摘要：冶金行業(yè)近年來(lái)不斷增加在技術(shù)改進(jìn)和節(jié)能增效方面的投入，這既符合國(guó)家的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的要求，也是行業(yè)趨勢(shì)。QuantumEthernetI/O系統(tǒng)是施耐德電氣PlantStruxure架構(gòu)的新成員，配合施耐德電氣的以太網(wǎng)交換機(jī)可以構(gòu)建目前*同時(shí)支持Ethernet/IP和ModbusTCP/IP兩種主流工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的系統(tǒng)。本文以包鋼煤氣加壓站改造項(xiàng)目為例介紹施耐德電氣如何憑借以太網(wǎng)架構(gòu)滿(mǎn)足用戶(hù)的技術(shù)改造需求，給用戶(hù)帶來(lái)更多的價(jià)值。
　　
　　1、前言
　　
　　傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)由于實(shí)時(shí)性好、可靠性高、抗*力強(qiáng)、連接方便、布線(xiàn)簡(jiǎn)單在工業(yè)控制領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著控制系統(tǒng)連接的外部設(shè)備種類(lèi)和接口越來(lái)越多，故障診斷等功能要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)受到的挑戰(zhàn)越來(lái)越大。
　　
　　工業(yè)以太網(wǎng)以其通訊速率較高、協(xié)議開(kāi)發(fā)容易互連、支持遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)故障診斷、支持多種不同介質(zhì)互連、支持網(wǎng)絡(luò)冗余和多種網(wǎng)絡(luò)連接方式等特點(diǎn)，在當(dāng)前的工業(yè)控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。
　　
　　QuantumEthernetI/O系統(tǒng)是施耐德推出的，基于PlantStruxure系統(tǒng)的解決方案。該解決方案以QuantumPLC為核心、采用工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet/IP協(xié)議作為主干網(wǎng)絡(luò)的通訊協(xié)議、連接現(xiàn)場(chǎng)Quantum遠(yuǎn)程IO子站、分布式IO子站、儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。該解決方案在充分發(fā)揮了工業(yè)以太網(wǎng)的各種優(yōu)點(diǎn)，支持以太網(wǎng)的常見(jiàn)各種服務(wù)的同時(shí)，并解決了以太網(wǎng)實(shí)時(shí)性差、可靠性差的缺點(diǎn)，極大的延伸了QuantumPLC的解決方案。
　　
　　下圖為QuantumEthernetI/O系統(tǒng)的典型架構(gòu)：　　
　　QuantumEthernetI/O系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：
　　
　　開(kāi)放、標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議：采用Ethernet/IP協(xié)議作為IO主干網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，同時(shí)還支持ModbusTCP/IP協(xié)議；
　　
　　更靈活的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：支持菊花鏈環(huán)、主環(huán)、子環(huán)和星型等結(jié)構(gòu)，支持雙絞線(xiàn)、單模、多模光纖等多種通訊介質(zhì)；
　　
　　強(qiáng)大的故障診斷功能：多種硬件、軟件診斷功能及以太網(wǎng)的各種服務(wù)機(jī)制，極大的方便了系統(tǒng)的故障診斷，降低了對(duì)維護(hù)人員的維護(hù)要求，縮短了維護(hù)時(shí)間和維護(hù)工作量；
　　
　　更高的可靠性：支持Quantum雙機(jī)熱備系統(tǒng)和菊花鏈主環(huán)、子環(huán)等結(jié)構(gòu)，<50ms的環(huán)網(wǎng)重建時(shí)間，提高了系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的可靠性；
　　
　　更多的擴(kuò)展性：無(wú)需大量的修改，即可保證當(dāng)前項(xiàng)目的整個(gè)生命周期的需求。同時(shí)，可以以多種連接方式接入更多的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，大大擴(kuò)展了系統(tǒng)的規(guī)模；
　　
　　更高的過(guò)程控制處理能力：每個(gè)子站的輸入/輸出字?jǐn)?shù)限制分別提高了7倍以上，同時(shí)支持31個(gè)EthernetIO子站和128個(gè)分布式IO子站，更好的滿(mǎn)足了復(fù)雜的、模擬量信號(hào)較多的過(guò)程控制要求；
