高可靠工業控制系統的應用

彭恢攀

（福建泉州閩光鋼鐵有限責任公司，福建 泉州 362000）

隨著2025中國制造的推進，我國的工業系統也在進行裝備和系統的升級，以更高效、更智能、更環保、更優質、更低廉的產品來提升國際競爭力，工業領域朝著縱向高端化、橫向廣域化發展，對控制系統的安全和可靠有了更高要求。連續作業生產線、無人化生產車間等對系統提出了甚至苛刻的需求，這就需要從技術層面進行升級改造，提升工業控制系統的可靠性。

1 原產線問題分析

隨著國家的產業結構調整，冶金行業實行落后產能清理與退出政策，集團響應國家號召，為淘汰落后產能、實現超低排放、保持綠色發展與可持續發展，對產線進行整合升級，得到相關行政審核，總計投資約60億人民幣，燒結改造項目為子項目之一。原產線存在問題：1）故障高；2）備件消耗高；3）維檢費用高；4）維檢員工勞動強度大；5）通信系統開放性不足，接口不豐富，數采效率低；6）通信帶寬不足，無法實現大數據應用；7）網絡均為單線網絡，安全冗余度低。改造升級將解決傳統控制系統各種弊端，規避傳統技術所帶來的風險，打造高可靠性工控系統，保障設備在一個安全、可靠的環境當中運行，提升企業制造效率，降低消耗。提供多種豐富接口與高速網絡滿足未來上層網絡數據訪問，實現不同系統的互通互聯。

2 技術支撐

項目所選用的技術為當前成熟而不失先進的工業技術。其中冗余PLC技術、冗余電源技術、工業以太網環網技術、Profinet環網技術、現場總線技術、網絡監測技術等均為當前高可靠性系統優先選擇的技術，將多種可靠性技術進行融合應用是實現高可靠性工業控制系統的重要手段，具有現實意義。對于冗余電源及PLC的可靠性，將以太網環網的可靠性、Profinet網絡技術的普適性、現場總線技術的成熟性在一套系統內部實現有機的統一，是技術應用層面的一次升級。

2.1 冗余PLC技術

為了建設高可靠性的系統，所以選擇PLC系統硬冗余方案，采用西門子H系列PLC，真正實現雙機熱備冗余，并能夠無縫切換；PLC主機架上工作電源冗余、通信網絡冗余、CPU冗余、操作站冗余，實現平穩的Master-Resever轉換，系統可以進行容錯運行，避免傳統的單機PLC系統因故障而停機，也避免軟件冗余系統因切換時間太長而造成生產損失。

H系列的PLC其冗余機制和策略完全不需要客戶系統的人工干預和編程，它的同步功能、用戶程序系統、用戶數據系統完全自動的在后臺運行，它的切換以及互備為全自動無擾動控制。冗余PL基本配置如圖1 所示。

圖1 冗余PLC基礎架構圖

2.2 冗余電源技術

當前生產制造系統對設備的可靠性要求越來越高，在大多數情況下不允許“網絡癱瘓”故障，不允許電源瞬間不供電超過20ms以上的“閃斷”，對于供電部分，MTBF參數是判斷電源設備設計選型的重要指標。電源作為控制系統的動力來源其地位舉足輕重，沒有高可靠性的電源保障，要實現系統高可靠性的基礎也就不存在[4]。所以在整個控制系統的設計及規劃當中必須有可靠的電源技術來提供堅實基礎。

該項目方案從2個方面解決電源可靠性問題：1）控制系統所需的AC220V電源采用冗余機制的UPS提供動力源頭。在兩路市電回路增加ATS，首先保障UPS系統供電的可靠性，再結合帶LBS的冗余UPS系統，實現UPS輸出端的STS毫秒級線路切換，確保在市電單路停電、雙路停電、UPS故障、UPS旁路故障等惡劣環境下，負載電源的可靠性。冗余UPS系統結構如圖2所示。2）系統所需的DC24V電源采用帶冗余機制的AC/DC整流電源[5]。其設計為熱備冗余，冗余模塊具備集成解耦的MOSFET，可以實現1 + 1以及N+1的電源冗余，可以大幅度地節約投資成本和安裝空間，降低DC24V系統的負載程度，減少施工時間。在配置熱拔插連接器的情況下，能夠在線更換設備，提高安全關鍵型系統的可用性。同時具備負載平衡電流的功能，該功能對于采用并行連接的開關電源之間不平衡負載進行自動補償，同時還可以實現供電電源模塊設備的溫度平衡，延長設備的使用壽命，同時提高供電的安全性。當某電源出現故障時，通過其中的冗余模塊對電源進

