陈桂芹 周传奇 拨海波

（云南天朗节能环保集团有限公司）

1 前言

云南省安宁市作为昆钢公司钢铁生产基地之一，为深入推进钢铁行业烟气治理超低排放，带动烟气治理技术升级转型，推动钢铁重点区域大气环境质量持续改善，促进经济向高质量增长转变，烟气控制系统的升级迫在眉睫。

2 昆钢新区原有烟气治理系统存在的不足

昆钢新区300 m2烧结机烟气脱硫系统原采用传统的控制方式，仅有少部分设备进入自控系统，且PLC较为老旧、容量已达上限，工作电源单一，通讯中断时有发生，在实际生产过程中，在高强度的满负荷生产运行工况下，现有脱硫装置控制系统故障率高，由于自动化程度相对较为落后，多个生产工段都是现场手动操作，对操作员操作经验依赖性大，生产行为不够规范，生产操作无相关记录以及报警提醒，难以统筹生产组织，最终导致整个生产运行效率低下，成本难以控制。

3 方案的设计

为推动昆钢新区脱硫脱硝技改项目转型升级，建立以新型传感器、智能控制系统、工业机器人、自动化成套生产线的智能生产体系十分必要，同时确保系统的高效，包括供电质量、网络通信以及CUP的可靠性指标，确保能实现数据的跨系统联动、采集、分析与交互，完成设备性能感知、过程优化等数字化生产方式，减少人力环节，使生产数字化贯穿整个昆钢新区脱硫脱硝生产全过程，实现对整个生产流程进行监控、数据采集，便于进行数据分析，从而形成可视化、智能化的生产运维管控系统。

通过采用冗余技术，从供电方式、网络通信、控制单元以及操作站等全过程统筹考虑冗余的必要性，能有效实现相关功能且具有一定的稳定性，以保证系统能安全、可靠地运行。

3.1 DCS系统冗余的设计

本系统选用ABB wincsDCS系统，具备对各种国内外DCS、PLC及现场智能设备等接入系统的功能，实现企业内过程控制设备信息的共享，系统采用对等式冗余结构，DCS系统为全局数据库，具备良好的扩展性和兼容性，通讯总线应采用国际主流的现场总线协议——Profibus，并能够同时实现两种总线全方位冗余；互为备用的功能，完成对应装置的监控任务，系统具备面向属性功能，系统架构图见图1。

图1 系统拓扑图

WinCS（全称Winmation Control System) 是新一代技术先进、工程高效、扩展开放的混合式过程控制系统，特别适合昆钢新区烟气治理中涉及到多个PLC品牌以及多个数据集成的需求，能以最小的工程成本和最快的速度实施DCS项目，以最小的投资及风险实施DCS系统扩展、更新升级及系统集成。整个WinCS过程控制系统分为三层，现场设备层、过程控制层、操作管理层。 现场设备层，包括I/O站和现场设备（过程仪表和控制执行设备），I/O站和现场总线设备可通过PROFIBUS总线和控制器进行通信。过程控制层，可以由一个至几个不同的控制器组成，控制器执行开环和闭环的控制功能，并可通过I/O站与现场设备进行数据通信。操作管理层包括工程师站、操作员站和数据服务器等。工程师站可实现系统的组态和编程，操作员站可实现系统的操作和显示、归档和记录，趋势和报警及总线设备管理等功能。WinCS过程站作为自动化过程控制的核心单元，通过采集现场设备层的过程数据，采用总线技术传输数据、实现数据的函数和逻辑运算和任务处理等，并将结果输送到上一级操作管理层实现数据监控，同时将来自操作管理级的操作指令完整地传输给现场设备级并执行。其主要由控制器、I/O、总线设备接口及通信附件组成。