　　
　　更好的響應(yīng)性能：更快的信號(hào)采樣和輸出時(shí)間、更大和更快的數(shù)據(jù)處理能力等性能保證了系統(tǒng)具有更有的應(yīng)用相應(yīng)時(shí)間（ART）；
　　
　　2、系統(tǒng)簡(jiǎn)介
　　
　　2.1項(xiàng)目概況
　　
　　包鋼擬新建一條年產(chǎn)120萬(wàn)噸的H型鋼、鋼軌、鋼板樁生產(chǎn)線(xiàn)。根據(jù)軋鋼工藝的2+3方案則在包鋼廠(chǎng)區(qū)1#道路和2#道路的西南夾角軋鋼區(qū)范圍內(nèi)的連鑄加壓站、無(wú)縫、高線(xiàn)及棒材擠壓站、軌梁加壓站及煤氣凈化設(shè)施等需拆除改建，在1#道路的北側(cè)和2#道路西側(cè)新建供友誼軋鋼廠(chǎng)、無(wú)縫車(chē)間、高線(xiàn)車(chē)間、軌梁車(chē)間、新高線(xiàn)車(chē)間及軌梁廠(chǎng)新建型鋼生產(chǎn)線(xiàn)使用的煤氣系統(tǒng)設(shè)施，配套水道、電氣、儀表等輔助設(shè)施。
　　
　　包鋼軌梁廠(chǎng)橫列式軋機(jī)項(xiàng)目煤氣加壓站改造工程的主要目的是創(chuàng)建一套新的加壓站、混合站、壓縮站控制系統(tǒng)，保證6大車(chē)間煤氣設(shè)施正常工作的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)視、控制和管理等功能。
　　
　　2.2控制系統(tǒng)組成及要求
　　
　　包鋼軌梁廠(chǎng)橫列式軋機(jī)項(xiàng)目煤氣加壓站改造工程主要由以下控制系統(tǒng)組成：
　　
　　加壓站控制系統(tǒng)
　　
　　混合站控制系統(tǒng)
　　
　　壓縮站控制系統(tǒng)
　　
　　該控制系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣加壓機(jī)盲板閥與蝶閥、羅茨風(fēng)機(jī)盲板閥與蝶閥、各個(gè)用戶(hù)端的盲板閥、蝶閥的監(jiān)視、控制和管理等功能。
　　
　　該控制系統(tǒng)的基本要求有：
　　
　　控制系統(tǒng)全年任何時(shí)候都不能停機(jī)；
　　
　　控制系統(tǒng)故障診斷功能較強(qiáng)；
　　
　　控制系統(tǒng)的維護(hù)簡(jiǎn)單；
　　
　　3、解決方案簡(jiǎn)介
　　
　　該改造工程系統(tǒng)中采用了施耐德電氣公司的全套解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)加壓站、混合站和壓縮站所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控功能。
　　
　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)下圖所示：　　
　　整個(gè)改造工程系統(tǒng)主要有四層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成：監(jiān)控層、控制層、現(xiàn)場(chǎng)層和網(wǎng)絡(luò)層。
　　
　　3.1監(jiān)控層
　　
　　該系統(tǒng)監(jiān)控層設(shè)備主要監(jiān)控計(jì)算機(jī)和打印機(jī)組成。
　　
　　該系統(tǒng)所涉及的高、焦?fàn)t煤氣加壓站、混合站、壓縮站共用1套SCADA監(jiān)控系統(tǒng)，該監(jiān)控系統(tǒng)主要由2套冗余服務(wù)器和4臺(tái)操作員站組成。
　　
　　2套冗余服務(wù)器用于從PLC單元手機(jī)設(shè)備數(shù)據(jù)，生成并存儲(chǔ)相應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)文件。根據(jù)操作員站的請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)工作設(shè)備數(shù)據(jù)的采集、顯示、控制、數(shù)據(jù)記錄和管理、分析、打印、報(bào)警顯示、管理和打印、趨勢(shì)曲線(xiàn)的顯示等功能。
　　
　　SCADA監(jiān)控系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，2套冗余服務(wù)器中只有1臺(tái)服務(wù)器作為IOServer與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換（不考慮負(fù)載平衡功能）。當(dāng)任一通訊鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，可實(shí)現(xiàn)冗余服務(wù)器間的無(wú)擾切換，實(shí)現(xiàn)備用服務(wù)器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集功能，不影響監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
　　
　　所有4臺(tái)操作員站的所有監(jiān)控功能*對(duì)等，可實(shí)現(xiàn)操作員站之間的任意操作。
　　
　　所有服務(wù)器和操作員站的監(jiān)控軟件全部采用施耐德電氣公司的VijeoCitect軟件完成所有設(shè)備的監(jiān)控功能。
