數(shù)據(jù)采集冗余在高爐自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 引言

　　冶金關(guān)鍵過程控制系統(tǒng)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(tǒng)出現(xiàn)故障，由此引起的停產(chǎn)和設(shè)備的損壞將造成極大的經(jīng)濟損失，只要系統(tǒng)中一個地方出問題，就會造成整個系統(tǒng)停產(chǎn)。僅僅通過提高控制系統(tǒng)的硬件及軟件的可靠性來滿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(shè)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(tǒng)就能夠有效地解決上述問題。

2 數(shù)據(jù)冗余技術(shù)

　　“冗余”就是將相同功能的設(shè)備設(shè)計為2個或2個以上，如果一個設(shè)備有問題，另外一個設(shè)備就會自動承擔(dān)起有問題設(shè)備的任務(wù)，使生產(chǎn)能夠繼續(xù)進行。具體說來就是備份出另一套服務(wù)。一般情況下是某一套系統(tǒng)運行，而第二個系統(tǒng)處于待命狀態(tài)，可以通過人工方式監(jiān)視第一套系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有故障時，便激活第二套系統(tǒng)。也可以用控制器對2個模塊同時進行掃描，當(dāng)其中一塊停止回應(yīng)時，系統(tǒng)從另一個模塊中獲取數(shù)據(jù)。由此可見，冗余的目的保證了系統(tǒng)工作的連續(xù)性(基本不會出現(xiàn)系統(tǒng)不工作的情況)、穩(wěn)定性。

　　plc冗余可以分為軟件冗余和硬件冗余兩種。硬件冗余實現(xiàn)方式下對硬件型號有所要求，連接方式也不同，但對軟件并無特殊要求。軟件冗余投資不會太大，通過軟件設(shè)計實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取、備用，監(jiān)測到異常時自動切換。有些場合，也有按照冷冗余、暖冗余和熱冗余來區(qū)分。

3 高爐自動化數(shù)據(jù)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(xiàn)故障將直接影響到布料的順利進行。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(gòu)成。焦炭、燒結(jié)礦等各種入爐原料由料車運到爐頂，倒入受料斗中。等到料罐內(nèi)放散完畢后，即料罐壓力為零時，打開上密閥和柱塞閥向料罐裝料。裝料完成后料罐將進行均壓，此時料罐壓力等于或者大于爐內(nèi)壓力，一旦高爐準(zhǔn)備接受下一批爐料就進行布料，則打開下密閥并將料流調(diào)節(jié)閥開至設(shè)定開度，料罐中的爐料通過料流調(diào)節(jié)閥流到旋轉(zhuǎn)的布料溜槽上。料罐清空后，關(guān)閉料流調(diào)節(jié)閥和下密封閥，打開放散閥進行放散，準(zhǔn)備下一次裝料。

　　從上述過程中可看到料罐壓力在生產(chǎn)中的重要性，如果無法正確到檢測料罐壓力，會導(dǎo)致受料斗中的入爐原料無法進入料罐中，同時料罐中已有的爐料不能順利向爐內(nèi)布放。

　　并且當(dāng)初高爐設(shè)計時，將“料罐壓力”和“爐內(nèi)壓力”兩個檢測點的信號先引入本體控制室中，然后通過光纖通訊，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(shè)備進行控制。所以通訊是否暢通也是一個不得不警惕的隱患。

　　通過研究分析，采用數(shù)據(jù)冗余中硬件冗余的方式，可在原有設(shè)備基礎(chǔ)上增加一套壓力變送器，其信號不通過第三方傳遞，直接引致槽下控制室中進行處理。平時兩套設(shè)備都在運行，由本體控制室通訊來的信號和直接從高爐傳來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(shè)備的依賴，增加了設(shè)備可靠性和操作靈活性。圖1為改造后的數(shù)據(jù)傳輸、處理過程。

圖1 高爐冗余數(shù)據(jù)傳輸處理

　　備用壓力變送器要與原有的設(shè)備具有型號和相同的規(guī)格，這樣采集的數(shù)據(jù)才有可比性，不會有較大的誤差；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)。互為切換使用，當(dāng)某一路信號出現(xiàn)異常時，另一路可迅速投入使用；監(jiān)控畫面要將兩路信號的狀態(tài)實時體現(xiàn)出來，通過顯示的數(shù)值和數(shù)值的變化來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(jiān)控畫面設(shè)計如圖2所示。

圖2 監(jiān)控畫面

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

　　通過改造，兩套壓力變送器運行狀況良好，平時兩套設(shè)備同時工作著，互為備用，都能很好得參與到生產(chǎn)控制中去，降低了因設(shè)備故障而影響生產(chǎn)的幾率，畫面上的棒圖表示可以很好的反映出兩路信號的變化情況，操作簡單，而且在不影響生產(chǎn)的基礎(chǔ)上可以很方便的對設(shè)備進行維護保養(yǎng)，提高了設(shè)備壽命和系統(tǒng)整體的可靠性，使維護更加方便。

　　3.2 數(shù)據(jù)庫冗余的應(yīng)用

　　冗余可以分為軟件冗余和硬件冗余兩種，軟件冗余的特點是投資少，見效快，在萊鋼1000立方米高爐的軟件冗余應(yīng)用中，最有代表性的就是歷史記錄數(shù)據(jù)庫的冗余設(shè)計。

