水泥生产线中冗余控制系统的应用

　　1.引言

　　随着目前工业生产线规模的不断扩大，对大型控制系统的稳定性可靠性提出了更高的要求，控制系统合理的冗余设计会大大提高系统的可靠性，确保生产线的连续稳定生产。本文以合肥水泥研究设计院设计的某6000t/d水泥熟料生产线工程为例，介绍基于ABB公司Industral IT 800xA控制系统的冗余设计方案。

　　2. 冗余技术概念

　　所谓冗余就是增加备用的设备，在主设备出现故障不能正常工作时，备用设备进入工作状态，以保证系统持续可靠的运行。冗余的分类方法多种多样，按照在系统中所处的位置，冗余可分为元件级、部件级和系统级;按照冗余的程度可分为1：1冗余、1：2冗余、1：n冗余等多种。在目前无冗余功能元件性能不断提高，且部分元件自带冗余功能性价比不高的情况下，从总体设计方案出发，1：1的部件级热冗余是相对简单，性能可靠，且比较经济的方式，所以目前国内外过程控制大多数都采用这种冗余方式，当然也有局部设计中采用多种冗余方式组合的方式。本文将就控制系统的部件级热冗余进行分析。

　　3. 水泥生产线控制系统简介

　　本水泥生产线采用的是ABB公司Industral IT 800xA控制系统，全厂控制系统按网络结构可分为以太网层，工业以太网层，现场总线层。

　　4. 控制系统冗余设计

　　(1)以太网层

　　服务器冗余

　　本生产线800xA控制系统使用5台服务器，其中3台为属性服务器AS1、AS2、AS3，2台为连接服务器CS1、CS2。其中属性服务器AS2、AS3为AS1的冗余服务器，连接服务器CS2为CS1的冗余服务器。而AS1也作网络域服务器，AS2为冗余域服务器；CS1为OPC服务器，CS2为冗余OPC服务器。5台服务器根据功能的不同都作了不同程度的冗余，使用最少的计算机作了最大限度的冗余，使上位机控制系统可靠性大大增加。而且安装800xA控制系统软件后，所有服务器根据属性服务器AS1自行实现时间和数据同步，不需要作特别设置。

　　以太网交换机冗余

　　以太网层数据通信设备以太网交换机无疑也非常重要，我们也采用冗余配置，2个交换机同时在线，当然，所有上位机服务器和操作员站也必须安装双网卡，使用双网线。这样只要有一个交换机或者网线出现故障，系统能够自行通过另一交换机交换数据，不影响通讯，同时计算机上会有网络状态提示。

　　(2)工业以太网和现场总线层

　　控制器(CPU)冗余

　　控制器(CPU)是整个控制系统的核心单元，绝大多数的控制任务逻辑连锁都由它来完成，控制器(CPU)同样也可使用冗余配置，但是由于控制器一般价格比较高，所以我们一般在水泥生产线重要的流程段的控制使用冗余控制器配置。如生料磨，窑尾，窑中，窑头，水泥磨等。控制器冗余配置一般为一用一备，一个控制器在工作状态的时候，另一个在备用状态，工作状态下控制器主要执行程序，访问I/O等作用，备用状态的控制器主要执行监视和诊断主控制器的好坏，通过周期性的扫描主控制器的程序和数据来达到备用控制器的同步更新，以便在主控制器故障时能够自动切换。

　　通讯网络冗余

　　控制系统的数据通讯网络是非常重要的一个部分，直接影响到控制系统的控制质量，要求很高的可靠性。以本工程为例，一般根据使用总线协议的不同我们使用不同的通讯模块，现以常见的Profi-bus 总线为例实现通讯模块的冗余配置。

　　控制器间通讯电缆冗余，一般采用双环型拓朴结构的光纤环网，这样只要以确保各控制器有任一工作，任一环网无2个断点，可保证系统通讯的正常工作。

　　现场部分I/O模块与CPU间采用冗余双profi-bus总线, 正常工作状态时，系统会自动选择一条总线作为其工作总线，如果当某总线条出现故障，系统会自动判断并切换使用备用总线工作，同时在工程师站给出网络状态提示。

　　而控制器和现场总线设备，如PA仪表电机保护器等的连接，由于许多PA仪表和电机保护器不支持双总线结构的冗余，而没有采用冗余。

　　电源冗余

　　电源是整个控制系统正常工作的基本保证，虽说部分模块带有电池功能，但一旦控制电源发生故障，造成整个控制系统的工作中断，整个生产线的跳停将再所难免。因此我们设计首先从电气部分就作了应急电源配电柜一路来自正常供电，一路来自应急发电机，其次在控制系统部分，我们采用了UPS给所有控制系统模块供电，并且所有220V转24V电源模块我们使用了并联冗余。从而多重保证了控制系统电源供给问题。

　　I/O模块冗余

　　由于整个生产线使用大量的I/O模块，给所有模块作冗余既浪费也没有必要，因此我们只争对其中少数非常重要的部分进行了冗余。

　　5. 优点和缺点

　　控制系统的冗余设计大大提高了系统的可靠性，保障了生产线的连续稳定生产。但是很明显，冗余的配置增加了用户的投资，如果配置不合理反而可能降低系统的可靠性，并增加了一定的维护难度。因此，根据本人工程经验，建议用户根据自身情况，对部分重要的部件采用冗余配置即可。

　　6. 结束语

　　在目前的大规模生产线中，控制系统合理的冗余配置具有更高的稳定性，更加符合广大用户的利益，已经被众多行业广泛的应用。在此，仅以一个在水泥生产线为例，介绍了冗余系统的实际配置及应用，希望能起到抛砖引玉的作用，给予广大工程设计人员一定帮助和启发。