基于工业以太网与现场总线的矿井锅炉房冗余控制系统的设计

煤炭工程 2 0 1 0年第 6期 基于工业以太网与现场总线的矿井锅炉房冗余 控 制系统 的设计 可雪杰 ，曹中科 ( 1 大地工程开发( 集团) 有限公司，北京1 0 o 1 0 2 ；2 中煤国际工程设计研究总院 ( 北京华宇工程有限公司) ，北京1 0 o 1 2 0 ) 摘要 ：矿 井锅 炉房 冗余控 制 系统是 基 于工业 以太 网与现 场 总线技 术相结合 的先进 控制 系统 ， 相比于一般的锅炉控制 系统具有高可靠性与安全性 ；并取代 了二次仪表盘 ，减 少了控制 电缆及其 敷设工程；同时，它具有远程通讯的接 口，为实现矿井综合 自动化奠定 了基础。 关键词 ：工业 以太 网；现 场 总线 ；冗余 控制 中图分类号：T M 6 2 1 6 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 6 7 1 0 9 5 9 ( 2 0 1 0 ) 0 6 - 0 0 0 6 - 0 3 De s i g n o n r e du nd a n t c o nt r o l s y s t e m o f mi n e bo i l e r b ui l di n g ba s e o n i nd u s t r i a l e t he r ne t a n d s i t e b us K E X u e j i e ，C AO Z h o n g k e ( 1 D a d i E n g i n e e r i n g D e v e l o p m e n t G rou p ，B e i j i n g 1 0 0 1 0 2 ，C h i n a ； 2 B e i j i n g H u a y u E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n L i mi t e d ，B e ij i n g 1 0 0 1 2 0 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h e r e d u n d a n t c o n t r o l s y s t e m o f t h e mi n e b o i l e r b u i l d i n g i s b a s e o n t h e a n a d v a n c e d c o n t r o l s y s t e m c o mb i n e d w i t h t h e i n d u s t ria l e t h e r n e t a n d s i t e b u s t e c h n o l o g y a n d c o u l d h a v e a mo r e r e l i a b i l i t y a n d s a f e t y t h a n a g e n e r al b o i l e r c o n t r o l s y s t e mT h e r e d u n d a n t s y s t e m h a d r e p l a c e d t h e s e c o n d a r y i n s t r u me n t p a n e l a n d r e d u c e d t h e c o n t r o l c a b l e s a n d t h e l a y i n g e n g i n e e r i n g Me a nwh i l e，t he s y s t e m wo u l d h a v e a r e mo t e c o mmun i c a t i o n i n t e r f a c e，wh i c h c o u l d b e t h e b a s i s t o ha v e t he mi n e c o mp r e he n s i v e a u t o ma t i o n Ke y wor ds：i n d us t r i a l e t h e r n e t ；s i t e b us；r e du n da nt c o n t r o l 随着科学技术的发展和矿井 自动化要求的不断提高， 矿井综合 自动化成 为现代 化矿井发 展的一 种趋势 。