★藺喜軍（酒泉鋼鐵（集團）有限責任公司，甘肅嘉峪關735100）

關鍵詞：DLR網(wǎng)絡；選礦懸浮焙燒爐控制系統(tǒng)；工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)；生產(chǎn)者/消費者

1 引言

近年來，隨著工業(yè)控制系統(tǒng)的高速發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)技術在控制領域得到了廣泛應用。羅克韋爾ControlLogix系統(tǒng)^[1]DLR網(wǎng)絡的成熟，成功應用到了工業(yè)控制生產(chǎn)領域。酒鋼選礦懸浮磁化焙燒項目是攻克世界級難選鐵礦石高效利用難題的重點工程項目^[2]，酒鋼集團在提升生產(chǎn)自動化水平項目中，懸浮焙燒爐應用了羅克韋爾ControlLogix控制系統(tǒng)^[3]，通過運用EtherNet/IP^[4]工業(yè)標準網(wǎng)絡技術構建ControlLogix系統(tǒng)DLR網(wǎng)絡架構，使診斷更簡單、排錯更快捷，有效管理全廠的實時控制和信息。

ControlLogix系統(tǒng)DLR網(wǎng)絡是一種用于自動化設備互連的單故障容錯環(huán)網(wǎng)，這種拓撲結(jié)構在設備級實現(xiàn)，不需要額外的交換機，布線簡單，將傳統(tǒng)線型改成環(huán)型。DLR網(wǎng)絡采用環(huán)的節(jié)點管理環(huán)內(nèi)數(shù)據(jù)的循環(huán)，當偵測網(wǎng)絡故障后，將網(wǎng)絡配置成總線結(jié)構；當偵測網(wǎng)絡恢復后，再次將網(wǎng)絡調(diào)整為環(huán)形結(jié)構。DLR網(wǎng)絡結(jié)構明晰，可靠性高，應用前景廣泛。

2 DLR環(huán)形網(wǎng)絡工作原理及優(yōu)勢

Device Level Ring網(wǎng)絡簡稱DLR網(wǎng)絡^[5]，DLR網(wǎng)絡是羅克韋爾公司產(chǎn)品，是通過線性技術發(fā)展而來。在一個環(huán)型網(wǎng)絡中，如果沒有利用環(huán)網(wǎng)協(xié)議，數(shù)據(jù)包將永遠在環(huán)網(wǎng)中循環(huán)下去。為了解決這樣問題，DLR網(wǎng)絡順勢而生。DLR網(wǎng)絡的意義在于，選擇網(wǎng)絡環(huán)中的一個節(jié)點設置為管理者，來管理環(huán)內(nèi)數(shù)據(jù)的循環(huán)。在DLR網(wǎng)絡正常操作下，網(wǎng)環(huán)的管理者阻止一個端口通訊數(shù)據(jù)，從兩個端口發(fā)送標志幀捕獲環(huán)網(wǎng)中斷，從沒有阻止的端口發(fā)送通告幀。當發(fā)生物理鏈路故障時，環(huán)網(wǎng)節(jié)點發(fā)送的環(huán)狀態(tài)信息被環(huán)網(wǎng)管理者接收，環(huán)網(wǎng)管理者開放原本堵塞的端口讓環(huán)網(wǎng)變成總線網(wǎng)絡；當線路故障恢復時，網(wǎng)絡偵測標志幀開始判斷解除阻止的端口，將網(wǎng)絡恢復成為環(huán)網(wǎng)模式。

DLR網(wǎng)絡的優(yōu)勢在于擁有單故障容錯網(wǎng)絡的彈性機制，具有快速完成網(wǎng)絡故障檢測和重新配置功能，部署解決故障問題過程簡單，無其他硬件要求。

3 懸浮磁化焙燒^[6]工藝的DLR網(wǎng)絡控制系統(tǒng)

