數據采集冗余在高爐自動(dòng)化系統中的應用

1 引言

　　冶金關(guān)鍵過(guò)程控制系統中要求控制裝置有極高的可靠性。在高爐煉鐵生產(chǎn)中，如果控制系統出現故障，由此引起的停產(chǎn)和設備的損壞將造成極大的經(jīng)濟損失，只要系統中一個(gè)地方出問(wèn)題，就會(huì )造成整個(gè)系統停產(chǎn)。僅僅通過(guò)提高控制系統的硬件及軟件的可靠性來(lái)滿(mǎn)足高爐煉鐵對可靠性的要求是不可能的。因為可編程序控制器本身的可靠性的提高有一定的限度，并且可靠性的提高會(huì )使成本急劇增加。因此，對一些關(guān)鍵的、危險的或停止(故障)后對人員安全或設備損傷有重大隱患的控制部分經(jīng)常使用冗余控制器或冗余系統就能夠有效地解決上述問(wèn)題。

2 數據冗余技術(shù)

　　“冗余”就是將相同功能的設備設計為2個(gè)或2個(gè)以上，如果一個(gè)設備有問(wèn)題，另外一個(gè)設備就會(huì )自動(dòng)承擔起有問(wèn)題設備的任務(wù)，使生產(chǎn)能夠繼續進(jìn)行。具體說(shuō)來(lái)就是備份出另一套服務(wù)。一般情況下是某一套系統運行，而第二個(gè)系統處于待命狀態(tài)，可以通過(guò)人工方式監視第一套系統，當發(fā)現有故障時(shí)，便激活第二套系統。也可以用控制器對2個(gè)模塊同時(shí)進(jìn)行掃描，當其中一塊停止回應時(shí)，系統從另一個(gè)模塊中獲取數據。由此可見(jiàn)，冗余的目的保證了系統工作的連續性(基本不會(huì )出現系統不工作的情況)、穩定性。

　　plc冗余可以分為軟件冗余和硬件冗余兩種。硬件冗余實(shí)現方式下對硬件型號有所要求，連接方式也不同，但對軟件并無(wú)特殊要求。軟件冗余投資不會(huì )太大，通過(guò)軟件設計實(shí)現數據的讀取、備用，監測到異常時(shí)自動(dòng)切換。有些場(chǎng)合，也有按照冷冗余、暖冗余和熱冗余來(lái)區分。

3 高爐自動(dòng)化數據冗余

　　3.1 爐頂料罐壓力冗余檢測

　　爐頂料罐壓力檢測在日常生產(chǎn)中占有很重要的地位，若出現故障將直接影響到布料的順利進(jìn)行。萊鋼1000立方米高爐整體由受料斗、料罐和高爐爐體三部分構成。焦炭、燒結礦等各種入爐原料由料車(chē)運到爐頂，倒入受料斗中。等到料罐內放散完畢后，即料罐壓力為零時(shí)，打開(kāi)上密閥和柱塞閥向料罐裝料。裝料完成后料罐將進(jìn)行均壓，此時(shí)料罐壓力等于或者大于爐內壓力，一旦高爐準備接受下一批爐料就進(jìn)行布料，則打開(kāi)下密閥并將料流調節閥開(kāi)至設定開(kāi)度，料罐中的爐料通過(guò)料流調節閥流到旋轉的布料溜槽上。料罐清空后，關(guān)閉料流調節閥和下密封閥，打開(kāi)放散閥進(jìn)行放散，準備下一次裝料。

　　從上述過(guò)程中可看到料罐壓力在生產(chǎn)中的重要性，如果無(wú)法正確到檢測料罐壓力，會(huì )導致受料斗中的入爐原料無(wú)法進(jìn)入料罐中，同時(shí)料罐中已有的爐料不能順利向爐內布放。

　　并且當初高爐設計時(shí)，將“料罐壓力”和“爐內壓力”兩個(gè)檢測點(diǎn)的信號先引入本體控制室中，然后通過(guò)光纖通訊，傳到槽下控制室，該控制室的plc接受并且處理后，再對爐頂設備進(jìn)行控制。所以通訊是否暢通也是一個(gè)不得不警惕的隱患。

　　通過(guò)研究分析，采用數據冗余中硬件冗余的方式，可在原有設備基礎上增加一套壓力變送器，其信號不通過(guò)第三方傳遞，直接引致槽下控制室中進(jìn)行處理。平時(shí)兩套設備都在運行，由本體控制室通訊來(lái)的信號和直接從高爐傳來(lái)的備用信號送給槽下控制室的plc處理，遵循一用一備的原則選擇使用。這樣就減少了對一套設備的依賴(lài)，增加了設備可靠性和操作靈活性。圖1為改造后的數據傳輸、處理過(guò)程。

