化学反应是在砌有耐火衬的真空槽内进行。真空槽下部是两个带耐火衬的浸渍管。当真空槽抽空时，钢水表面的大气压力迫使钢水从浸渍管流入真空槽内。与真空槽连通的两个浸渍管，一个为上升管，一个为下降管。由于上升管不断向钢液吹入提升气体，相对下降管产生了一个较高的静压差，使钢水从上升管进入并通过真空槽流向下降管，如此不断循环反复。在真空状态下，流经真空槽钢水中的氩气、氢气、一氧化碳等气体在钢液循环过程中被抽走，同时，进入真空槽的钢水还进行一系列的冶金反应，如碳氧反应等，通过循环脱气精炼，使钢液得到净化。
1 RH集成监控系统设计
1.1 系统设计要求
RH处理过程是过程化极强，有严格时间控制要求，自动化要求高，并且环境恶劣，涉及到高压煤气，惰性气体等有毒有害介质的处理环境。任何意外都可能导致设备及人员安全事故。基于本系统的特殊性及安全性要求，要最大限度的保证系统的可靠性，否则会造成重大设备及人员事故，因此，对RH的集成监控系统的可靠性和稳定提出了很高的要求，而冗余设计显得十分必要，其在解决系统安全性和稳定性，无停机切换方面起着重要作用，是当前实现系统零停机的主要解决方法。
针对以上要求，RH集成监控系统采用分级分层设计，并且在每层多种环节采用冗余设计，达到了系统要求。分层设计保证了各层次之间的相对独立和完整性，每层功能异常不影响其它层次的正常运行；各层中的冗余设计最大程度保障了每个层次的安全性。
1.2 系统网络结构
集成监控系统网络主要包括三层结构：基础自动化控制层、设备监控层、过程控制层。整个系统要对RH处理中的真空系统，水处理系统，合金系统，预热枪系统及顶枪系统等进行实时控制。网络结构如图1所示：
2 冗余设计在各功能层中的实现
2.1 基础自动化控制系统
2.1.1 主要功能
基础自动化系统对RH精炼炉生产过程设备进行实时控制，以完成工艺要求的设备动作，实现合格钢水的产出。主要包括：钢包台车控制，测温取样装置控制，真空槽台车控制，真空槽环流控制，真空脱气控制，喂丝搅拌控制，离线烘烤等子系统的控制功能。
2.1.2 冗余配置及应用
由于系统功能要求较多，根据控制要求及设备负荷能力均衡计算，系统采用两套相同的西门子PLC控制系统S7-417H控制器，10多套ET200远程站来完成自动化系统的核心控制功能。
S7-417H控制器采用两套控制器进行冗余系统控制功能的实现，每套冗余S7-417H控制器配置如下图2所示：
主控制器完成全部的控制功能，两台控制器之间使用热备电缆（光纤）进行相互状态跟踪和信息同步，系统中两个CPU同时工作，CPU切换时间小于100ms。在主控制器发生故障时，不用人工干预即可自动切换至备用控制器，此时备用控制器接替主控制器的全部工作，切换时，系统输出保持，信息、报警及中断信息不会丢失，可实现系统无扰动切换，使整个系统不会发生停滞。
S7-417H控制器与远程站ET200通过冗余Profibus-DP现场总线方式进行数据通讯，每个ET200子站分别采集各自的现场设备信号，但不进行控制和计算处理。冗余的S7-417H PLC通过最大传输速率为12MB/s的Profibus DP现场总线对ET200的信号进行采集处理，完成控制功能，并且通过工业以太网模块CP443-1与上层监控计算机实现冗余工业以太网通讯。
CP443-1通讯模块是西门子公司S7-400系列PLC中的工业以太网通讯模块，其支持TCP/IP、ISO协议。对于S7-417H系统，为了保证上位机与PLC通讯的可靠性及冗余配置，对CP443-1只能使用ISO通讯协议，即使用MAC地址进行通讯。通过CP443-1通讯模块，可使上位监控系统和其他PLC系统的工业以太网设备与本冗余控制器建立冗余的工业以太网通讯连接。正常通讯通道建立在通讯链路1上，当该同道出现异常时，系统会自动切换到通讯链路2进行实时通讯，对用户使用来说是透明的，无需干涉。当主通讯链路回复后，系统可自动切换到通讯链路1进行正常通讯功能处理，通讯链路2自动进入后备状态。
采用S7-417H控制器避免由于单个CPU故障造成系统瘫痪，无扰动切换，不会丢失任何信息。同时具有平滑的主从切换，自动事件同步，集成的错误识别和错误定位功能，操作期间可对系统进行修改，下载程序可只考虑单个CPU，程序将自动拷贝到另一个CPU中，主CPU修复后自动再投入，热插拔式模板支持在线更换部件等优点。