3.1 懸浮磁化焙燒工藝簡介

酒泉鋼鐵的懸浮磁化焙燒爐工藝，主要組成部分有給料系統(tǒng)、磁化焙燒系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)、廢氣除塵系統(tǒng)、產(chǎn)品輸送系統(tǒng)以及供氣供水輔助系統(tǒng)，主要設備有料倉、電子定量給料機、螺旋給料機、閃速干燥器、預熱器、懸浮焙燒爐、分離器、還原爐、旋風除塵器及鎖氣裝置、懸浮床鍋爐、流化床鍋爐、鍋筒、高壓引風機、袋式除塵器、螺桿式壓縮機、燃燒站等。

酒泉鋼鐵的懸浮磁化焙燒爐工藝主要任務是將來自過濾工序的鐵礦粉，經(jīng)過料倉貯存、電子定量給料機和螺旋給料機的計量后進入閃速干燥器。在閃速干燥器中，含附水約11%的鐵礦石濾餅與高溫煙氣順流流動，完成鐵礦餅的干燥、水分的蒸發(fā)。干物料和煙氣混合物從閃速干燥器出來后，進入預熱器PO1，實現(xiàn)物料預熱、氣與固分離，預熱后的物料卸入懸浮焙燒爐PO4，而煙氣進入廢氣除塵系統(tǒng)。在懸浮焙燒爐內(nèi)，物料與混合煤氣燃燒形成的高溫燃燒產(chǎn)物充分混合，含結(jié)晶水的礦物、菱鐵礦、鐵白云石、白云石等礦物發(fā)生熱反應，簡單的鐵礦物發(fā)生氧化反應。經(jīng)過懸浮焙燒后的物料與煙氣一起進入分離器進行氣固分離。分離下來的物料進入還原爐與還原氣發(fā)生反應，將鐵礦物中的氧化鐵還原成磁鐵礦。物料以磁鐵礦形式從溜槽進入下一個工序。在生產(chǎn)過程中，余熱回收系統(tǒng)、廢氣除塵系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、壓空供給系統(tǒng)的設備匹配主工藝生產(chǎn)能力運行。

3.2 DLR網(wǎng)絡控制系統(tǒng)

選礦廠懸浮磁化控制系統(tǒng)主要采用了羅克韋爾自動化Allen Bradley基于“生產(chǎn)者/消費者^[7]”的ControlLogix控制系統(tǒng)^[8]，針對焙燒爐工業(yè)控制生產(chǎn)設備需求提供了高可靠性、高性能的分布式控制解決方案，運用ControlLogix控制器的冗余系統(tǒng)、兩套1756-L73的CPU處理器模塊，一塊處理器模板作為主處理器，另外一塊模板作為從處理器。在處理器的冗余系統(tǒng)的切換過程中，由于對程序掃描周期的影響及減少系統(tǒng)切換的快速和可靠，沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)的突變和丟失，并且處理器內(nèi)部無需執(zhí)行繁雜的決策判斷程序，實現(xiàn)了系統(tǒng)的無擾切換，從而達到對懸浮焙燒爐設備的安全控制。

礦廠懸浮磁化控制系統(tǒng)由配備冗余處理器的本地柜和另外8面遠程柜組成，整個網(wǎng)絡架構采用EtherNet/IP網(wǎng)絡連接，控制系統(tǒng)采用1756-EN2TR通訊模塊，懸浮磁化焙燒爐控制系統(tǒng)整個網(wǎng)絡通過本地和多個遠程站構成ControlLogix系統(tǒng)DLR網(wǎng)絡。控制系統(tǒng)上位計算機操作站應用羅克韋爾自動化FactoryTalk(R)View Studio上位軟件；控制系統(tǒng)應用的下位軟件為Studio 5000；通訊軟件為RSlinx Classic，應用EtherNet/IP網(wǎng)絡實現(xiàn)控制系統(tǒng)PLC^[9]的上下位的通訊功能。如圖1所示。

圖1 選礦懸浮焙燒爐控制系統(tǒng)網(wǎng)絡架構拓撲圖

DLR網(wǎng)絡控制系統(tǒng)負責懸浮磁化焙燒爐工藝生產(chǎn)過程的工藝控制，其中包括給料量的計量和調(diào)控，燃燒室溫度、各管道壓力、進出口溫度的測量，對還原煤氣、加熱煤氣、加熱空氣的壓力與流量的測量，閥引風機、羅茨風機、余熱鍋爐等電氣設備起停的邏輯控制和保護功能及各設備電機運行狀態(tài)的檢測等工作。