圖1 高爐冗余數據傳輸處理

　　備用壓力變送器要與原有的設備具有型號和相同的規格，這樣采集的數據才有可比性，不會(huì )有較大的誤差；兩路信號的使用原則為“一用一備”，即在生產(chǎn)中只使用一路信號，參與生產(chǎn)控制，另一路信號處于備用狀態(tài)?；榍袚Q使用，當某一路信號出現異常時(shí)，另一路可迅速投入使用；監控畫(huà)面要將兩路信號的狀態(tài)實(shí)時(shí)體現出來(lái)，通過(guò)顯示的數值和數值的變化來(lái)判定兩套變送器的運行狀況。從而為選用哪一路信號參與控制做參考。監控畫(huà)面設計如圖2所示。

圖2 監控畫(huà)面

　　爐內壓力用棒圖的形式表示爐內壓力檢測點(diǎn)的變化情況。料罐壓力。用棒圖的形式表示兩路料罐壓力檢測點(diǎn)的變化情況。切換設定用于手動(dòng)切換使用料罐壓力檢測點(diǎn)信號。異常設定做了一個(gè)報警系統，當兩路料罐壓力之間的差值大于設定值后即認定為異常，發(fā)出報警，由操作人員做出判斷。

　　通過(guò)改造，兩套壓力變送器運行狀況良好，平時(shí)兩套設備同時(shí)工作著(zhù)，互為備用，都能很好得參與到生產(chǎn)控制中去，降低了因設備故障而影響生產(chǎn)的幾率，畫(huà)面上的棒圖表示可以很好的反映出兩路信號的變化情況，操作簡(jiǎn)單，而且在不影響生產(chǎn)的基礎上可以很方便的對設備進(jìn)行維護保養，提高了設備壽命和系統整體的可靠性，使維護更加方便。

　　3.2 數據庫冗余的應用

　　冗余可以分為軟件冗余和硬件冗余兩種，軟件冗余的特點(diǎn)是投資少，見(jiàn)效快，在萊鋼1000立方米高爐的軟件冗余應用中，最有代表性的就是歷史記錄數據庫的冗余設計。

　　在自動(dòng)化控制系統的監控畫(huà)面中，歷史趨勢占有很重要的地位，通過(guò)歷史趨勢，操作人員可以很方便的判斷當前一段時(shí)間的生產(chǎn)狀況，為下一步的生產(chǎn)起到指導作用?；蛘咴谏a(chǎn)中出現事故后，操作人員往往首先去查看歷史趨勢，從而判斷事故原因。歷史趨勢的數據需要記錄在數據庫中，因此，為了確保歷史數據的完整性和安全性，需要對數據庫進(jìn)行冗余設計。

　　如圖3的系統結構所示，該控制室有三臺上位機，都通過(guò)交換機和plc進(jìn)行數據交換，②號、③號機都安裝數據庫，用于保存歷史數據，通過(guò)交換機可以互訪(fǎng)對方的數據庫。若其中一臺出現故障，另一臺可以繼續記錄歷史數據，不影響歷史數據的查詢(xún)和記錄。

圖3 系統結構

　　通過(guò)上述改造，監控系統的靈活性大大提高，操作性能進(jìn)一步得到了改善，利用現有的資源，做出了合理的資源優(yōu)化。將軟件冗余的技術(shù)特點(diǎn)，應用到生產(chǎn)建設中。

　　3.3 探尺的冗余檢測改造

　　萊鋼1000立方米高爐現采用一部機械探尺，一部雷達探尺的雙探尺模式對爐內料面進(jìn)行檢測。之所以采用這種方式，是根據實(shí)際生產(chǎn)特點(diǎn)做出的改進(jìn)。不同與以往簡(jiǎn)單的數據采集設備冗余，應看作是對同一檢測對象的設備類(lèi)型冗余。

　　高爐竣工之初，安裝使用的是兩部機械探尺，投入生產(chǎn)后，發(fā)現傳統的機械探尺雖然測量數據可靠，但體積大，而且經(jīng)常發(fā)生故障。過(guò)去高爐塌料后，機械探尺根本探不到料面，不能反映料面深度。雷達探尺是一個(gè)連續的測量過(guò)程，是通過(guò)雷達的原理來(lái)探測料面的深度，探測深度不受限制，采用非接觸的測量方式，24小時(shí)不間斷工作，通過(guò)電子部件算出探頭到介質(zhì)表面的距離，能夠準確及時(shí)地反映高爐料面情況，設備體積小，易操作，測量精度高。適應高溫、粉塵、潮濕的工作環(huán)境，可連續、穩定檢測高爐料位，無(wú)機械磨損故障，通過(guò)與機械探尺配合使用，可以更好地掌握高爐料面情況。