矿井 锅 炉房作为矿井组成的部分 ，矿井锅炉房控制系统的 自动化 水平的高低势必影响矿井综合 自动化系统的完善性，基于 工业以太 网与现场总线 的矿井锅 炉房冗余 控制 系统应运而 生，它具有高可靠性与安全性；并取代了二次仪表盘，减 少了控制电缆及其敷设工程；同时，它具有远程通讯的接 口，为实现矿井综合 自动化奠定了基础。 1 工业 以太 网与现场 总线技术 计算机和网络技术的发展，引发了控制领域深刻的技 术变革。控制系统结构向网络化、开放性方向发展将是控 制系统技术发展 的主要潮 流。以太 网作 为 目前应 用最为 广 泛的局域网技术，在工业自动化和过程控制领域得到了越 来越多的应用。其特点：E t h e r n e t 是全开放、全数字化的 网络，遵照网路协议不同厂商的设备可以很容易实现互联； 6 以太网可以实现工业控制网络和企业信息网络无缝连接， 实现企业级管控一体化全开放网络；硬件成本低廉，由 于以太网技术已经非常成熟，支持以太网的软硬件受到厂 商 的高度重视和大力 支持 ，有许 多软件 开发环境 和硬件设 备供用户选择；通讯速率高，目前 I O M I O O M快速以太 网被广泛应用，千兆以太 网技术也逐渐成熟，其速率 比目 前的现场总线快很多；可持续发展空间大，信息技术与 通讯技术的快速发展，保证了以太网技术的不断向前发展。 以太网的工业控制网络时代的到来，它与现场总线技 术 的发展相呼应 ，形成 了 以太 网与现场 总线技术 相结合 的 网络结构已经成为当前工业控制网络结构的趋势。 现场总线是 2 0世纪 8 O年代末 、9 0年代初 国际上形成 的，用于生产过程区域的现场设备和仪表与控制室内的自 动控制装置与系统之间的一种串行、数字式、多点通信的 数据总线。现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的 测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互 收稿 日期 ：2 0 1 0 0 1 0 8 作者简介 ：可雪杰 ( 1 9 7 5一) ，男 ，硕士 ，工程师 ，1 9 9 9年毕业 于焦作工学院 ，现在大地工程开发 ( 集 团) 公 司从事 电气 设计工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 6期 煤炭工程 交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。 其特点：减少硬件数量和投资：分散在现场的智能设备 能直接执行多种传感、测量、控制、报警和计算功能，因 而可减少 变送器 的数 量 ，不再 需要单 独 的调节 器 ，计算 单 元等 ，也不再需要一些信号调节、转换等功能单元；节 省安装费用 ：一对 双绞 线或 一条 电缆上 通常 可挂接 多个 设 备 ，因而 电缆 、端子 、槽 盒 、桥 架 的用 量 大 大减 少 ，连 线 设计与接头校对的工作量也大大减少；节省维护开销 ： 现场总线设备具有 自诊断与简单故障处理的能力 ；通过数 字通信将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询 所有设备的运行、诊断维护信息，以便早期分析故障原因 并快速排除；用户具有高度的系统集成主动权：用户可 以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统；提高了 系统的准确性 与可靠 性 ：与模 拟信 号相 比，它从 根本上 提 高了测量与控制的精确度，减少了传送误差，提高了系统 的工作可靠性。 2 锅 炉房 工艺 与控 制 矿井锅炉房与民用锅炉房有所不同，它担负着冬季矿 井主副井井筒保温、灯房浴室联合建筑、单身宿舍及办公 楼等一、二、三级负荷车间的采暖。根据煤炭工业矿井设 计规范规定 ：矿井单台蒸发量在 4 t h以上的锅炉属于矿井 电力二级负荷。针对矿井锅炉房供电电源不间断性、供暖 负荷要求的连续性、锅炉房设备的分布特点 ，锅炉房控制 系统采用冗余结构控制模式以满足整个矿井对锅炉房的生 产需求。 锅炉 的 自动 控制 主要包 括 自动检 测 、自动调 节 、程序 控制、自动保护和工业计算机控制等部分。