罗克韦尔自动化全以太网高可用性PlantPAx在清洁煤气化系统中的设计应用

　　摘要：本文所设计的系统采用了自动化行业创新和的技术，在本项目设计中，采用罗克韦尔自动化公司全以太网的全厂*化解决方案，为用户提供从控制器、网络、监控软件到报表及Web发布系统的整体解决方案。实现了工厂的高度自动化和信息化，现已成功实施并运行。具有广阔的应用前景。

        一、概述
　　
　　中国是个能源资源相对贫乏的国家。人均石油、天然气、煤炭资源的可采储量分别为世界平均水平的3%、4.3%、55.4%。相对而言，中国的煤炭资源zui为丰富。随着国家对燃料煤的节能和减排的重视，清洁燃煤技术在国内得到了飞速的发展。
　　
　　在国内某煤制气系统设计中,被控对象较为分散。模拟量在总的控制对象中占的比例大致为25%。同时，对于被控对象还要求能在中央控制室能够实现集中监控。自动化混合控制器PlantPAx继承了传统DCS和传统PLC的优点，不但擅长于数字量的控制，其模拟量及回路调节控制能力已经优于传统DCS。而近年来工业以太网技术逐渐成熟并得到了广泛应用。在煤制气系统的集中监控系统的设计中，采用PlantPAx混合控制系统和工业以太网是一种合理的选择。对于全厂分布控制器的集中监控，多家自动化厂商均推出了服务器客户端模式（C/S）的监控软件。在本项目设计中，采用罗克韦尔自动化公司全以太网的全厂*化解决方案，为用户提供从控制器、网络、监控软件到报表及Web发布系统的整体解决方案。
　　
　　二、设计方案
　　
　　在该煤制气系统中，主要按工艺和位置分为以下几个子系统：煤仓、煤气发生炉、加压、锅炉、脱硫和空分。每套子系统从逻辑上相互独立，受不同的人员管理，同时又具有一些连锁保护的逻辑。另外比较特别的要求是，空分系统由于对可靠性要求较高，关键回路需要采用冗余的现场I/O。
　　
　　2.1网络架构
　　
　　在工厂控制及信息化网络架构的设计中，罗克韦尔与思科联合提出了融合的以太网方案。即在I/O控制层与数据信息层均采用以太网的设计。并通过对以太网络的管理满足工业用户对网络负荷规划及安全等方面的要求。在本方案的网络架构设计中，参照罗克韦尔与思科联合发布的融合以太网架构设计白皮书。系统网络分为三个层级：现场I/O层，控制信息层和管理信息层。　　　　现场I/O层：现场I/O层对于网络的实时性、可靠性有较高的要求。不允许出现由于I/O网络数据包延时而造成的控制错误。另外，I/O层的网络如果采用以太网架构，当冗余控制器发生IP地址切换时，不允许出现I/O通讯的中断。以上两点一直是过去多年以太网被应用到现场I/O层的zui大技术困难。EtherNet/IP的设备级以太环网技术（DeviceLevelRing，简称DLR）很好的解决了上述问题。其具有高实时性及可靠性的优点。当网络某一节点中断，环网的恢复时间可以控制在3ms以内。而本系统选用的Controllogix系列DLR网络适配器采用了嵌入式交换技术，无需使用交换机即可搭建一个I/O环网。这可以有效的减少施工时间，降低运行维护的难度，普通电气工程师无需IT知识即可对该网络进行维护和诊断。在空分系统中使用的1715系列冗余I/O也支持这一网络。
　　
　　控制信息层：控制信息层主要用于操作员站、工程师站、数据库等与控制器进行数据交换。实现人机交互及生产信息化的功能。这一层网络对实时性的要求不及I/O层严格。但是对网络带宽以及网络数据流的控制具有较高的要求。在本项目这一层级的网络的设计中，中控室选用两套Stratix8300系列三层管理型工业以太网交换机，与每个子系统现场的Stratix8000系列二层管理型工业以太网交换机一起构成一个冗余星型网络。Stratix系列管理型交换机具有VLAN,IGMPSnooping等功能，可以有效的进行逻辑划分和合理利用带宽。
　　
　　管理信息层：管理信息层网络主要是实现与工厂的办公网络连接。在本项目中，通过Cisico防火墙进行二层和三层网络的隔离。其中Web发布服务器由于需要获取生产过程数据库的数据，又要发布报表供办公网用户使用，故需将其置于防火墙的DMZ区。
　　
　　2.2硬件设计
　　
　　在本系统的硬件选型上，选用了罗克韦尔集成架构的核心控制器ControllogixPAC控制平台。使用该控制平台，可以根据需要任意搭建CPU、网络、I/O冗余或非冗余的系统。该平台*标签编程、自动内存分配、上位机可以直连的内置标签数据库等特点。
　　
　　另外，本系统的空分子系统需要I/O冗余的功能。在选型上，采用了罗克韦尔发布的1715系列分布式双通道冗余I/O。该系列I/O是从硬件上真正意义上的双通道冗余I/O，当一通道故障时，另一通道还可保证系统的正常工作。可以避免由此带来的停机或灾难性故障。另外，该I/O的组态也非常简单。在组态时，成对的冗余I/O无需任何的编程，在程序中*可以按照单通道模块的编程方式进行配置。
　　
　　2.3软件设计
　　
　　本系统选用FactoryTalk系列软件套件。由于系统有多达7个操作员站。所以选用FactoryTalkViewSE服务器/客户端模式的监控软件。这样可以有效的减少直接访问PAC的工作站的数量，降低PAC负荷，提高通讯效率。同时选用FactoryTalkHistorian实时数据库软件记录生产过程数据，并使用VantagePoint和ViewPoint软件实现操作画面和报表的Web发布。方便用户从办公网及时获取生产数据。如前面网络架构所述，Web服务器被放置在防火墙的DMZ区。同时设工程师站一台，安装PAC及软件配置相应的套件。FactoryTalk系列软件套件采用了SOA架构。比如，ViewSE与数据库软件Historian共享LiveData服务，都从实时数据服务器中获取实时数据。这样的架构也有效的提升了运行效率，节约系统资源。
　　
　　2.4系统优点
　　
　　本系统在设计上全面采用了罗克韦尔自动化的PlantPAx软硬件套件。分层化的全以太网设计，有效的进行了系统负荷分配，同时使系统具有高度的数据共享能力。由于选用的控制器、交换机和监控软件是同一厂家的产品，可以利用厂家提供的预置模板控制工程网版权所有，直接查看交换机的端口状态、负荷等信息，帮助维护人员直观有效的诊断网络运行状况。摆脱传统以太网对电气维护人员不可见或高不可攀的弊病。同时系统采用的*的控制器和I/O硬件具有高度的可靠性，编程方便，易于维护。
　　
　　在选用的高性能的硬件和搭建合理网络的基础上，选用了组态、实时数据库、Web报表等软件套件，提高工厂的信息化程度。真正实现信息化工厂。
　　
　　三、小结
　　
　　本文所设计的系统采用了自动化行业创新和的技术，实现了工厂的高度自动化和信息化，现已成功实施并运行。具有广阔的应用前景。