冶金行業(yè)近年來不斷增加在技術(shù)改進和節(jié)能增效方面的投入，這既符合國家的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的要求，也是行業(yè)趨勢。Quantum Ethernet I/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)交換機可以構(gòu)建目前唯一同時支持Ethernet/IP和Modbus TCP/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目為例介紹施耐德電氣如何憑借以太網(wǎng)架構(gòu)滿足用戶的技術(shù)改造需求，給用戶帶來更多的價值。
1 前言
傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線由于實時性好、可靠性高、抗干擾能力強、連接方便、布線簡單在工業(yè)控制領域中得到了廣泛的應用。隨著控制系統(tǒng)連接的外部設備種類和接口越來越多，故障診斷等功能要求越來越高，傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線受到的挑戰(zhàn)越來越大。
工業(yè)以太網(wǎng)以其通訊速率較高、協(xié)議開發(fā)容易互連、支持遠程訪問和遠程實時故障診斷、支持多種不同介質(zhì)互連、支持網(wǎng)絡冗余和多種網(wǎng)絡連接方式等特點，在當前的工業(yè)控制系統(tǒng)中得到了廣泛應用。
Quantum Ethernet I/O系統(tǒng)是施耐德最新推出的，基于PlantStruxure系統(tǒng)的最新解決方案。該解決方案以Quantum PLC為核心、采用工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet/IP協(xié)議作為主干網(wǎng)絡的通訊協(xié)議、連接現(xiàn)場Quantum 遠程IO子站、分布式IO子站、儀表、執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設備。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，支持以太網(wǎng)的常見各種服務的同時，并解決了以太網(wǎng)實時性差、可靠性差的缺點，極大的延伸了Quantum PLC的解決方案。
下圖為Quantum Ethernet I/O系統(tǒng)的典型架構(gòu)：
Quantum Ethernet I/O系統(tǒng)具有如下特點：
開放、標準的通訊協(xié)議：采用Ethernet/IP協(xié)議作為IO主干網(wǎng)絡協(xié)議，同時還支持Modbus TCP/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、單模、多模光纖等多種通訊介質(zhì)；
強大的故障診斷功能：多種硬件、軟件診斷功能及以太網(wǎng)的各種服務機制，極大的方便了系統(tǒng)的故障診斷，降低了對維護人員的維護要求，縮短了維護時間和維護工作量；
更高的可靠性：支持Quantum雙機熱備系統(tǒng)和菊花鏈主環(huán)、子環(huán)等結(jié)構(gòu)，<50 ms的環(huán)網(wǎng)重建時間，提高了系統(tǒng)運行過程中的可靠性；
更多的擴展性：無需大量的修改，即可保證當前項目的整個生命周期的需求。同時，可以以多種連接方式接入更多的現(xiàn)場設備，大大擴展了系統(tǒng)的規(guī)模；
更高的過程控制處理能力：每個子站的輸入/輸出字數(shù)限制分別提高了7倍以上，同時支持31個Ethernet IO子站和128個分布式IO子站，更好的滿足了復雜的、模擬量信號較多的過程控制要求；
更好的響應性能：更快的信號采樣和輸出時間、更大和更快的數(shù)據(jù)處理能力等性能保證了系統(tǒng)具有更有的應用相應時間（ART）；
2 系統(tǒng)簡介
2.1 項目概況
包鋼擬新建一條年產(chǎn)120萬噸的H型鋼、鋼軌、鋼板樁生產(chǎn)線。根據(jù)軋鋼工藝的2+3方案則在包鋼廠區(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、無縫、高線及棒材擠壓站、軌梁加壓站及煤氣凈化設施等需拆除改建，在1#道路的北側(cè)和2#道路西側(cè)新建供友誼軋鋼廠、無縫車間、高線車間、軌梁車間、新高線車間及軌梁廠新建型鋼生產(chǎn)線使用的煤氣系統(tǒng)設施，配套水道、電氣、儀表等輔助設施。
包鋼軌梁廠橫列式軋機項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大車間煤氣設施正常工作的同時，實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的遠程監(jiān)視、控制和管理等功能。