　　
　　VijeoCitect軟件的如下特點(diǎn)，*了控制系統(tǒng)的應(yīng)用要求：
　　
　　“全冗余”架構(gòu)和強(qiáng)大的“負(fù)荷平衡”功能，在降低了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷和帶寬的同時(shí)，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性；
　　
　　軟件強(qiáng)大的“精靈”和“超級(jí)精靈”開(kāi)發(fā)功能，減少了軟件開(kāi)發(fā)和維護(hù)工作量和維護(hù)時(shí)間；
　　
　　軟件zui短可達(dá)10ms的頁(yè)面刷新時(shí)間，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；
　　
　　軟件強(qiáng)大的自動(dòng)部署功能，保證SCADA系統(tǒng)在在線(xiàn)的情況下，可實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)器、客戶(hù)端間項(xiàng)目文件的自動(dòng)、無(wú)擾發(fā)布、部署等功能，減少了系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間，提高了SCADA系統(tǒng)的可用性；
　　
　　3.2控制層
　　
　　該系統(tǒng)的控制層設(shè)備主要由2套單機(jī)PLC和2套雙機(jī)熱備PLC組成。所有控制系統(tǒng)全部采用了施耐德電氣公司的UnityQuantum自動(dòng)化控制平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
　　
　　其中加壓站控制系統(tǒng)采用冗余電源、冗余通訊網(wǎng)絡(luò)的雙機(jī)熱備PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)，CPU型號(hào)為140CPU67160。熱備系統(tǒng)中任一機(jī)架的任一模板出現(xiàn)故障，系統(tǒng)都可以保證在一個(gè)掃描周期內(nèi)自動(dòng)、無(wú)擾地切換到另一機(jī)架，由備機(jī)接管全部控制功能，保證了系統(tǒng)的可靠性和安全性。冗余的通訊鏈路也保證了通訊鏈路中任一模板和附件出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的可靠性。
　　
　　混合站控制系統(tǒng)采用冗余電源、冗余通訊網(wǎng)絡(luò)的單機(jī)PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)，CPU型號(hào)為140CPU65160。冗余的通訊鏈路也保證了通訊鏈路中任一模板和附件出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的可靠性。
　　
　　所有IO子站采用冗余電源供電方式，當(dāng)任一供電回路或電源模板出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換至另一供電回路供電，保證了系統(tǒng)的可靠性。
　　
　　每套PLC與IO子站之間全部采用EthernetI/O方式連接，并形成一個(gè)菊花鏈環(huán)。當(dāng)菊花鏈環(huán)中任一位置的雙絞線(xiàn)出現(xiàn)斷線(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)在小于50ms的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)自愈。
　　
　　UnityQuantumPLC所有模板的帶電插拔功能和多種硬件、軟件、Web等的故障診斷方式，以及全冗余的解決方案，提高了控制系統(tǒng)的可靠性，滿(mǎn)足了控制系統(tǒng)的應(yīng)用要求，降低了現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員的技術(shù)要求，減少了系統(tǒng)維護(hù)時(shí)間和維護(hù)工作量，降低了用戶(hù)的維護(hù)成本。
　　
　　同時(shí)，施耐德電氣公司的NSM系列大型組合拼裝式控制柜為整個(gè)控制系統(tǒng)提供了潔凈的安裝空間。保證了控制系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。
　　
　　3.3現(xiàn)場(chǎng)層
　　
　　該系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備主要由變頻器產(chǎn)品組成，變頻器采用施耐德電氣公司的ATV61Plus系列柜式變頻器。
　　
　　該變頻器主要用于控制焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣加壓機(jī)和羅茨風(fēng)機(jī)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。該變頻器整套集成化解決方案、完善的故障診斷功能、直觀(guān)的中文面板顯示和參數(shù)調(diào)節(jié)、強(qiáng)大的IO擴(kuò)展能力，*了現(xiàn)場(chǎng)所有設(shè)備的就地、遠(yuǎn)程手動(dòng)、遠(yuǎn)程自動(dòng)等的控制功能的同時(shí)，保證了系統(tǒng)的可靠性。