　　在自動化控制系統(tǒng)的監(jiān)控畫面中，歷史趨勢占有很重要的地位，通過歷史趨勢，操作人員可以很方便的判斷當(dāng)前一段時間的生產(chǎn)狀況，為下一步的生產(chǎn)起到指導(dǎo)作用?；蛘咴谏a(chǎn)中出現(xiàn)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(shù)據(jù)需要記錄在數(shù)據(jù)庫中，因此，為了確保歷史數(shù)據(jù)的完整性和安全性，需要對數(shù)據(jù)庫進行冗余設(shè)計。

　　如圖3的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所示，該控制室有三臺上位機，都通過交換機和plc進行數(shù)據(jù)交換，②號、③號機都安裝數(shù)據(jù)庫，用于保存歷史數(shù)據(jù)，通過交換機可以互訪對方的數(shù)據(jù)庫。若其中一臺出現(xiàn)故障，另一臺可以繼續(xù)記錄歷史數(shù)據(jù)，不影響歷史數(shù)據(jù)的查詢和記錄。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　通過上述改造，監(jiān)控系統(tǒng)的靈活性大大提高，操作性能進一步得到了改善，利用現(xiàn)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，應(yīng)用到生產(chǎn)建設(shè)中。

　　3.3 探尺的冗余檢測改造

　　萊鋼1000立方米高爐現(xiàn)采用一部機械探尺，一部雷達探尺的雙探尺模式對爐內(nèi)料面進行檢測。之所以采用這種方式，是根據(jù)實際生產(chǎn)特點做出的改進。不同與以往簡單的數(shù)據(jù)采集設(shè)備冗余，應(yīng)看作是對同一檢測對象的設(shè)備類型冗余。

　　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(xiàn)傳統(tǒng)的機械探尺雖然測量數(shù)據(jù)可靠，但體積大，而且經(jīng)常發(fā)生故障。過去高爐塌料后，機械探尺根本探不到料面，不能反映料面深度。雷達探尺是一個連續(xù)的測量過程，是通過雷達的原理來探測料面的深度，探測深度不受限制，采用非接觸的測量方式，24小時不間斷工作，通過電子部件算出探頭到介質(zhì)表面的距離，能夠準(zhǔn)確及時地反映高爐料面情況，設(shè)備體積小，易操作，測量精度高。適應(yīng)高溫、粉塵、潮濕的工作環(huán)境，可連續(xù)、穩(wěn)定檢測高爐料位，無機械磨損故障，通過與機械探尺配合使用，可以更好地掌握高爐料面情況。

　　經(jīng)過改造，拆除了一部機械探尺，在原開口處安裝一部雷達探尺，與原先的機械式探尺同時使用，同時在值班室位機上做出料位實時曲線圖和歷史曲線圖，可以隨時供查看，便于高爐工長對整個高爐進行全面掌控，及時判斷出高爐崩料、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、加料時探不出、監(jiān)測有間隙等不足，為高爐提供準(zhǔn)確的料位數(shù)據(jù)，有利于高爐提高操作控制的準(zhǔn)確性，為高爐穩(wěn)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(yīng)用

　　對一些采用液壓回路控制的設(shè)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共同特點，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(dǎo)致控制失靈等故障，而且故障不能迅速修復(fù)，因此增加一套獨立的控制回路就十分的必要，同時在這些被控制的設(shè)備上增加備用的限位信號，對判斷是設(shè)備故障還是控制回路故障具有重要的指導(dǎo)作用。監(jiān)控畫面的設(shè)計要做到能對現(xiàn)場設(shè)備做出正確判斷，還要很方便地對冗余設(shè)備進行切換使用，以柱塞閥的控制畫面如圖4所示。

圖4 柱塞閥控制

4 高爐自動化數(shù)據(jù)冗余關(guān)鍵

　　要做到數(shù)據(jù)信號的獨立性。雖然在plc每個模板上都留有少量的備用點，但在冗余設(shè)計中應(yīng)遵循的一個原則，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(dǎo)致兩路信號全部失靈，失去了冗余設(shè)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(shù)據(jù)都進行處理，即：同時接受，但只處理一組。因為這樣可以減少系統(tǒng)的運算時間，在程序控制過程中只取一組信號，另一組處于備用狀態(tài)，不會造成程序混亂。

　　當(dāng)出現(xiàn)故障時，兩套設(shè)備是自動進行切換，還是操作人員手動進行切換是冗余設(shè)計的兩種思路，自動切換的優(yōu)點就是當(dāng)出現(xiàn)故障時程序能第一時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)故障，并自動做出相應(yīng)的處理，缺點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察。通過權(quán)衡利弊后，萊鋼1000立方米高爐采用的方式為手動切換，由于采用了異常報警，當(dāng)出現(xiàn)異常時，操作人員同樣可以及時發(fā)現(xiàn)，通過他對當(dāng)時情況的分析，做出相應(yīng)的操作，這樣的好處就是操作人員可以察覺到異常，并且易于查找事故原因。

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

5 結(jié)束語

　　通過數(shù)據(jù)采集冗余設(shè)計，萊鋼1000立方米高爐大大地提高了系統(tǒng)的可靠性和工作的連續(xù)性，實際應(yīng)用的效果也非常理想，加快了高爐的生產(chǎn)節(jié)奏，提高了產(chǎn)量，對于提高系統(tǒng)自動化控制水平，減輕操作人員負(fù)擔(dān)，降低事故率，提高了設(shè)備壽命具有重大意義。