自动检测为保 证锅炉的安全经济运行和锅炉 自动调节提供必要的数据， 如温度 、压力 、流量 、水位 、含 氧量 、转 速、电流 、电压 、 工况等；自动调节可以使一些能够反映锅炉工作状况的参 数维持在规定的数值内或按一定的要求变化，如给水 自动 调节、燃烧自动调节、温度 自动调节等；程序控制和 自动 保护是根据涉及的具体情况和运行要求，按一定的条件和 步骤对一台或一组设备进行控制 ，以达到预定 目的，如炉 排 、鼓风机及引风机的启停、连锁保护、限值及紧急保护 等 ；工业计 算机控制具有 自动 检测 、自动调节 、程序控 制 、 自动保护的功能，具有对事故原因分析，提出故障部位和 处理意见的功能，还具有整个生产过程监视的功能。以陕 西 红柳林 矿锅炉 房为例 ，整 个生 产流程 的 I O点 数 的配置 见 表 1 。 2 1 控 制 系统 组成 控 制系统是 本工 程的控 制核 心 ，因此 控制 系统 的设 计 和配置合理 与否 直接 影响 到锅炉 运行 安全 与稳定 。所 以控 制 系统本设计 与设备 配置的重着力点 。 根据矿井锅炉房的工艺特点与矿井需求 ，本设计将矿 井锅炉房控制系统共分为3层结构 ，分别为：现场设备层、 过程控制层、监控管理层( 以陕西红柳林矿锅炉房为例， 详 见 图 1 ) 。 表 1 锅 炉房 工艺生产 过程 o 统计表 2 2现 场设 备层 C o n t r o l N e t 是一种用 于过程 自动化 的现 场总线技 术 ，其 灵活的网络配置和对分布式 I O设备的总线连接方式使得 控制系统在布线 方面 的工程 成本 大幅度 降低 ，工 程实施 大 大简化 ，系统可靠性和系统功能大大提高。 现场设备层包括 6个 I O单元，1 7台变频器。其中 1 一 3 锅炉热工仪表 I O站、4 锅炉及辅助设备热工仪表 I O 站分别布置在 1 4 锅炉本体附近以便采集现场的压力、 温度、流量、含氧量、液位等模拟量信号。锅炉上煤系统 I O站布置在锅 炉上 煤 间 ，以便采 集 与控制 上煤 系统 中原 煤 胶带输送机 、配煤 胶带 输送 机 、犁式 卸料器 等设备 的启 动、停止、运行状态及其工作 电流、原煤消耗量等信号。 锅炉本体及辅助设备电气控制 I O站布置在锅炉房配电室 以便采集与控制锅炉的鼓风机、引风机、炉排、锅炉给水 泵 、除渣机等设备的启动、停止、运行状态等信号。1 7台 变频器 直接 通过 C o n t r o l N e t 现场总线接收控制器发出的调速 指令 以便满 足锅 炉运 行的需求。 上述 6个 I O单元 ，1 7台变频器 全部通过冗 余 的 C o n t r o l N e t 总线与冗余控制器进行数据交换以完成对现场信 号采集与现场设备运行控制。 2 3过 程控 制层 由于矿井锅炉房担负着一二负荷的冬季采暖，对锅炉 的连续 运行 要 求 较 高 ，故 对 锅 炉 的控 制 系 统也 有 相 应 的 要求 。 锅炉控制系统 的过程 控制层 包括冗 余 C P U控制器 、冗 余 同步模块 、以太 网通讯 模块 、C o n t r o l N e t 通讯模块 、工 业 交换机、冗余控制 电源等部分组成。过程控制层主要通 C o n t r o l N e t 从现场设备层获得采集的数据，然后进行数据运 算，进而发出指令控制锅炉本体设备和锅炉辅助生产设备。 2 4监控 管理 层 监控管理层主要包括 2台工业计算机、一台激光打印 机和两套冗余监控软件。 用于监控的 2台工业计算机，其 中 1台作 为工程师 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭 工程 2 0 1 0年第6期 站 ，1台作为操作员 站。工程 师站设 置管理 权 限，只有工 程师具有实 时根 据生 产 要求 修 改实 时数 据 与监 控 画 面权 限，操作员不具有这些权限。操作员只能在操作员站上根 据生产需求进行操作 。工程师 站与操作员 站备用 ，当一 台 监控器出现故障时，操作员可以操作另外一台监控器。2 工程师站 台监控 站安 装冗 余 监控 软件 以生 成用 户 所需 的 多种 S C A D A功能工艺过程图形、报警信息处理、数据收发、 记录和曲线、图表显示、数据存储和报表生成 、打印输出 等。 激光打印机完成过程报警记录、过程数据记录、图表 生成等功能 。 操作 员站 图 1 控制系统网络结构 图 3 应用案例 红柳林矿工业场地燃 煤锅炉 房担 负红 柳林矿 井及选煤 厂的供热 ，锅炉房 内设 3台型号为 S Z L 1 41 0 1 1 5 7 0一A 高温热水锅炉，1台型号为 s z l J7 01 0 1 1 5 7 0一A高 温热水锅炉，锅炉房供、