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2.2 控制系統(tǒng)組成及要求
包鋼軌梁廠橫列式軋機項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)主要用于實現(xiàn)高爐煤氣、焦爐煤氣加壓機盲板閥與蝶閥、羅茨風機盲板閥與蝶閥、各個用戶端的盲板閥、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)全年任何時候都不能停機；
控制系統(tǒng)故障診斷功能較強；
控制系統(tǒng)的維護簡單；
3 解決方案簡介
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實現(xiàn)加壓站、混合站和壓縮站所有現(xiàn)場設備的監(jiān)控功能。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見下圖所示：
整個改造工程系統(tǒng)主要有四層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)組成：監(jiān)控層、控制層、現(xiàn)場層和網(wǎng)絡層。
3.1 監(jiān)控層
該系統(tǒng)監(jiān)控層設備主要監(jiān)控計算機和打印機組成。
該系統(tǒng)所涉及的高、焦爐煤氣加壓站、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套冗余服務器和4臺操作員站組成。
2套冗余服務器用于從PLC單元手機設備數(shù)據(jù)，生成并存儲相應的實時數(shù)據(jù)庫文件。根據(jù)操作員站的請求，實現(xiàn)現(xiàn)場工作設備數(shù)據(jù)的采集、顯示、控制、數(shù)據(jù)記錄和管理、分析、打印、報警顯示、管理和打印、趨勢曲線的顯示等功能。
SCADA監(jiān)控系統(tǒng)正常運行時，2套冗余服務器中只有1臺服務器作為IO Server與現(xiàn)場設備進行數(shù)據(jù)交換（不考慮負載平衡功能）。當任一通訊鏈路出現(xiàn)故障時，可實現(xiàn)冗余服務器間的無擾切換，實現(xiàn)備用服務器對現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)采集功能，不影響監(jiān)控系統(tǒng)的正常運行。
所有4臺操作員站的所有監(jiān)控功能完全對等，可實現(xiàn)操作員站之間的任意操作。
所有服務器和操作員站的監(jiān)控軟件全部采用施耐德電氣公司的Vijeo Citect軟件完成所有設備的監(jiān)控功能。
Vijeo Citect軟件的如下特點，完全滿足了控制系統(tǒng)的應用要求：
“全冗余”架構(gòu)和強大的“負荷平衡”功能，在降低了系統(tǒng)的網(wǎng)絡負荷和帶寬的同時，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性；
軟件強大的“精靈”和“超級精靈”開發(fā)功能，減少了軟件開發(fā)和維護工作量和維護時間；
軟件最短可達10ms的頁面刷新時間，保證了系統(tǒng)的實時性；
軟件強大的自動部署功能，保證SCADA系統(tǒng)在在線的情況下，可實現(xiàn)對服務器、客戶端間項目文件的自動、無擾發(fā)布、部署等功能，減少了系統(tǒng)停機時間，提高了SCADA系統(tǒng)的可用性；
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3.2 控制層
該系統(tǒng)的控制層設備主要由2套單機PLC和2套雙機熱備PLC組成。所有控制系統(tǒng)全部采用了施耐德電氣公司的Unity Quantum自動化控制平臺來實現(xiàn)。
其中加壓站控制系統(tǒng)采用冗余電源、冗余通訊網(wǎng)絡的雙機熱備PLC來實現(xiàn)，CPU型號為140CPU67160。熱備系統(tǒng)中任一機架的任一模板出現(xiàn)故障，系統(tǒng)都可以保證在一個掃描周期內(nèi)自動、無擾地切換到另一機架，由備機接管全部控制功能，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，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)絡的單機PLC來實現(xiàn)，CPU型號為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，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，當任一供電回路或電源模板出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)自動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Ethernet I/O方式連接，并形成一個菊花鏈環(huán)。當菊花鏈環(huán)中任一位置的雙絞線出現(xiàn)斷線故障時，系統(tǒng)在小于50ms的時間內(nèi)自動自愈。