　　
　　3.4網(wǎng)絡(luò)層
　　
　　該控制系統(tǒng)使用的網(wǎng)絡(luò)通訊主要由三部分組成：
　　
　　監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)：主要實(shí)現(xiàn)SCADA監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器與操作站之間的數(shù)據(jù)交互功能；
　　
　　控制層網(wǎng)絡(luò)：主要實(shí)現(xiàn)各控制層PLC與HMI監(jiān)控系統(tǒng)間設(shè)備的數(shù)據(jù)交互功能；
　　
　　現(xiàn)場(chǎng)層網(wǎng)絡(luò)：注意實(shí)現(xiàn)高、焦?fàn)t煤氣加壓站PLC與現(xiàn)場(chǎng)變頻器之間的數(shù)據(jù)交互功能；
　　
　　3.4.1監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)
　　
　　監(jiān)控級(jí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要由工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)組成，以太網(wǎng)交換機(jī)采用施耐德電氣公司的ConneXium系列100M工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)。
　　
　　監(jiān)控級(jí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要用于連接服務(wù)器和操作員站，通訊速率可達(dá)100M，通訊協(xié)議為ModbusTCP/IP，通訊介質(zhì)為超五類(lèi)屏蔽雙絞線(xiàn)。
　　
　　監(jiān)控級(jí)網(wǎng)絡(luò)與控制級(jí)網(wǎng)絡(luò)*隔離，分別采用各自的以太網(wǎng)交換機(jī)，保證了系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能和控制功能時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
　　
　　所有操作員站平均的分布到兩個(gè)以太網(wǎng)交換機(jī)上，同時(shí)，服務(wù)器也分別連接到這兩個(gè)交換機(jī)上。兩個(gè)交換機(jī)間采用光纖進(jìn)行連接。當(dāng)任一以太網(wǎng)交換機(jī)故障，不會(huì)影響到另一交換機(jī)上連接的所有操作員站的監(jiān)控功能。
　　
　　3.4.2控制層網(wǎng)絡(luò)
　　
　　控制層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要由工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)組成，以太網(wǎng)交換機(jī)采用施耐德電氣公司的ConneXium系列100M工業(yè)級(jí)光纖以太網(wǎng)交換機(jī)。
　　
　　控制層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要連接各個(gè)PLC和SCADA系統(tǒng)的服務(wù)器。其中每套PLC和SCADA系統(tǒng)分別配置2個(gè)100M工業(yè)級(jí)多模光纖以太網(wǎng)交換機(jī)，所有的以太網(wǎng)交換機(jī)之間采用多模光纖連接并組成冗余光纖以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中任一通訊模板、通訊電纜、以太網(wǎng)交換機(jī)、上位計(jì)算機(jī)以太網(wǎng)卡故障都可以實(shí)現(xiàn)通訊鏈路的自動(dòng)切換，保證了整個(gè)SCADA系統(tǒng)的正常監(jiān)控功能。
　　
　　3.4.3現(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)
　　
　　所有的加壓站控制系統(tǒng)通過(guò)Modbus總線(xiàn)、RS485通訊方式與現(xiàn)場(chǎng)變頻裝置進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)加壓機(jī)、羅茨風(fēng)機(jī)等設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)視、控制和數(shù)據(jù)采集等功能。
　　
　　4、小結(jié)
　　
　　施耐德電氣公司完善的產(chǎn)品系列為客戶(hù)提供了整體解決方案；
　　
　　全冗余系統(tǒng)架構(gòu)為客戶(hù)的系統(tǒng)提供了可靠的安全保障；
　　
　　透明的“一網(wǎng)到底”以太網(wǎng)架構(gòu)，保證了系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性的同時(shí)，為客戶(hù)提供了更多的故障診斷和更好的系統(tǒng)響應(yīng)性能。