選煤廠自動化系統升級改造

張 林

（永煤集團順和煤礦，永城 476600）

順和煤礦是永煤集團在河南省商丘市永城投資建設的第5座現代化礦井，始建于2011年，于2012年12月調試完成交付使用。現階段該自動化系統難以滿足礦井需求，存在諸多問題。在信息化時代下，順和煤礦選煤廠始終堅持提升設備機械化、自動化及智能化水平，推廣應用新技術、新工藝和新設備，以降低職工勞動強度，實現高效生產。因此，文章將重點闡述對自動化系統的升級改造。

1 選煤廠現有控制系統結構

順和洗煤廠采用Rockwell的ControlLogix控制系統與FactoryTalk上位機操作系統，形成了一個集EtherNet、DeviceNet和Modbus網絡的相對完善的控制系統，完成了對整個選煤廠的配電系統的控制及監視、機電設備的控制及運行監視、各種開關量及模擬量的報警、數據采集、數據記錄、發展趨勢以及報表生成等。

選煤廠現有控制系統的上位機操作系統采用分布式布局。它包括1個噴淋系統工程師站、1個選煤系統工程師站、1個壓濾系統上位機、1個E3上位機、2個集控操作員站、2個皮帶秤及灰分儀系統（需要單獨成立系統，不在此次上位機改造系統中）[1]?，F場的可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）通過以太網將數據傳至集控室的上位機。

2 系統存在的問題

2.1 集控中心監控系統面臨的問題

集控中心監控系統目前主要面臨5個問題。第一，Windows XP工控機升級遇到驅動不支持，只能升級到Windows 7，導致對應的上位機軟件需要重新開發。第二，工控機系統損壞。上位機運行軟件無法恢復至停機前狀態，導致工藝參數需要重新調整。第三，工控機更換需要花費較長時間安裝操作系統、編程軟件、上位機開發軟件、上位機運行軟件以及Office軟件，且安裝軟件后涉及軟件授權和激活問題。第四，工控機硬件故障。由于電子器件升級而無法買到備件，需要將原硬件升級到當前的主流配置，對應的系統升級到Windows 10，導致原系統和上位機軟件無法運行。第五，現場存在多個系統，如洗選、壓濾、除塵及水處理等系統，需要整合這幾個系統，存在數據無法及時共享的問題[2]。

2.2 PLC控制系統面臨的問題

PLC控制系統涉及5大子系統，因此采用分布式輸入/輸出（Input/Output，I/O）布局。中央處理器（Central Processing Unit，CPU）位于原煤倉車間的PLC機架上，各遠程分站通過交換機的光纖環網通信。

PLC控制系統運行目前主要面臨以下4個問題。第一，目前全廠控制系統采用單機CPU，當CPU發生故障時，整個系統將無法正常運行，會影響全廠的正常生產。第二，CPU自身內存容量為4.0 MB，目前已經使用3.5 MB。對目前系統I/O容量而言，運行內存不足，偶爾出現CPU死機現象，容易造成系統停機。另外，考慮今后系統擴容問題，目前CPU已無法滿足系統要求。第三，由于CPU機架采用單一網絡模塊與I/O層和監控層設備進行通信，一旦該模塊出現故障或者網絡鏈路出現故障，會造成整個系統存在停機風險。第四，電動機保護采用E3plus（智能馬達保護器），通過DeviceNet網絡監視電機的各項電流和診斷參數等。此產品已淘汰，而新產品是E300（智能馬達保護器），主要包括DeviceNet、EtherNet/IP網絡規劃及組態。但是，上位機軟件版本較低，無法滿足新產品的通信要求[3]。

3 升級改造方案

3.1 集控中心監控系統升級

為了解決工控機硬件升級帶來的原有軟件不兼容問題，將洗煤廠多個上位機整合到一個系統，最大限度地降低現場維護難度，現擬升級改造原有的6臺獨立上位機工控機。本次改造計劃使用一款全集成、可預配置及可預測試的超融合架構的工業私有云（Industrial Private Clouds，IPC）平臺，支持微軟Hyper-V虛擬機和WitLinc WiP2V軟件，實現一體化的互聯網技術（Internet Technology，IT）與操作技術（Operation Technology，OT）的融合[4]。通過WL-820B-A存儲虛擬化ASAN，能夠使存儲容量隨著集群節點數量的增多而增大，同時實現性能的疊加、彈性擴展、服務質量（Quality of Service，QoS）以及集中管理功能，可以更快、更好、更簡單地為各種工業控制負載提供數據保障，見圖1。

圖1 升級后的工業數據中心方案

3.2 PLC系統升級

為了解決單CPU故障對全廠生產造成的巨大影響，現計劃升級CPU，由原來的單CPU升級為冗余CPU，無須變更下位機I/O模塊，可較小改動程序，達到冗余目的。單CPU與升級冗余后CPU的對比。當可用性為99.9%、可能停機時間為8.760 h時，為標準的CPU；當可用性為99.999%、可能停機時間為0.088 h時，為冗余的CPU。