Unity Quantum PLC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，滿足了控制系統(tǒng)的應用要求，降低了現(xiàn)場維護人員的技術(shù)要求，減少了系統(tǒng)維護時間和維護工作量，降低了用戶的維護成本。
同時，施耐德電氣公司的NSM系列大型組合拼裝式控制柜為整個控制系統(tǒng)提供了潔凈的安裝空間。保證了控制系統(tǒng)的可靠運行。
3.3 現(xiàn)場層
該系統(tǒng)的現(xiàn)場層設備主要由變頻器產(chǎn)品組成，變頻器采用施耐德電氣公司的ATV61 Plus系列柜式變頻器。
該變頻器主要用于控制焦爐煤氣、高爐煤氣加壓機和羅茨風機等現(xiàn)場設備。該變頻器整套集成化解決方案、完善的故障診斷功能、直觀的中文面板顯示和參數(shù)調(diào)節(jié)、強大的IO擴展能力，完全滿足了現(xiàn)場所有設備的就地、遠程手動、遠程自動等的控制功能的同時，保證了系統(tǒng)的可靠性。
3.4 網(wǎng)絡層
該控制系統(tǒng)使用的網(wǎng)絡通訊主要由三部分組成：
監(jiān)控層網(wǎng)絡：主要實現(xiàn)SCADA監(jiān)控系統(tǒng)服務器與操作站之間的數(shù)據(jù)交互功能；
控制層網(wǎng)絡：主要實現(xiàn)各控制層PLC與HMI監(jiān)控系統(tǒng)間設備的數(shù)據(jù)交互功能；
現(xiàn)場層網(wǎng)絡：注意實現(xiàn)高、焦爐煤氣加壓站PLC與現(xiàn)場變頻器之間的數(shù)據(jù)交互功能；
3.4.1 監(jiān)控層網(wǎng)絡
監(jiān)控級網(wǎng)絡設備主要由工業(yè)級以太網(wǎng)交換機組成，以太網(wǎng)交換機采用施耐德電氣公司的ConneXium系列100M工業(yè)級以太網(wǎng)交換機。
監(jiān)控級網(wǎng)絡設備主要用于連接服務器和操作員站，通訊速率可達100M，通訊協(xié)議為Modbus TCP/IP，通訊介質(zhì)為超五類屏蔽雙絞線。
監(jiān)控級網(wǎng)絡與控制級網(wǎng)絡完全隔離，分別采用各自的以太網(wǎng)交換機，保證了系統(tǒng)在實現(xiàn)監(jiān)控功能和控制功能時系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
所有操作員站平均的分布到兩個以太網(wǎng)交換機上，同時，服務器也分別連接到這兩個交換機上。兩個交換機間采用光纖進行連接。當任一以太網(wǎng)交換機故障，不會影響到另一交換機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
控制層網(wǎng)絡設備主要由工業(yè)級以太網(wǎng)交換機組成，以太網(wǎng)交換機采用施耐德電氣公司的ConneXium系列100M工業(yè)級光纖以太網(wǎng)交換機。
控制層網(wǎng)絡設備主要連接各個PLC和SCADA系統(tǒng)的服務器。其中每套PLC和SCADA系統(tǒng)分別配置2個100M工業(yè)級多模光纖以太網(wǎng)交換機，所有的以太網(wǎng)交換機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)，當網(wǎng)絡中任一通訊模板、通訊電纜、以太網(wǎng)交換機、上位計算機以太網(wǎng)卡故障都可以實現(xiàn)通訊鏈路的自動切換，保證了整個SCADA系統(tǒng)的正常監(jiān)控功能。
3.4.3 現(xiàn)場級網(wǎng)絡
所有的加壓站控制系統(tǒng)通過Modbus總線、RS485通訊方式與現(xiàn)場變頻裝置進行連接，實現(xiàn)對現(xiàn)場加壓機、羅茨風機等設備的遠程監(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)品系列為客戶提供了整體解決方案；
全冗余系統(tǒng)架構(gòu)為客戶的系統(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、實時性的同時，為客戶提供了更多的故障診斷和更好的系統(tǒng)響應性能；
（轉(zhuǎn)載）