2.2 设备监控系统
2.2.1 主要功能
设备监控主要是对RH生产过程及系统设备状态进行实时监控，同时完成生产数据处理，生产优化处理，参数管理，机组状态设置，数据管理等功能。
监控系统主要包括：RH处理工位总貌监控，真空系统运行监控，槽台车走行系统，钢包走行及钢包升降监控，顶枪运行监控，预热系统运行监控，合金控制，参数曲线分析，故障报警及网络系统运行监控等。 2.2.2 系统实现
监控系统是生产操作人员控制指挥RH设备按照要求运行的重要界面和手段，在设计上要尽量保证安全、可靠，坚决防止系统死机。因此，监控系统的设计主要从三个方面使用了冗余技术：系统结构，服务器本体，通讯链路。监控系统结构如图3所示：
监控系统选用西门子人机界面开发平台SIMATIC WINCC系统进行机组监控软件的开发。HMI系统部署为服务器/客户机（S/C）多用户系统结构，HMI SERVER 与现场PLC系统采用工业以太网络进行连接，通过以太网卡CP1613与可编程控制器等设备进行数据通讯，同时HMI SERVER负责为HMI CLIENT提供数据源，HMI SERVER服务器承担主要任务。
这样各个客户端均可互为热备，互不影响，每一台客户机出现故障，其他任意一台客户机均可代替其工作，形成N：1多重冗余；对服务器采用双冗余热备设计，两台服务器同时运行，互相监控对方状态。正常工作时，各客户机均从主监控服务器上获得服务，当主监控服务器故障时，各客户机会自动全部切换到后备监控服务器上，从后备监控服务器获取服务，由于主、后备监控服务器同时运行，同步工作，其所提供的服务内容相同，因此客户及会透明切换，并可在主监控服务器恢复后自动切回。
对服务器，采用IBM工业服务器，其本身部件具有冗余设计。系统配置双冗余电源，可热插拔风扇，选用双路CPU处理器和带有冗余纠错ECC的内存RAM，选用可热插拔更换的冗余磁盘阵列RAID5硬盘，大大减少因硬盘原因引起的停机；通过对服务器的可靠性选择，最大限度保证了服务器不间断运行的要求。
在服务器与控制系统的通讯链路上采用双通道冗余设计，最大限度的保障了监控系统通讯的可靠性。当链路1出现故障时，使用链路2进行通讯，保证通讯无中断切换。为了采用冗余通讯链路，服务器与控制系统必须采用双CP1613通讯网卡，且采用MAC地址进行ISO通讯协议通讯，同时Wincc监控软件必须选用Wincc冗余选项及s7-RedConnect选型。
2.3 过程控制系统
2.3.1 主要功能
过程控制系统是企业生产管理系统的重要环节，是企业信息系统与自动化控制系统的数据交换、信息整合、分解层，起着承上起下的重要作用。主要完成：基础数据管理，生产计划管理，过程处理实绩数据收集，过程监控与状态跟踪，数据通讯处理，用户管理 ，画面及报表处理，系统权限控制，日志跟踪管理等功能。
2.3.2 系统实现
过程控制系统也采用C/S结构，L2服务器与监控系统的主、后备服务器同时建立通讯通道，以保障通讯的可靠性。利用监控服务器Wincc Server提供的OPC服务功能，L2服务器采用自定义接口，进行数据采集，响应速度可达到100ms，完全满足过程控制系统实时性的数据采集、下达、反馈要求。同时L2服务器与监控服务器主机一样，采用冗余设计，但配置水平更高。L2服务器采用双网卡设计，分别设置不同的IP网段，使L2&L3的通讯与L2&L1的通讯进行网段隔离，实现管控隔离，保障了数据传输的快速可靠。过程控制系统结构如下图4所示：
3 结束语
经过对RH精炼炉的集成控制系统的高可靠性要求分析，考虑了控制及监控系统中容易出现故障的环节，系统从以上三个层次上采用了多种冗余技术，大大提高了系统运行的可靠性，平均无故障时间（MBTF）得到延长，有效减少故障停机时间。此结构设计方案在莱钢1#RH精炼炉监控系统中应用，系统投运以来，设备运行安全，稳定可靠，为企业提高设备利用率，提高生产效率提供了有力的保障。本系统是一套全方位的冗余集成监控系统设计及应用，对系统可靠性及安全性要求高的其他相关行业和应用场合具有很高的参考价值。
参考文献：
[1]Simatic自动化系统S7-400容错系统使用手册.西门子公司.
