遠程I/O技術在安鋼一煉軋除塵系統中的應用

王保飛 李明

摘 要：針對遠程I/O技術在安陽鋼鐵股份有限公司第一煉軋廠除塵系統中的應用，介紹了遠程I/O系統的環形網絡構建方法及其優點。項目采用圖爾克BL67遠程I/O系統新技術，從可靠性、經濟性、功能三個方面與傳統控制方式進行了對比，最終證明使用以圖爾克BL67技術為架構的遠程I/O系統，能夠降低工程造價，節約投資，提高整個系統的穩定性、靈活性與自動化水平。

關鍵詞：遠程I/O技術;除塵系統;PLC;圖爾克

0 引言

當前，國家環保形勢嚴峻，政策要求日趨嚴格，2019年8月，生態環境部印發《關于加強重污染天氣應對夯實應急減排措施的指導意見》，對鋼鐵、焦化等15個行業實行A、B、C三級績效分級，明確只有A級企業才可自主減排。在嚴峻的環保形勢下，我廠所處區域位置敏感，集團號召我廠逐步完善環保系統。遠程I/O是相對于傳統集中式I/O而言的，以前的控制方式都是控制器直接帶I/O設備，也就是說I/O設備常常離控制室很近，比如放在控制室內。后來提出的分布式I/O設備，即將傳統的控制方式分散化，將I/O設備放到現場，通過現場總線采集信號并傳遞控制命令。我廠的除塵系統主控部分設置在廠房之外，而許多除塵閥門及移動罩卻在不同的生產車間，離控制中心有數百米距離。而采用遠程I/O技術能夠降低人工成本，提高自動化程度，為后期DCS系統的建立創造條件。

1 I/O網絡構建

本次除塵系統建設包括兩個老系統C3、C4，兩個新系統C1、C2。其中C1為電爐車間廠房除塵系統，C2為1#LF爐及板坯連鑄機除塵系統，C3為轉爐車間廠房除塵系統，C4為2#LF爐及方坯連鑄機除塵系統。除塵系統還需與生產設備主體發生必要通信，故必須將網絡設計為復雜的分布式網絡拓撲才能滿足要求。

1.1? ? 主網絡構建

第一煉軋廠除塵系統主要服務于兩套冶煉系統、兩臺連鑄機及一條軋鋼生產線。其中轉爐系統中的主要自動化系統構成為西門子S7-400系列，電爐系統主要為羅克韋爾AB-1756系列，方坯連鑄機自動化系統主要是西門子S7-300系列，板坯連鑄系統主要是早期的西門子S5系列，軋鋼系統則是PCS7架構的自動化控制系統。現場結構極其復雜，相互之間交換數據難度較大。一煉軋主網絡系統如圖1所示。

1.2? ? I/O環網構建

PLC之間通信、PLC與I/O通信、PLC與外圍設備通信由獨立網卡完成。現場總線采用可靠的光纖環網拓撲結構。C1、C2系統網絡如圖2所示。

這種網絡結構的優點是：

（1）鏈路自動冗余備份，能自動協商到達最近節點的路徑，如果一處線路損壞，網絡拓撲重新配置，達到正常網絡狀態只需50 ms。

（2）具有較高的帶寬，環網傳輸帶寬為100 Mb/s，同時采用新的多數據處理技術，使得網絡在重負荷情況下仍能保持很高的帶寬。

（3）可靠性高，環型結構在網絡出現故障時仍能自行重構，保證系統安全可靠，同時傳輸光纖對電磁和射頻干擾具有抑制能力，在傳輸過程中不受電磁和射頻噪聲的影響，也不影響其他設備。由于光纖傳輸的是光信號，兩端的電源相對隔離，所以有效消除了光纖兩端電源和地線對設備可能造成的嚴重威脅。

2 圖爾克技術

作為傳感器、現場總線、接插件、接口技術及人機界面（HMI）和RFID系統領域的專家，圖爾克為工廠及過程自動化提供高效的解決方案。圖爾克憑借先進的技術設備，可以快速而靈活地應對各種現場需求。因此，選擇使用其中的BL67模塊化現場總線I/O系統。