　　經(jīng)過(guò)改造，拆除了一部機械探尺，在原開(kāi)口處安裝一部雷達探尺，與原先的機械式探尺同時(shí)使用，同時(shí)在值班室位機上做出料位實(shí)時(shí)曲線(xiàn)圖和歷史曲線(xiàn)圖，可以隨時(shí)供查看，便于高爐工長(cháng)對整個(gè)高爐進(jìn)行全面掌控，及時(shí)判斷出高爐崩料、坐料等異常情況，很好跟蹤機械探尺，彌補機械探尺探測深度只有四米、加料時(shí)探不出、監測有間隙等不足，為高爐提供準確的料位數據，有利于高爐提高操作控制的準確性，為高爐穩定、順行提供技術(shù)保證。

　　3.4 控制回路與限位信號冗余的應用

　　對一些采用液壓回路控制的設備，出于技術(shù)方面的考慮，各增加一套控制回路，作為備用。如：上密閥、柱塞閥、下密閥、放散閥和均壓閥。這些在日常生產(chǎn)中具有很重要作用的閥都有一個(gè)共同特點(diǎn)，就是都采用了液壓控制。液壓裝置易發(fā)生油路阻塞或因為天氣寒冷導致控制失靈等故障，而且故障不能迅速修復，因此增加一套獨立的控制回路就十分的必要，同時(shí)在這些被控制的設備上增加備用的限位信號，對判斷是設備故障還是控制回路故障具有重要的指導作用。監控畫(huà)面的設計要做到能對現場(chǎng)設備做出正確判斷，還要很方便地對冗余設備進(jìn)行切換使用，以柱塞閥的控制畫(huà)面如圖4所示。

圖4 柱塞閥控制

4 高爐自動(dòng)化數據冗余關(guān)鍵

　　要做到數據信號的獨立性。雖然在plc每個(gè)模板上都留有少量的備用點(diǎn)，但在冗余設計中應遵循的一個(gè)原則，即冗余的信號要與原先的信號接在不同的模板上，否則因為模板的故障而導致兩路信號全部失靈，失去了冗余設計的本意。

　　對于輸入量冗余的處理，特別是檢測信號的冗余，我們雖然接受兩組信號，但并不一定把兩組數據都進(jìn)行處理，即：同時(shí)接受，但只處理一組。因為這樣可以減少系統的運算時(shí)間，在程序控制過(guò)程中只取一組信號，另一組處于備用狀態(tài)，不會(huì )造成程序混亂。

　　當出現故障時(shí)，兩套設備是自動(dòng)進(jìn)行切換，還是操作人員手動(dòng)進(jìn)行切換是冗余設計的兩種思路，自動(dòng)切換的優(yōu)點(diǎn)就是當出現故障時(shí)程序能第一時(shí)間內發(fā)現故障，并自動(dòng)做出相應的處理，缺點(diǎn)就可能因為假信號的干擾而做出錯誤的判斷，而且操作人員不易覺(jué)察。通過(guò)權衡利弊后，萊鋼1000立方米高爐采用的方式為手動(dòng)切換，由于采用了異常報警，當出現異常時(shí)，操作人員同樣可以及時(shí)發(fā)現，通過(guò)他對當時(shí)情況的分析，做出相應的操作，這樣的好處就是操作人員可以察覺(jué)到異常，并且易于查找事故原因。

　　冗余設計是需要從全局考慮，當發(fā)生事故時(shí)，造成的損失是很容易計算出來(lái)的，但增加了防范措施后，因成功防范事故得到的收益和創(chuàng )造的效益卻是無(wú)形的，得不到的。因此對該有冗余的設備不重視，舍不得投入，往往就會(huì )因小失大；但發(fā)生事故幾率很小的地方卻增加冗余，任憑設備損耗，無(wú)形中增加了不必要的投入，提高了生產(chǎn)成本。

5 結束語(yǔ)

　　通過(guò)數據采集冗余設計，萊鋼1000立方米高爐大大地提高了系統的可靠性和工作的連續性，實(shí)際應用的效果也非常理想，加快了高爐的生產(chǎn)節奏，提高了產(chǎn)量，對于提高系統自動(dòng)化控制水平，減輕操作人員負擔，降低事故率，提高了設備壽命具有重大意義。