高可靠工业控制系统的应用

彭恢攀

（福建泉州闽光钢铁有限责任公司，福建 泉州 362000）

随着2025中国制造的推进，我国的工业系统也在进行装备和系统的升级，以更高效、更智能、更环保、更优质、更低廉的产品来提升国际竞争力，工业领域朝着纵向高端化、横向广域化发展，对控制系统的安全和可靠有了更高要求。连续作业生产线、无人化生产车间等对系统提出了甚至苛刻的需求，这就需要从技术层面进行升级改造，提升工业控制系统的可靠性。

1 原产线问题分析

随着国家的产业结构调整，冶金行业实行落后产能清理与退出政策，集团响应国家号召，为淘汰落后产能、实现超低排放、保持绿色发展与可持续发展，对产线进行整合升级，得到相关行政审核，总计投资约60亿人民币，烧结改造项目为子项目之一。原产线存在问题：1）故障高；2）备件消耗高；3）维检费用高；4）维检员工劳动强度大；5）通信系统开放性不足，接口不丰富，数采效率低；6）通信带宽不足，无法实现大数据应用；7）网络均为单线网络，安全冗余度低。改造升级将解决传统控制系统各种弊端，规避传统技术所带来的风险，打造高可靠性工控系统，保障设备在一个安全、可靠的环境当中运行，提升企业制造效率，降低消耗。提供多种丰富接口与高速网络满足未来上层网络数据访问，实现不同系统的互通互联。

2 技术支撑

项目所选用的技术为当前成熟而不失先进的工业技术。其中冗余PLC技术、冗余电源技术、工业以太网环网技术、Profinet环网技术、现场总线技术、网络监测技术等均为当前高可靠性系统优先选择的技术，将多种可靠性技术进行融合应用是实现高可靠性工业控制系统的重要手段，具有现实意义。对于冗余电源及PLC的可靠性，将以太网环网的可靠性、Profinet网络技术的普适性、现场总线技术的成熟性在一套系统内部实现有机的统一，是技术应用层面的一次升级。

2.1 冗余PLC技术

为了建设高可靠性的系统，所以选择PLC系统硬冗余方案，采用西门子H系列PLC，真正实现双机热备冗余，并能够无缝切换；PLC主机架上工作电源冗余、通信网络冗余、CPU冗余、操作站冗余，实现平稳的Master-Resever转换，系统可以进行容错运行，避免传统的单机PLC系统因故障而停机，也避免软件冗余系统因切换时间太长而造成生产损失。

H系列的PLC其冗余机制和策略完全不需要客户系统的人工干预和编程，它的同步功能、用户程序系统、用户数据系统完全自动的在后台运行，它的切换以及互备为全自动无扰动控制。冗余PL基本配置如图1 所示。

图1 冗余PLC基础架构图

2.2 冗余电源技术

当前生产制造系统对设备的可靠性要求越来越高，在大多数情况下不允许“网络瘫痪”故障，不允许电源瞬间不供电超过20ms以上的“闪断”，对于供电部分，MTBF参数是判断电源设备设计选型的重要指标。电源作为控制系统的动力来源其地位举足轻重，没有高可靠性的电源保障，要实现系统高可靠性的基础也就不存在[4]。所以在整个控制系统的设计及规划当中必须有可靠的电源技术来提供坚实基础。

该项目方案从2个方面解决电源可靠性问题：1）控制系统所需的AC220V电源采用冗余机制的UPS提供动力源头。在两路市电回路增加ATS，首先保障UPS系统供电的可靠性，再结合带LBS的冗余UPS系统，实现UPS输出端的STS毫秒级线路切换，确保在市电单路停电、双路停电、UPS故障、UPS旁路故障等恶劣环境下，负载电源的可靠性。冗余UPS系统结构如图2所示。2）系统所需的DC24V电源采用带冗余机制的AC/DC整流电源[5]。其设计为热备冗余，冗余模块具备集成解耦的MOSFET，可以实现1 + 1以及N+1的电源冗余，可以大幅度地节约投资成本和安装空间，降低DC24V系统的负载程度，减少施工时间。在配置热拔插连接器的情况下，能够在线更换设备，提高安全关键型系统的可用性。同时具备负载平衡电流的功能，该功能对于采用并行连接的开关电源之间不平衡负载进行自动补偿，同时还可以实现供电电源模块设备的温度平衡，延长设备的使用寿命，同时提高供电的安全性。当某电源出现故障时，通过其中的冗余模块对电源进

