金伟 张弘
（飞马智科信息技术股份有限公司，安徽 马鞍山 243002）
摘要：介绍了马钢港务原料总厂控制系统的现状及改造的必要性。为降低控制系统过分集中带来的风险，采用将现有单主控PLC改为分区域控制方式并将现有单交换机网络升级为多交换机分层网络来降低控制系统集中风险。使用双系统并行切换方式解决在线系统升级实施难的问题。
关键词：原料；控制系统；PLC；集中风险
中图分类号：TP202 文献标识码：
0 引言
马钢港务原料总厂是现代化的大型综合原料厂，生产系统由水陆运进料、混匀加工系统、供料系统等22个子系统， 770个生产流程组成, 生产系统、流程和生产设备全部由PLC控制，PLC采用美国GE PAC 3i系列产品。目前主要任务是向马钢二铁总厂和三铁总厂的六座大型高炉、6台大型烧结机提供合格原料（占公司铁前原料总量的85%以上），主要包括：2×2500m3 高炉（年产生铁420 万t）、2×3600m3 高炉（年产生铁640 万t）、1×1000m3 高炉（年产生铁100 万t）及公司南区第二炼铁总厂内新建的4#高炉（年产炼钢生铁270 万t）和2×300m2 烧结（年产烧结矿640 万t）、2×360m2 烧结（年产烧结矿820 万t）及配套4#高炉新建烧结（年产烧结矿385 万t）。
PLC控制系统最早采用美国GE S90-70系列产品，1992年设计，1993年投入运行，至今已运行20年，由于运行时间长PLC进入故障高发期是不可避免的， S90-70PLC是GE公司老一代产品，包括CPU等重要模板已停止或接近停止供货，因此港务原料总厂于2015年年初对整个PLC系统的CPU部分进行了硬件换代升级，将原有S90-70PLC CPU部分全部更换为PAC 3i PLC，并将一部分老旧的Genius IO 从站硬件网络升级换代为Profinet IO。
1设计方案
1.1 必要性
马钢港务原料总厂控制系统由于历经多次配套高炉、烧结扩容及改造升级，存在的问题有：1）系统采用“单主控PLC”的控制方案。可扩展性较差，且易造成控制系统风险过度集中，为安全生产埋下隐患；2）现有控制系统新老硬件、网络并存，维护不便，新老系统兼容性较差。基于上述问题，拟对老旧GE Genius IO硬件网络等进行升级换代，系统升级完成后可有效降低控制系统集中风险、分散网络负荷、满足工艺生产需求。
为降低控制系统过分集中带来的风险，拟采用分区域控制以分散系统风险。即控制站物理结构不发生变化，将原先由主控PAC9控制逻辑下放给原先从控制站，由它们自己控制自己所辖设备，各控制站地位平行，控制信息通过以太网的方式传递，这种方式控制关键就是合理划分区域，使得接口最少，控制站的信息交换量减少，集中风险大大降低。
在改造PLC的同时，对网络布局进行改造。拟增加2台交换机将每个区域的PLC在物理网络上隔离开来，这样做的优点是最大程度上保证了区域间的独立性，基本可以避免由于现有项目仅依赖一台交换机进行数据交换而造成的网络拥堵现象。有效减少系统间信息交换量，提升大系统的可靠性。
1.2 自动化控制系统现状
港务原料总厂自动化控制系统由基础自动化控制级（L1）和生产管理级（L2）两级控制组成，L1和L2通过以太网互联，L2现场实时数据由L1 OPC SERVER提供，生产操作采用集中操作、集中监视方式。其中基础自动化系统PLC控制器选用GE Fanuc PAC Rx3i系列，监控软件选用CIMPLICITY。