圖2 冗余UPS系統結構

行切斷輸出同時投入備用電源，確保DC24V電源系統的可靠運行，冗余DC24V系統結構如圖3所示。

圖3 冗余DC24V系統結構

2.3 以太網環網技術

以太網環是一種環形拓撲結構，由一組兼容的IEEE802.1以太網節點組成，每節點與其他2個節點經802.3媒體訪問控制（MAC）的環端口進行連接，其他服務層技術對以太網MAC能夠承載，各節點之間可直接或間接通訊[1]。以太網環既是物理的環形結構，也是一種邏輯結構，流量的轉發按照IEEE802.1規范，支持點-點、點-多點、多點-多點，也包含了虛擬的專線與專線間不同通信模式，支持單播、廣播以及多播。以太網環網互連模式包含3種：共享節點、2個共享節點構成鏈路、以太環網重疊形成多環。業務及數據能實現端到端的傳送[2]。

對網絡中的設備進行互聯時，可互聯成閉合環路，很多時候都不是1個閉合環路，而是可形成多個閉合環路，任何一個節點出現故障后，網絡某處斷開，可通過其他環路繼續工作[1]。

2.4 Profinet總線環網技術

Profinet總線環網技術，是一種新型工業以太網技術基礎上形成的自動化總線標準，由PROFIBUS國際組織推出[3]。Profinet包含實時以太網、分布式自動化、網絡安全、運動控制及故障安全等內容，為自動化通信領域提供了網絡解決方案，并且與現有的現場總線技術、工業以太網技術能夠完美兼容，它結合了以太網技術以及現場總線技術的優點，實現了快速的數據交換以及設備層面的鏈接和交換。Profinet是一種完整的解決方案，主要涉及8個模塊：實時通信、分布式自動化、過程自動化、分布式現場設備、IT標準和信息安全、運動控制、網絡安裝及故障安全。

在現場設備智能化發展中，自動化控制系統的分散程度不斷提升。分布式自動化正在逐步取代工業控制系統中的分散式自動化，所以基于組件的自動化成為發展的趨勢。工廠中電子電氣部件、機械部件及應用軟件等，具備獨立工作能力的模塊，都被抽象為封裝好的組件，Profinet對各組件進行連接。

2.5 網絡監測技術

在Profinet環形網絡中采用網絡監測設備，實時對網絡進行在線監測，故障診斷。其監測診斷設備具備以下幾個功能：1）實時列表功能。實時列表能夠持續不斷地列出所有在線設備。分別顯示出有效設備、數據交換中的設備和閑置設備。2）統計信息功能。數據矩陣是分析儀功能最強大的特性。數據矩陣分為2個部分，一部分顯示附加信息，另一部分顯示實際的數據矩陣。3）柱狀圖功能。顯示各個設備的循環周期。4）SNMP 功能。SNMP功能能夠檢測網絡中的設備，根據設備功能的不同，如系統運行時間、系統描述、硬件地址和IP地址等相關信息會顯示出來。5）拓撲圖功能。能夠在線檢測網絡拓撲結構。豐富的監測、診斷為總線網絡的快速運維提供有效手段。

2.6 多環網結構

現代化的控制系統當中，網絡技術的應用已經從最高的ERP、MES、EMS等管理層向下滲透到設備層。網絡技術帶來的便捷、高效、數據互通、數據共享充分在控制領域顯現。傳統的光纖網絡基本以單環、線性結構以及樹形等結構為主，其網絡的單一性帶來的網絡中斷風險較大，現代化的控制系統當中，網絡作為控制系統的神經，對可靠性要求較高。而在控制系統的各階層都采用環網結構，使得每個網絡的節點的首尾均可以相連，形成1個閉環，任何一個節點的故障或者斷路均可以使網絡的鏈路始終為聯通狀態，形成了可靠的網絡物理鏈路。該項目通過客戶端、工業以太網、現場總線環網，3層高效可靠的環網來構建穩定、可靠的冗余網絡環境，燒結系統網絡拓撲如圖4所示。

圖4 燒結系統網絡拓撲

3 結論

舊系統為單機多環節串聯系統，以小時為基本計算單位，近5年統計結果顯示平均無故障時間1440h；采用冗余結構設計后，系統為串并聯系統，其無故障時間預計為4320h，系統已經投用4個月后統計顯示故障時間為0，其安全可靠性得到基本驗證。

舊系統平均每年6次故障，每次故障恢復時間約2.5h；新系統投用后預計可以做到每年2次故障，每次故障恢復時間約2.0h。年故障時間減少11h。企業年產值約110億人民幣，平均每小時產值125.6萬，11h的停機時間會造成直接產值損失1381.2萬。采用前文所述的各種冗余技術融合的系統較傳統單機系統投資約增加150~200萬，但其帶來的直接收益和邊際效益較大。并且因系統的故障停機會增加生產線的物料、能源、備件、人力等浪費，推高產品成本。提高系統的可靠性所需的投入是非常有意義的，有良好的經濟和社會效益，它的投入為公司的發展和經營從系統層面提供了有力支撐。