[2]Wincc组态手册第一册，第二册，第三册，西门子公司.
[3]菜方伟.PLC冗余技术在高可靠性控制系统中的应用[J].电气传动，1999，3.
作者简介：韩俊峰（1974-），男，陕西省西安市人，本科，高级工程师，研究方向：工业设备信息化控制及集成监控；焦悦（1978-），男，陕西省西安市人，本科，高级工程师，研究方向：冶金工业设备自动化控制及集成监控；佟冰（1969-），女，陕西省西安市人，研究生，教授，研究方向：冶金工业设备自动化控制及集成监控；曹永恒（1979-），男，陕西省西安市人，本科，高级工程师，研究方向：工业设备信息化控制及集成监控；杨文峰（1980-），男，陕西省西安市人，本科，高级工程师，研究方向：工业设备信息化控制及集成监控。
作者单位：中国重型机械研究院股份公司，西安 710032
关键词：冗余系统；PLC；通讯；计算机监控；过程控制系统；通讯链路
中图分类号：TP393.02
RH（真空循环脱气）钢水精炼炉主要是对转炉、LF炉出钢后的钢水进行脱气、脱碳、成分控制和温度调整等处理，从而提高钢水品质的处理过程。随着我国对钢铁产品结构的调整，对低耗能，高品质钢的需求急剧增加，RH精炼炉则是实现该要求的重要生产设备。
RH处理中，钢水的冶金化学反应是在砌有耐火衬的真空槽内进行。真空槽下部是两个带耐火衬的浸渍管。当真空槽抽空时，钢水表面的大气压力迫使钢水从浸渍管流入真空槽内。与真空槽连通的两个浸渍管，一个为上升管，一个为下降管。由于上升管不断向钢液吹入提升气体，相对下降管产生了一个较高的静压差，使钢水从上升管进入并通过真空槽流向下降管，如此不断循环反复。在真空状态下，流经真空槽钢水中的氩气、氢气、一氧化碳等气体在钢液循环过程中被抽走，同时，进入真空槽的钢水还进行一系列的冶金反应，如碳氧反应等，通过循环脱气精炼，使钢液得到净化。
1 RH集成监控系统设计
1.1 系统设计要求
RH处理过程是过程化极强，有严格时间控制要求，自动化要求高，并且环境恶劣，涉及到高压煤气，惰性气体等有毒有害介质的处理环境。任何意外都可能导致设备及人员安全事故。基于本系统的特殊性及安全性要求，要最大限度的保证系统的可靠性，否则会造成重大设备及人员事故，因此，对RH的集成监控系统的可靠性和稳定提出了很高的要求，而冗余设计显得十分必要，其在解决系统安全性和稳定性，无停机切换方面起着重要作用，是当前实现系统零停机的主要解决方法。
针对以上要求，RH集成监控系统采用分级分层设计，并且在每层多种环节采用冗余设计，达到了系统要求。分层设计保证了各层次之间的相对独立和完整性，每层功能异常不影响其它层次的正常运行；各层中的冗余设计最大程度保障了每个层次的安全性。
1.2 系统网络结构
集成监控系统网络主要包括三层结构：基础自动化控制层、设备监控层、过程控制层。整个系统要对RH处理中的真空系统，水处理系统，合金系统，预热枪系统及顶枪系统等进行实时控制。网络结构如图1所示：
2 冗余设计在各功能层中的实现
2.1 基础自动化控制系统
2.1.1 主要功能
基础自动化系统对RH精炼炉生产过程设备进行实时控制，以完成工艺要求的设备动作，实现合格钢水的产出。主要包括：钢包台车控制，测温取样装置控制，真空槽台车控制，真空槽环流控制，真空脱气控制，喂丝搅拌控制，离线烘烤等子系统的控制功能。
2.1.2 冗余配置及应用
由于系统功能要求较多，根据控制要求及设备负荷能力均衡计算，系统采用两套相同的西门子PLC控制系统S7-417H控制器，10多套ET200远程站来完成自动化系统的核心控制功能。