冗余配置能实现活动控制器（主控制器）和冗余控制器（备用控制器）之间的平稳切换，因此：CPU模块故障情况下，系统将保留PROFIBUS接口模块或 24VDC以及连接现场总线的输入/输出组件的输出信号。内部状态（组件数据，变量值）将保留，控制器的组态数据和过程数据将在活动控制器和冗余控制器之间自动更新，同步冗余控制器（备用控制器）通过数据同步在运行控制器（主控制器）故障时接管控制操作。当运行控制器发生严重故障时，冗余控制器通过冗余链接从运行控制器中获取用户程序和冗余数据的更新，冗余链接由一条以太网双绞线组成，两头分别连接两个控制器上的 ETH2 端口，传输速率为100 Mbit/s。冗余切换条件控制器自诊测时如发生了下列情况，主备控制器将执行强制切换：模块错误（总线开关关闭时，检测到模块错误）现场总线模块故障、看门狗报警、控制器硬件故障、系统报告控制器电源故障、控制网络故障、系统报告“致命错误” 等主控制器故障时，冗余控制器将自动切换，实现冗余切换的最短时间为 50 ms，常规应用情况下，主备控制器在1 s内完成切换。但在复杂应用情况下，如控制器任务循环周期长、带有大量远程 I/O 等，切换时间将延长。

3.2 网络通信冗余的设计

为保障整个系统的可靠性和稳定性，还需进一步对系统的网络通信以及系统供电等关键设备进行冗余设计，根据针对控制系统的选择，除了系统CPU和机架通信模块的冗余，同时提供交换机、操作员站等设备的冗余设置，保证整个系统的冗余的完整性，见图2。

图2 控制网络冗余图

同时，根据生产组织、管理等要求，实现设备连接能通全通、能进全进，建立控制系统能深入生产现场任何设备的数据通讯网，特别是针对机器手、自动码垛等第三方系统，建立OPC通信接口，相关参数以及运行状况都能进入DCS在系统中显示，并进一步能实现相应的控制功能，满足生产现场操作的需求。

3.3 电源冗余的设计

为进一步提升设备的供电的可靠性，整个DCS系统采用了双电源（市电和UPS）+冗余的方式，并通过电源自动切换开关可实现双电源的自动切换，有效保障了系统的供电能力和供电稳定性，如图3。

图3 双电源自动切换设计图

4 实施取得的效果

实际运行表明, 该系统中的硬件冗余配置，极大的提升了设备运行的可靠性和稳定性，系统可以在50 ms以内完成主站与从站的冗余切换 ，同时，电源供电以及网络通讯都能满足生产实际需求,该系统冗余有更高的可靠性和实现成本。

4.1 实现双电源的冗余切换

通过把不同的电源引入系统，采用电源自动切换开关对电源进线有效监测，保障了整个系统供电的可靠性和稳定性。

4.2 实现网络通信的冗余

从每个机架的I/O模块建立冗余的底层通讯冗余模块，连接到冗余的CPU，并通过不同的网络连接到整个操作员站，极大的提高了现场设备的可靠性，保障了生产设备的实时在线。

4.3 实现DCS系统实时冗余

针对烟气排放的严格要求，必须对CPU进行有效冗余，通过在系统中完成数据采集和处理、模拟量控制系统和顺序控制，生产工艺监控、报表查询、语音报警等，其中数据采集包括常规仪表的数据采集、环保数据的采集以及具有环保部门规定的相关趋势要求，操作人员在控制室内操作员站上通过对系统进行启/停控制、正常运行的监视和调整以及异常与事故工况的处理，能实现一键开启部分流程，事故预警等功能，建立通用模块，减少大量重复工作，降低运行负荷，完成调节控制、联锁逻辑、手动操作，调节控制采用了包括反馈、前馈、开关、比率、超前、滞后等各种算法的综合运用，使生产操作更加智能化，因此，对整个CPU的冗余是整个控制系统最关键的，通过实践证明，该方案能有效提升系统运行效率，达到设计目的。

5 结束语

随着从DCS系统的电源保障、网络通信以及系统等全过程考虑，采用了可靠、经济的冗余方式，保障了整个项目的可靠性和稳定性，从硬件上实现电源、控制系统以及网络通信的全过程的冗余，把原本孤立的智能化单元有效的衔接起来，实现生产控制系统全过程的可靠性，解决了控制系统中单点问题导致的系统停机问题，有效的提高整个控制系统的效率。