BL67系列產品是為實現IP67解決方案而專門設計，不必再將產品安裝于隔離的機柜內。BL67采用開放式、模塊化設計，充分體現了可靈活擴展的特點。BL67網關使得I/O模塊獨立于所使用的總線類型，支持PROFINET、Ethernet/IP、Modbus TCP、PROFIBUS-DP、CANopen和DeviceNetTM等協議。BL67系列電子模塊支持熱插拔，方便在運行過程中更換模塊。該網關支持數字量、模擬量、溫度、RS232、SSI、CANopen接口等。通過選擇不同的底板可選擇M8、M12、M23或7/8"連接器，形式多種多樣，為復雜現場提供了設計選型上的便利。

2.1? ? 西門子PROFINET I/O

在以西門子自動化設備為主的除塵系統中現場遠程I/O可以兩種方式組態。第一種方式以Modbus TCP通信協議將遠程I/O站組態至WinCC當中，第二種方式可將遠程I/O站組態至西門子自動化系統中作為PROFINET I/O站存在。為了實現這一功能，選用了圖爾克公司的BL67-GW-EN網關。該網關具備IP67的防護等級，多協議支持，如Modbus TCP、EtherNet/IP和PROFINET。

2.2? ? 羅克韋爾AB Ethernet/IP I/O

在以羅克韋爾AB自動化設備為主的除塵系統中，BL67-GW-EN網關能夠支持羅克韋爾AB的EtherNet/IP，并且此款網關支持EtherNet/IP的網絡快速連接（faststartup）功能。在羅克韋爾AB的ControlLogix系統下進行組態與刪除并不用重啟系統，這對于現場的調試來說提供了很大的便利。

3 遠程I/O技術與傳統方式對比

遠程I/O系統與傳統的遠程控制相比，具有更強的環境適應能力，抗干擾、易診斷，施工成本低，具有較強的功能擴展空間。

3.1? ? 可靠性對比

采用圖爾克的BL67系列產品，對環境溫度來講可以達到-40～70 ℃，其防護等級達到IP67防塵防水，在一般的惡劣環境下都能夠適應。由于現場設備的I/O信號檢測點距離集中控制中心較遠，不但電纜用量很大，而且路徑周邊環境復雜，在較長的信號傳輸過程中非常容易受到現場強電的電磁干擾，嚴重影響系統運行。采用遠程I/O技術，各種信號可接入就近的I/O站點，由I/O遠程站通過光纜直接將信號傳輸至集中控制中心，完全避免了線路中的強電磁干擾。遠程I/O為以太網數字化傳輸，擁有系統自診斷功能及較強的組態能力，運行維護簡單方便，為將來功能擴展提供了便利。

3.2? ? 經濟性對比

對于PLC系統來說，集中控制與分散I/O控制，在信號通道點數確定的情況下設備采購費用并無太大差別。但傳統方案需要的電纜數量巨大，每個信號需要2芯1.5 mm2信號電纜，然而遠程I/O技術只需要一根光纜及相應的光電交換機即可，所需電纜可忽略不計。傳統方案信號線路徑中的橋架管線以及相關的土建施工等費用更是無法估量，距離越長，站點越多，采用遠程I/O技術節約的資金量越大，綜合經濟效應顯著。

3.3? ? 功能性對比

工業級的現場總線必須符合國家標準《工業通信網絡 現場總線規范 類型23：CC-Link IE規范》（GB/T 33537.1～3—2017），因此在國標下構建現場總線，只要符合該標準的現場總線產品，都能夠對整個系統提供支持，從而可以將不同廠商的自動化系統集成在一個總線控制系統中，結合不同廠家的優點進行設計，提高系統的自動化程度、執行效率及穩定性。

現場總線方式對于施工及土建要求極低，完全可以消除因為I/O信號電纜長度較長、環境較差而產生的信息孤島，甚至可以采用一些較為穩定的工業無線技術進一步擴展系統。

4 結語

一煉軋除塵系統中應用的現場總線方案及圖爾克BL67的高防護等級遠程技術，能明顯降低工程造價，節約投資，提高整個系統的穩定性與自動化水平，減少大量土建施工，加快工程進度，并有效節約整個系統的整體聯動調試時間，對整個基建工程有著實質性的意義。遠程I/O技術在經濟性、可靠性及功能擴展方面皆有出色表現，必將成為自動化建設的主流。

[參考文獻]

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[3] 工業通信網絡 現場總線規范 類型23：CC-Link IE規范：GB/T 33537.1～3—2017[S].

收稿日期：2021-04-13

作者簡介：王保飛（1981—），男，河南安陽人，電氣工程師，研究方向：電氣自動化。