S7-417H控制器采用两套控制器进行冗余系统控制功能的实现，每套冗余S7-417H控制器配置如下图2所示：
主控制器完成全部的控制功能，两台控制器之间使用热备电缆（光纤）进行相互状态跟踪和信息同步，系统中两个CPU同时工作，CPU切换时间小于100ms。在主控制器发生故障时，不用人工干预即可自动切换至备用控制器，此时备用控制器接替主控制器的全部工作，切换时，系统输出保持，信息、报警及中断信息不会丢失，可实现系统无扰动切换，使整个系统不会发生停滞。
S7-417H控制器与远程站ET200通过冗余Profibus-DP现场总线方式进行数据通讯，每个ET200子站分别采集各自的现场设备信号，但不进行控制和计算处理。冗余的S7-417H PLC通过最大传输速率为12MB/s的Profibus DP现场总线对ET200的信号进行采集处理，完成控制功能，并且通过工业以太网模块CP443-1与上层监控计算机实现冗余工业以太网通讯。
CP443-1通讯模块是西门子公司S7-400系列PLC中的工业以太网通讯模块，其支持TCP/IP、ISO协议。对于S7-417H系统，为了保证上位机与PLC通讯的可靠性及冗余配置，对CP443-1只能使用ISO通讯协议，即使用MAC地址进行通讯。通过CP443-1通讯模块，可使上位监控系统和其他PLC系统的工业以太网设备与本冗余控制器建立冗余的工业以太网通讯连接。正常通讯通道建立在通讯链路1上，当该同道出现异常时，系统会自动切换到通讯链路2进行实时通讯，对用户使用来说是透明的，无需干涉。当主通讯链路回复后，系统可自动切换到通讯链路1进行正常通讯功能处理，通讯链路2自动进入后备状态。
采用S7-417H控制器避免由于单个CPU故障造成系统瘫痪，无扰动切换，不会丢失任何信息。同时具有平滑的主从切换，自动事件同步，集成的错误识别和错误定位功能，操作期间可对系统进行修改，下载程序可只考虑单个CPU，程序将自动拷贝到另一个CPU中，主CPU修复后自动再投入，热插拔式模板支持在线更换部件等优点。
2.2 设备监控系统
2.2.1 主要功能
设备监控主要是对RH生产过程及系统设备状态进行实时监控，同时完成生产数据处理，生产优化处理，参数管理，机组状态设置，数据管理等功能。
监控系统主要包括：RH处理工位总貌监控，真空系统运行监控，槽台车走行系统，钢包走行及钢包升降监控，顶枪运行监控，预热系统运行监控，合金控制，参数曲线分析，故障报警及网络系统运行监控等。 2.2.2 系统实现
监控系统是生产操作人员控制指挥RH设备按照要求运行的重要界面和手段，在设计上要尽量保证安全、可靠，坚决防止系统死机。因此，监控系统的设计主要从三个方面使用了冗余技术：系统结构，服务器本体，通讯链路。监控系统结构如图3所示：
监控系统选用西门子人机界面开发平台SIMATIC WINCC系统进行机组监控软件的开发。HMI系统部署为服务器/客户机（S/C）多用户系统结构，HMI SERVER 与现场PLC系统采用工业以太网络进行连接，通过以太网卡CP1613与可编程控制器等设备进行数据通讯，同时HMI SERVER负责为HMI CLIENT提供数据源，HMI SERVER服务器承担主要任务。
这样各个客户端均可互为热备，互不影响，每一台客户机出现故障，其他任意一台客户机均可代替其工作，形成N：1多重冗余；对服务器采用双冗余热备设计，两台服务器同时运行，互相监控对方状态。正常工作时，各客户机均从主监控服务器上获得服务，当主监控服务器故障时，各客户机会自动全部切换到后备监控服务器上，从后备监控服务器获取服务，由于主、后备监控服务器同时运行，同步工作，其所提供的服务内容相同，因此客户及会透明切换，并可在主监控服务器恢复后自动切回。