3.3 系統(tǒng)配置

DLR網(wǎng)絡通過上位操作站組態(tài)后進行顯示，提供現(xiàn)場DLR網(wǎng)絡設備組態(tài)信息，協(xié)助判斷、監(jiān)控及排查現(xiàn)場DLR網(wǎng)絡設備故障。DLR網(wǎng)絡組態(tài)信息通過FactoryTalk View[10]上位操作軟件與設備級環(huán)形連接，提供網(wǎng)絡集成和監(jiān)控功能。根據(jù)功能設計軟件從Active Supervisor獲得的圖形信息來自動生成詳細的圖形化網(wǎng)絡布局。如圖2所示。

圖2 懸浮焙燒爐系統(tǒng)EtherNet/IP Device Level Ring網(wǎng)絡狀態(tài)圖

3.3.1 環(huán)網(wǎng)控制功能概述

ControlLogix系統(tǒng)采用了基于“生產(chǎn)者/消費者”的高性能、高可靠性、配置靈活的分布式控制通訊模式，通過自動化設備互連的單故障容錯環(huán)網(wǎng)ControlLogix系統(tǒng)DLR網(wǎng)絡，實現(xiàn)了運動、過程、離散三種不同控制類型的集成，因而，ControlLogix被廣泛地應用于各種控制系統(tǒng)。

ControlLogix系統(tǒng)DLR網(wǎng)絡強大的監(jiān)控和故障診斷功能是一項先進的技術工具，通過控制系統(tǒng)的編程環(huán)境便可以完美地完成要求。羅克韋爾自動化環(huán)網(wǎng)控制系統(tǒng)的上下位檢測程序的調(diào)用及畫面編程調(diào)試，可實現(xiàn)PLC設備硬件環(huán)網(wǎng)的環(huán)網(wǎng)設備狀態(tài)信息遠程監(jiān)控；控制系統(tǒng)通過對程序AOI指令的輪詢，對現(xiàn)場硬件設備的DLR節(jié)點的Active Supervisor地址計算主管接管節(jié)點，判斷網(wǎng)絡中控制連接的狀態(tài)，并定義節(jié)點圖標，將設備類型、節(jié)點編號和硬件IP地址以列表方式展示在上位操作站，一旦網(wǎng)絡故障信息發(fā)生變化，重新構建網(wǎng)絡信息，將故障鏈路及設備狀態(tài)信息在監(jiān)控畫面中實時顯示，并對報警信息進行記錄及向用戶進行報警提示。

DLR網(wǎng)絡是基于EtherNet/IP DLR面板顯示，以太網(wǎng)/IP設備級別環(huán)（DLR）網(wǎng)絡診斷面板為用戶提供基本的DLR網(wǎng)絡狀態(tài)信息，以協(xié)助監(jiān)控和排除DLR網(wǎng)絡故障。DLR面板是一個預先配置的屏幕，顯示在FactoryTalk View SE或FactoryTalk View ME中，與設備級環(huán)形AOI接口，以提供HMI功能和集成。主要實現(xiàn)以下四個方面信息：

（1）DLR網(wǎng)絡主頁顯示

DLR網(wǎng)絡主頁界面提供詳細的圖形化網(wǎng)絡^[11]布局，圖形是根據(jù)從Active Supervisor獲得的信息自動生成的，最多可顯示46個節(jié)點，這是CIP消息指令的限制；對于大于46個節(jié)點的網(wǎng)絡，面板將顯示錯誤消息，告知有關網(wǎng)絡大小限制。DLR狀態(tài)監(jiān)測界面最多一次可以顯示24個節(jié)點，對于超過24個節(jié)點的部分，在左下角變?yōu)榛顒渔溄拥降诙摗?/p>

DLR環(huán)網(wǎng)中一個一個節(jié)點為活躍的網(wǎng)絡管理器，總是位于屏幕的頂部位置，由黃色皇冠圖標與藍色背景識別，它右邊的鏈接表示到DLR端口1的連接，其它網(wǎng)絡節(jié)點按它們實際連接的順序顯示，每個節(jié)點將顯示以下信息：顯示圖標、IP地址、MAC地址、電纜連接狀態(tài)等內(nèi)容。