基础自动化系统PLC由1台主控PLC（PAC9）、8台远程PLC（PAC1、PAC2、PAC4、PAC5、PAC6、PAC7、PAC8和PAC10）及其I/O远程站、10台操作站和一套自动广播系统组成。PLC采用GE PAC Rx3i 系列CPU通过以太网与Cimplicity HMI操作员站进行通讯。PLC之间存在Genius总线和Profinet工业以太网两种通讯方式。现有制系统网络拓扑如图1。
图1 现有控制系统网络拓扑示意图
1.2 分区域控制
马钢港务原料总厂根据供料最终用户不同分为内供和外供两个部分。其中内供包含水陆运、一次料场及混匀料场等，外供则通过皮带输送系统分别为二铁（南区）和三铁（北区）的最终用户提供烧结矿或高炉原料运输提供服务。
为降低控制系统过度集中风险，将原有“单主控PLC”控制系统功能进行合理的区域分割，每个区域内的最终用户相对独立，保证各服务对象在生产作业中互不干扰。
在现有的控制系统中，主控PLC PAC9执行所有的流程控制功能，拟根据工艺进行流程划分，将集中于一台PLC的流程控制功能分散到4台PLC，控制信息通过多台交换机，以太网的方式传递。关键区域使用“冗余+单PLC+冷备”方式保障各子系统的可用性。控制系统区域划分如下：
1.水陆运、一次料场区域（单PLC）；
2.混匀料场区域（单PLC）；
3.外供二铁区域（冗余+单PLC+冷备）；
4.外供三铁区域（冗余+单PLC+冷备）。
控制系统分区域实施完成后，每个区域的流程控制PLC均只承担一部分原有主控PLC PAC9的流程控制功能。区域主控PLC间通过令牌传递的方式，依次获得相关远程（从属）PLC的访问权限，来读、写设备信息。保持原有远程（从属）PLC的网络拓扑结构和用途大体不变最大程度降低实施时带来的风险。
根据统计情况，港务原料总厂现有770个生产流程，其中受入及一次料场区域共计48个生产流程，涉及设备80台；混匀料场区域共计25个生产流程，涉及设备47台；外供二铁的区域共计574个生产流程，涉及设备122台；外供三铁的区域共计174个生产流程，涉及设备109台。每个生产流程中的设备通常由3-4个远程（从属）PLC站（PAC1、PAC2、PAC4、PAC5、PAC6、PAC7、PAC8和PAC10）控制。设备情况如表1所示。
表1 远程PLC站控制设备在各区域中的分布情况
从表1可以看出，主控PLC分区域后，远程PLC可能需要响应多个主控PLC的设备控制指令。由四个区域主控PLC组成的网络，如果要同时往外发送数据包，就会形成冲突。所以必须要有令牌。区域主控PLC依次获得令牌，获得令牌的主控PLC便能向远程PLC发送控制信息、接收设备状态信号等工作。然后再把令牌传递给其他在线主控PLC。使用上述通讯方式优点如下：
1.区域主控PLC间通讯量极少，互相间独立；
2.四个区域主控PLC可互为备用，进一步提高系统可用性；
3.有效降低网络负载。基础自动化（L1）层的网络通讯量在任意时刻，最多仅有原系统的30％；
4.对现有系统硬件网络改动小，有效避免升级改造带来的风险。
分区域系统控制如图2所示。
图2 分区域系统控制示意图
1.3 网络拓扑及通讯方式
1.3.1 网络拓扑
港务原料总厂现有控制系统网络通过一台中央交换机完成主控PLC、远程PLC、HMI等通讯任务，随着设备不断增加，网络通讯数据拥堵情况时有发生。为改变现有状态，拟使用多台交换机按功能对现有交换机网络进行分层改造。改造后的网络拓扑如图3所示。
1.3.2 通讯方式
GE Fanuc PLC工业以太网通讯有以下三种类型（PLC之间高速交换数据）：
1.EGD (Ethernet Global Data)；
2.SRTP TCP/IP (GE 专有，Service Request Transport Protocol)；
3.Modbus TCP/IP (非专有协议，与设备厂商无关)。