对服务器，采用IBM工业服务器，其本身部件具有冗余设计。系统配置双冗余电源，可热插拔风扇，选用双路CPU处理器和带有冗余纠错ECC的内存RAM，选用可热插拔更换的冗余磁盘阵列RAID5硬盘，大大减少因硬盘原因引起的停机；通过对服务器的可靠性选择，最大限度保证了服务器不间断运行的要求。
在服务器与控制系统的通讯链路上采用双通道冗余设计，最大限度的保障了监控系统通讯的可靠性。当链路1出现故障时，使用链路2进行通讯，保证通讯无中断切换。为了采用冗余通讯链路，服务器与控制系统必须采用双CP1613通讯网卡，且采用MAC地址进行ISO通讯协议通讯，同时Wincc监控软件必须选用Wincc冗余选项及s7-RedConnect选型。
2.3 过程控制系统
2.3.1 主要功能
过程控制系统是企业生产管理系统的重要环节，是企业信息系统与自动化控制系统的数据交换、信息整合、分解层，起着承上起下的重要作用。主要完成：基础数据管理，生产计划管理，过程处理实绩数据收集，过程监控与状态跟踪，数据通讯处理，用户管理 ，画面及报表处理，系统权限控制，日志跟踪管理等功能。
2.3.2 系统实现
过程控制系统也采用C/S结构，L2服务器与监控系统的主、后备服务器同时建立通讯通道，以保障通讯的可靠性。利用监控服务器Wincc Server提供的OPC服务功能，L2服务器采用自定义接口，进行数据采集，响应速度可达到100ms，完全满足过程控制系统实时性的数据采集、下达、反馈要求。同时L2服务器与监控服务器主机一样，采用冗余设计，但配置水平更高。L2服务器采用双网卡设计，分别设置不同的IP网段，使L2&L3的通讯与L2&L1的通讯进行网段隔离，实现管控隔离，保障了数据传输的快速可靠。过程控制系统结构如下图4所示：
3 结束语
经过对RH精炼炉的集成控制系统的高可靠性要求分析，考虑了控制及监控系统中容易出现故障的环节，系统从以上三个层次上采用了多种冗余技术，大大提高了系统运行的可靠性，平均无故障时间（MBTF）得到延长，有效减少故障停机时间。此结构设计方案在莱钢1#RH精炼炉监控系统中应用，系统投运以来，设备运行安全，稳定可靠，为企业提高设备利用率，提高生产效率提供了有力的保障。本系统是一套全方位的冗余集成监控系统设计及应用，对系统可靠性及安全性要求高的其他相关行业和应用场合具有很高的参考价值。
参考文献：
[1]Simatic自动化系统S7-400容错系统使用手册.西门子公司.
[2]Wincc组态手册第一册，第二册，第三册，西门子公司.
[3]菜方伟.PLC冗余技术在高可靠性控制系统中的应用[J].电气传动，1999，3.
作者简介：韩俊峰（1974-），男，陕西省西安市人，本科，高级工程师，研究方向：工业设备信息化控制及集成监控；焦悦（1978-），男，陕西省西安市人，本科，高级工程师，研究方向：冶金工业设备自动化控制及集成监控；佟冰（1969-），女，陕西省西安市人，研究生，教授，研究方向：冶金工业设备自动化控制及集成监控；曹永恒（1979-），男，陕西省西安市人，本科，高级工程师，研究方向：工业设备信息化控制及集成监控；杨文峰（1980-），男，陕西省西安市人，本科，高级工程师，研究方向：工业设备信息化控制及集成监控。
作者单位：中国重型机械研究院股份公司，西安 710032