單CPU每年因CPU造成的停機時間為8.76 h，升級到冗余CPU后，每年因CPU造成的系統停機時間縮短至約5.28 min（即0.088 h）。

原系統CPU的點數較多，升級到冗余系統后，需要處理器內存有足夠余量，可以存儲2倍的標簽數據和2倍的I/O內存。

4 升級后工業數據中心功能和特點

4.1 硬件部分

工業數據中心在緊湊型機箱內可配置3～64個計算節點和存儲節點，并配置相應的網絡交換節點、電源節點和安全節點。

4.1.1 計算節點主機

Intel Xeon Processor系列CPU，主機配備32～256 GB物理內存，存儲節點為8～24盤位工業存儲，并支持工業級熱插拔磁盤。硬盤標配8～128 TB，可擴展。

4.1.2 計算節點集成的千兆WiNet網卡

計算節點集成的千兆WiNet網卡，可自動識別Modbus TCP、S7 Net、EtherNet、網際互連協議（Internet Protocol，IP）以及對象鏈接與嵌入的過程控制（Object Linking and Embedding for Process Control，OPL）等工業通信協議。網絡交換節點配備2～4臺高性能可堆疊工業級交換機，同時電源節點配備最小3 kVA容量不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）和電池組。

4.2 軟件部分

工業數據中心軟件部分包括虛擬化平臺、Web管理頁面、多系統畫面切換、統一報警信息提醒、統一數據連接接口、子系統操作記錄查詢以及關鍵歷史數據查詢等內容。

工業數據中心虛擬化平臺結合工業現場應用需求，從虛擬化平臺底層融入適合工業現場安全穩定運行的元素，從而有效保證工業生產業務連續穩定運行[5]。

4.2.1 工業數據對內存的作用

全新的工業數據中心可以提供更廣泛的設備支持方法，如對大容量內存的支持和提升安全性，并能夠承載更多的虛擬機運行實例。

4.2.2 對工業環境的操作系統支持

為了更好地滿足工廠現有的IT環境和未來的IT發展趨勢，廣泛支持在虛擬化環境中同時運行不同類型的操作系統，包括32位和64位的多種不同服務器平臺操作系統，如Windows 2000、Windows XP、Windows 7、Windows Server以及Linux等操作系統。

4.2.3 對稱多處理器支持

以對稱多處理器（Symmetrical Multi-Processing，SMP）為工業服務器，在一個虛擬機環境中最多支持64個虛擬處理器，具有感受多線程應用程序的性能優勢。

4.2.4 網絡負載均衡

全新的虛擬交換功能可用簡單的方法配置運行Windows網絡負載均衡（Network Load Balancing，NLB）服務，以均衡不同服務器多個虛擬機的負載。

4.2.5 高可用性

數據中心包括可與故障轉移群集配合使用的增強特性，以確保在Windows虛擬化運行的虛擬機具有高可用性。與故障轉移群集使用時，工業數據中心使得管理員能夠以最少的服務中斷響應計劃停機的需求和回應意外停機。具體性能包括不停機遷移虛擬機、不停機遷移虛擬存儲、虛擬機復制和網卡組合等功能。

4.3 ControlLogix冗余控制系統

4.3.1 冗余系統的硬件組成

冗余系統的硬件組成由處理器1756-L7x，以太網模塊1756-EN2T、1756-EN2TR、1756-EN2F和1756-EN2TP，冗余模塊1756-RM2和冗余光纖1756-RMC1等組成。

4.3.2 以太網模塊IP地址自動切換

與主從以太網模塊的互聯網協議(Internet Protocol，IP）地址設置相同，同步后從站IP自動加1，人機接口（Human Machine Interface，HMI）與主站通信的IP地址不變，見圖2。

圖2 以太網模塊IP地址自動切換

4.3.3 在線擴展和升級冗余系統

在線擴展和升級冗余系統可實現冗余系統不停機、在線添加I/O模塊或者通信模塊、在線刷新固件以及在線升級硬件模塊。

4.3.4 冗余實現簡單

實現冗余系統無須額外編程，無須組態冗余模塊和從站機架，自動程序交叉加載和同步，不必維護兩套主從控制器程序等。

5 結果、經濟及效益分析

通過升級改造集控中心監控系統、現場PLC單機及冗余系統的自動化，可提高系統的穩定性和可靠性，有利于在生產過程中優化工藝參數和智能操作，提高產品質量和工作效率，使得設備維護保養更加便捷，提高設備使用性能和自動化程度，減少設備安全隱患的發生，降低員工勞動強度，減少人工成本開支，節約能源，增加煤礦的經濟效益。

6 結語

隨著我國經濟的快速發展，各行各業向著自動化和智能化發展。自動化技術有利于提高企業的生產、安全、經濟效益和社會效益。升級改造后的Rockwell的ControlLogix控制系統與FactoryTalk上位機操作系統，自2021年6月試運行至2021年8月正式投入使用以來，性能安全穩定，獲得了用戶的一致好評。