（2）網(wǎng)絡和管理員信息頁面

該頁面可提供當前DLR環(huán)網(wǎng)具體的網(wǎng)絡參數(shù)和環(huán)網(wǎng)管理員詳細信息，其中包括網(wǎng)絡拓撲狀態(tài)、DLR節(jié)點數(shù)、當前活動的Supervisor的優(yōu)先級、信標間隔、協(xié)議框架、環(huán)故障數(shù)等信息，通過狀態(tài)信息直觀地顯示現(xiàn)場設備狀態(tài)，便于工程技術人員第一時間掌握現(xiàn)場設備運行情況。

（3）DLR節(jié)點信息頁面

環(huán)網(wǎng)節(jié)點信息提供了每個網(wǎng)絡節(jié)點的詳細信息和當前狀態(tài)，每個環(huán)形節(jié)點顯示當前所選參與節(jié)點的詳細信息，同時啟用一個最高優(yōu)先值的節(jié)點成為活動環(huán)管理節(jié)點，其他節(jié)點自動成為備份管理器，處理網(wǎng)絡上數(shù)據(jù)并傳輸?shù)骄W(wǎng)絡上的任何一個節(jié)點，同時顯示設備狀態(tài)。當DLR網(wǎng)絡發(fā)生故障時，它們會重新自動配置并重新學習網(wǎng)絡拓撲結(jié)構。此外，環(huán)節(jié)點可以向Active Ring Supervisor報告故障位置。

（4）報警和故障顯示頁面

該界面顯示DLR網(wǎng)絡故障狀態(tài)和統(tǒng)計，提供了對發(fā)生故障的網(wǎng)絡的詳細描述，當設備網(wǎng)絡組件或線路出現(xiàn)故障時，顯示設備的故障定位信息和自最近一次故障以來在網(wǎng)絡上檢測到的故障次數(shù)，將設備的故障狀態(tài)映射到顯示頁面，并發(fā)出報警提示，檢查確認后，可對模塊單元故障計數(shù)器復位清零。

3.3.2 DLR網(wǎng)絡監(jiān)控功能實現(xiàn)方式方法及要求

（1）控制系統(tǒng)軟件的兼容性和要求：RSLogix/Studio 5000 V17或更高版本，F(xiàn)TView Studio ME/SE 6.10或更高版本，屏幕設計的工作與HMI須具有較高的分辨率，此時將不需要調(diào)整面板提供的圖形屏幕的大小。

（2）控制系統(tǒng)的工作網(wǎng)絡中必須存在一個工作的DLR網(wǎng)絡，并且有一個可以訪問這個DLR網(wǎng)絡的Logix控制器。

（3）使用羅克韋爾自動化“DLR faceplate V3.00”文件，導入和配置RSLogix/Studio 5000 Run下位程序；然后導入和配置FTView Studio上位運行程序，并進行編程調(diào)試。

（4）DLR面板附加指令（AOI）將使用MSG指令自動從網(wǎng)絡收集所有需要的數(shù)據(jù)。

3.3.3 ControlLogix系統(tǒng)DLR工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)^[12~13]應用特點

懸浮磁化焙燒綜合自動化工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的建成，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的集中、高速傳輸及對設備運行、生產(chǎn)調(diào)度、安全監(jiān)測監(jiān)控等實時遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)自動采集，提高了對各類問題的準確判斷及應急處理能力。

（1）通過嚴格的工業(yè)級安規(guī)標準，具有安全可靠、結(jié)構簡單、維護方便、擴展性強等技術特點，通過先進的網(wǎng)絡狀態(tài)管理和安全管理，為遠程監(jiān)控提供了網(wǎng)絡基礎，實現(xiàn)懸浮磁化焙燒系統(tǒng)的遠程自動化控制，大幅提高生產(chǎn)能力和安全管理水平。

（2）強大、快速的網(wǎng)絡故障自愈能力、網(wǎng)絡保護能力。DLR以太環(huán)網(wǎng)利用斷路警告、環(huán)網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測、環(huán)網(wǎng)狀態(tài)恢復三種機制來對其進行維護，其中任何一個節(jié)點故障，環(huán)網(wǎng)保護功能均能實時快速響應將數(shù)據(jù)切換到備用鏈路，保障網(wǎng)絡正常運行。