图2 冗余UPS系统结构

行切断输出同时投入备用电源，确保DC24V电源系统的可靠运行，冗余DC24V系统结构如图3所示。

图3 冗余DC24V系统结构

2.3 以太网环网技术

以太网环是一种环形拓扑结构，由一组兼容的IEEE802.1以太网节点组成，每节点与其他2个节点经802.3媒体访问控制（MAC）的环端口进行连接，其他服务层技术对以太网MAC能够承载，各节点之间可直接或间接通讯[1]。以太网环既是物理的环形结构，也是一种逻辑结构，流量的转发按照IEEE802.1规范，支持点-点、点-多点、多点-多点，也包含了虚拟的专线与专线间不同通信模式，支持单播、广播以及多播。以太网环网互连模式包含3种：共享节点、2个共享节点构成链路、以太环网重叠形成多环。业务及数据能实现端到端的传送[2]。

对网络中的设备进行互联时，可互联成闭合环路，很多时候都不是1个闭合环路，而是可形成多个闭合环路，任何一个节点出现故障后，网络某处断开，可通过其他环路继续工作[1]。

2.4 Profinet总线环网技术

Profinet总线环网技术，是一种新型工业以太网技术基础上形成的自动化总线标准，由PROFIBUS国际组织推出[3]。Profinet包含实时以太网、分布式自动化、网络安全、运动控制及故障安全等内容，为自动化通信领域提供了网络解决方案，并且与现有的现场总线技术、工业以太网技术能够完美兼容，它结合了以太网技术以及现场总线技术的优点，实现了快速的数据交换以及设备层面的链接和交换。Profinet是一种完整的解决方案，主要涉及8个模块：实时通信、分布式自动化、过程自动化、分布式现场设备、IT标准和信息安全、运动控制、网络安装及故障安全。

在现场设备智能化发展中，自动化控制系统的分散程度不断提升。分布式自动化正在逐步取代工业控制系统中的分散式自动化，所以基于组件的自动化成为发展的趋势。工厂中电子电气部件、机械部件及应用软件等，具备独立工作能力的模块，都被抽象为封装好的组件，Profinet对各组件进行连接。

2.5 网络监测技术

在Profinet环形网络中采用网络监测设备，实时对网络进行在线监测，故障诊断。其监测诊断设备具备以下几个功能：1）实时列表功能。实时列表能够持续不断地列出所有在线设备。分别显示出有效设备、数据交换中的设备和闲置设备。2）统计信息功能。数据矩阵是分析仪功能最强大的特性。数据矩阵分为2个部分，一部分显示附加信息，另一部分显示实际的数据矩阵。3）柱状图功能。显示各个设备的循环周期。4）SNMP 功能。SNMP功能能够检测网络中的设备，根据设备功能的不同，如系统运行时间、系统描述、硬件地址和IP地址等相关信息会显示出来。5）拓扑图功能。能够在线检测网络拓扑结构。丰富的监测、诊断为总线网络的快速运维提供有效手段。

2.6 多环网结构

现代化的控制系统当中，网络技术的应用已经从最高的ERP、MES、EMS等管理层向下渗透到设备层。网络技术带来的便捷、高效、数据互通、数据共享充分在控制领域显现。传统的光纤网络基本以单环、线性结构以及树形等结构为主，其网络的单一性带来的网络中断风险较大，现代化的控制系统当中，网络作为控制系统的神经，对可靠性要求较高。而在控制系统的各阶层都采用环网结构，使得每个网络的节点的首尾均可以相连，形成1个闭环，任何一个节点的故障或者断路均可以使网络的链路始终为联通状态，形成了可靠的网络物理链路。该项目通过客户端、工业以太网、现场总线环网，3层高效可靠的环网来构建稳定、可靠的冗余网络环境，烧结系统网络拓扑如图4所示。

图4 烧结系统网络拓扑

3 结论

旧系统为单机多环节串联系统，以小时为基本计算单位，近5年统计结果显示平均无故障时间1440h；采用冗余结构设计后，系统为串并联系统，其无故障时间预计为4320h，系统已经投用4个月后统计显示故障时间为0，其安全可靠性得到基本验证。

旧系统平均每年6次故障，每次故障恢复时间约2.5h；新系统投用后预计可以做到每年2次故障，每次故障恢复时间约2.0h。年故障时间减少11h。企业年产值约110亿人民币，平均每小时产值125.6万，11h的停机时间会造成直接产值损失1381.2万。采用前文所述的各种冗余技术融合的系统较传统单机系统投资约增加150~200万，但其带来的直接收益和边际效益较大。并且因系统的故障停机会增加生产线的物料、能源、备件、人力等浪费，推高产品成本。提高系统的可靠性所需的投入是非常有意义的，有良好的经济和社会效益，它的投入为公司的发展和经营从系统层面提供了有力支撑。