EGD（以太网全局通讯）是一种设备间高速，简便的数据通讯协议。EGD协议基于UDP/IP协议，用户无需编程，只要组态Producer, Consumer等参数。
SRTP通讯方式是基于OSI模型的第七层的一种通讯协议,底层基于TCP/IP议。它是一种快速、高效的主/从通讯功能，可实现与PLC的数据交换和编程。SRTP通过在Client端的逻辑控制中编辑COMMREQ指令来实现Server与Client之间的通讯。不同的通讯目的是通过不同的指令代码来实现的。
港务原料总厂现有PLC间采用EGD（以太网全局通讯）方式进行数据交换。其缺点是需要对PLC配置重新组态，会造成PLC停机重启，造成生产停顿。为使在升级改造中，将其对现有系统的影响降到最低，考虑综合使用上述两种通讯方式。
1.分区域主控PLC使用EGD（以太网全局通讯）方式通讯；
2.原远程PLC（PAC1、PAC2、PAC4、PAC5、PAC6、PAC7、PAC8和PAC10）使用SRTP通讯方式（不影响生产，无需重启PLC）。
2 实施方案
2.1 概述
由于马钢港务原料总厂是全年24小时不间断连续生产作业方式，没有全面连续停产的检修时间，预计系统升级的时间不会超过2个小时，这给后续工作带来较大难度。为保证在线升级成功率，考虑采用双系统并行在线调试的方法以实现新老间的无缝切换。
2.2 实施步骤
2.2.1 实验仿真
为充分论证设计方案的可行性和方案的可操作性并保证新系统一次性上线成功，需要构建一套试验仿真系统，完成对分区域PLC程序方案和画面结构调整的系统性编写、测试、试运行等一系列工作。
涉及的主要试验用软、硬件有：
1. 工控机四台 西门子 IPC547
2. 思科管理型交换机一台（24口）
3.GE系列PLC设备硬件及编程软件1套
4. OPC Server 服务端软件1套
5. OPC Client 客户端应用软件套
通过实验仿真系统的搭建，可以最大程度地模拟出一个较为真实的现场生产应用环境。根据现场现有硬件构架，分析关键点设备，架设冗余HMI服务器+客户端模式的人机交互系统，及分区域PLC控制系统。
以OPC 技术为基础，通过高级语言编程方法实时与PLC通讯，虚拟现场IO设备，对PLC发出的指令做出及时响应；同时，可根据需要触发故障等动作，对PLC程序、画面进行功能性验证。系统设计较为灵活，同时，以较低成本还原现场应用环境。
2.2.2 线上仿真
将禁用现场设备输出的新控制系统通过一根以太网线接入到现有系统中，与现有系统同步运行，并在线监控调试。由于新系统仅采集现场设备状态并禁用了现场设备输出，它仅在逻辑层面上执行；使得现场技术人员在不影响生产的情况下有足够时间监控并调试程序以排除现场突发工况对控制系统的影响，最大限度保证系统顺利切换。
2.2.3 切换上线
双系统并行运转观察一段时间后确认无误，即可安排时间实施系统切换操作。在网络分区域划分实施完成后，需要一次性将新系统的现场设备输出解封，完成整个系统的无缝升级。
3 结束语
将现有单主控PLC改为分区域控制方式，将现有单交换机网络升级为多交换机分层网络来降低控制系统集中风险。使用双系统并行切换方式解决了在线系统升级实施难的问题，使得上线风险降到最低。系统升级完成后可有效降低控制系统集中风险、分散网络负荷、满足工艺生产需求。对其他同类型项目也有非常好的借鉴意义。
参考文献
[1] 马钢港务原料总厂适应性改造工程设计分析[J]. 江苏: 现代冶金,2018.
[2] 马钢原料厂自动广播系统[J]. 中国钢铁工业协会：冶金自动化,1995.
作者简介
金伟(1981-)，男，汉，安徽马鞍山人，工程硕士，工程师，从事计算机控制及相关技术研究开发工作。