（3）ControlLogix系統(tǒng)DLR以太環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)測功能完美地解決了傳統(tǒng)環(huán)網(wǎng)中單點網(wǎng)絡故障難以發(fā)現(xiàn)，只有在出現(xiàn)兩處以上時才能反映出網(wǎng)絡問題的缺點，通過對工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)設備進行實時掃描監(jiān)控，實現(xiàn)出現(xiàn)故障實時報警，提醒技術人員及時處理，避免影響懸浮磁化焙燒安全生產(chǎn)。

3.3.4 DLR網(wǎng)絡所屬控制系統(tǒng)設備維護與故障處理應急處置措施

ControlLogix系統(tǒng)DLR工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)強大的功能之一突出表現(xiàn)在網(wǎng)絡檢測及報警處理方面，當DLR工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)出現(xiàn)故障時將面臨著遠程控制柜以太網(wǎng)通訊中斷，遠程PLC柜故障丟等問題，當DLR出現(xiàn)單點或多點網(wǎng)絡故障時，為了確保控制系統(tǒng)設備第一時間得到快速響應處理設備問題，特制定以下應急處置措施：

（1）當設備出現(xiàn)單點故障時，在主控室上位操作站DLR網(wǎng)絡主頁將顯示網(wǎng)絡上檢測到的故障次數(shù)，將設備的故障狀態(tài)映射到顯示頁面，并發(fā)出報警提示，維護人員第一時間需控制措施解決故障。

（2）當控制系統(tǒng)出現(xiàn)多點設備故障時，維護人員在上位操作站根據(jù)DLR網(wǎng)絡主頁顯示信息可快速判斷設備故障位置，確認現(xiàn)場PLC柜設備狀態(tài)，處理DLR網(wǎng)絡信息所對應的現(xiàn)場遠程PLC網(wǎng)絡設備，精準快速地排查處理問題。

（3）技術人員定期在DLR網(wǎng)絡主頁界面或下位程序檢查網(wǎng)絡的狀態(tài)信息，關注網(wǎng)絡模塊配置中網(wǎng)絡檢測到環(huán)故障的次數(shù)統(tǒng)計，做到重點環(huán)節(jié)重點監(jiān)護。

（4）在現(xiàn)場硬件故障排除解決后，及時清除網(wǎng)絡組態(tài)結(jié)構中故障信息和復位計數(shù)器，便于對網(wǎng)絡狀態(tài)的新一輪信息采集，如圖3所示。

圖3 懸浮焙燒爐系統(tǒng)Studio 5000下位軟件網(wǎng)絡狀態(tài)信息圖

（5）通過對網(wǎng)絡設備定期檢查與維護、網(wǎng)絡服務功能的定期診斷等及時排查設備可能存在的隱患，從而降低設備發(fā)生故障的概率，確保設備正常運行，同時針對日常排查的問題不斷進行改善，從而提高設備本質(zhì)安全和利用率。

4 結(jié)束語

ControlLogix系統(tǒng)DLR網(wǎng)絡控制技術在懸浮磁化焙燒系統(tǒng)的應用，有效地推進了懸浮焙燒生產(chǎn)過程自動化控制的高產(chǎn)高效穩(wěn)定運行，提高了企業(yè)核心競爭力，對于提高懸浮磁化焙燒的生產(chǎn)效率、安全水平、生產(chǎn)業(yè)務管理具有重要的作用。懸浮磁化焙燒ControlLogix系統(tǒng)DLR網(wǎng)絡、工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)、工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的可靠運行是不可或缺的，開創(chuàng)了高水平自動化大規(guī)模工業(yè)應用的先河，為酒鋼成功攻克世界級難選鐵礦石高效利用難題貢獻了應有的價值。

作者簡介：

藺喜軍 （1981-），男，甘肅嘉峪關人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于酒泉鋼鐵（集團）有限責任公司，從事工業(yè)自動化控制工作。

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摘自《自動化博覽》2022年7月刊