1 引言

　　冶金關(guān)鍵過(guò)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(jì)損失，只要系統(tǒng)中一個(gè)地方出問(wèn)題，就會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)停產(chǎn)。僅僅通過(guò)提高控制系統(tǒng)的硬件及軟件的可靠性來(lái)滿足高爐煉鐵對(duì)可靠性的要求是不可能的。因?yàn)榭删幊绦蚩刂破鞅旧淼目煽啃缘奶岣哂幸欢ǖ南薅?，并且可靠性的提高?huì)使成本急劇增加。因此，對(duì)一些關(guān)鍵的、危險(xiǎn)的或停止(故障)后對(duì)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(wèn)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(jì)為2個(gè)或2個(gè)以上，如果一個(gè)設(shè)備有問(wèn)題，另外一個(gè)設(shè)備就會(huì)自動(dòng)承擔(dān)起有問(wèn)題設(shè)備的任務(wù)，使生產(chǎn)能夠繼續(xù)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(tǒng)運(yùn)行，而第二個(gè)系統(tǒng)處于待命狀態(tài)，可以通過(guò)人工方式監(jiān)視第一套系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有故障時(shí)，便激活第二套系統(tǒng)。也可以用控制器對(duì)2個(gè)模塊同時(shí)進(jìn)行掃描，當(dāng)其中一塊停止回應(yīng)時(shí)，系統(tǒng)從另一個(gè)模塊中獲取數(shù)據(jù)。由此可見(jiàn)，冗余的目的保證了系統(tǒng)工作的連續(xù)性(基本不會(huì)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(shí)現(xiàn)方式下對(duì)硬件型號(hào)有所要求，連接方式也不同，但對(duì)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(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取、備用，監(jiān)測(cè)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(qū)分。

3 高爐自動(dòng)化數(shù)據(jù)冗余

　　3.1 爐頂料罐壓力冗余檢測(cè)

　　爐頂料罐壓力檢測(cè)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(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(gòu)成。焦炭、燒結(jié)礦等各種入爐原料由料車運(yùn)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(shí)，打開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(nèi)壓力，一旦高爐準(zhǔn)備接受下一批爐料就進(jìn)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(guò)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(jìn)行放散，準(zhǔn)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(cè)料罐壓力，會(huì)導(dǎo)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(nèi)布放。

　　并且當(dāng)初高爐設(shè)計(jì)時(shí)，將“料罐壓力”和“爐內(nèi)壓力”兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的信號(hào)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(duì)爐頂設(shè)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(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(hào)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(shè)備都在運(yùn)行，由本體控制室通訊來(lái)的信號(hào)和直接從高爐傳來(lái)的備用信號(hào)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(duì)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(guò)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(hào)和相同的規(guī)格，這樣采集的數(shù)據(jù)才有可比性，不會(huì)有較大的誤差；兩路信號(hào)的使用原則為“一用一備”，即在生產(chǎn)中只使用一路信號(hào)，參與生產(chǎn)控制，另一路信號(hào)處于備用狀態(tài)。互為切換使用，當(dāng)某一路信號(hào)出現(xiàn)異常時(shí)，另一路可迅速投入使用；監(jiān)控畫面要將兩路信號(hào)的狀態(tài)實(shí)時(shí)體現(xiàn)出來(lái)，通過(guò)顯示的數(shù)值和數(shù)值的變化來(lái)判定兩套變送器的運(yùn)行狀況。從而為選用哪一路信號(hào)參與控制做參考。監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)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(cè)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(cè)點(diǎn)的變化情況。切換設(shè)定用于手動(dòng)切換使用料罐壓力檢測(cè)點(diǎn)信號(hào)。異常設(shè)定做了一個(gè)報(bào)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(bào)警，由操作人員做出判斷。

　　通過(guò)改造，兩套壓力變送器運(yùn)行狀況良好，平時(shí)兩套設(shè)備同時(shí)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(hào)的變化情況，操作簡(jiǎn)單，而且在不影響生產(chǎn)的基礎(chǔ)上可以很方便的對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，提高了設(shè)備壽命和系統(tǒng)整體的可靠性，使維護(hù)更加方便。

　　3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)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(diǎn)是投資少，見(jiàn)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(kù)的冗余設(shè)計(jì)。

　　在自動(dòng)化控制系統(tǒng)的監(jiān)控畫面中，歷史趨勢(shì)占有很重要的地位，通過(guò)歷史趨勢(shì)，操作人員可以很方便的判斷當(dāng)前一段時(shí)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(shì)，從而判斷事故原因。歷史趨勢(shì)的數(shù)據(jù)需要記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中，因此，為了確保歷史數(shù)據(jù)的完整性和安全性，需要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)。

　　如圖3的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所示，該控制室有三臺(tái)上位機(jī)，都通過(guò)交換機(jī)和plc進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，②號(hào)、③號(hào)機(jī)都安裝數(shù)據(jù)庫(kù)，用于保存歷史數(shù)據(jù)，通過(guò)交換機(jī)可以互訪對(duì)方的數(shù)據(jù)庫(kù)。若其中一臺(tái)出現(xiàn)故障，另一臺(tái)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(guò)上述改造，監(jiān)控系統(tǒng)的靈活性大大提高，操作性能進(jìn)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(diǎn)，應(yīng)用到生產(chǎn)建設(shè)中。

　　3.3 探尺的冗余檢測(cè)改造

　　萊鋼1000立方米高爐現(xiàn)采用一部機(jī)械探尺，一部雷達(dá)探尺的雙探尺模式對(duì)爐內(nèi)料面進(jìn)行檢測(cè)。之所以采用這種方式，是根據(jù)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(shù)據(jù)采集設(shè)備冗余，應(yīng)看作是對(duì)同一檢測(cè)對(duì)象的設(shè)備類型冗余。

　　高爐竣工之初，安裝使用的是兩部機(jī)械探尺，投入生產(chǎn)后，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的機(jī)械探尺雖然測(cè)量數(shù)據(jù)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(jī)械探尺根本探不到料面，不能反映料面深度。雷達(dá)探尺是一個(gè)連續(xù)的測(cè)量過(guò)程，是通過(guò)雷達(dá)的原理來(lái)探測(cè)料面的深度，探測(cè)深度不受限制，采用非接觸的測(cè)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(zhǔn)確及時(shí)地反映高爐料面情況，設(shè)備體積小，易操作，測(cè)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(cè)高爐料位，無(wú)機(jī)械磨損故障，通過(guò)與機(jī)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(jī)械探尺，在原開口處安裝一部雷達(dá)探尺，與原先的機(jī)械式探尺同時(shí)使用，同時(shí)在值班室位機(jī)上做出料位實(shí)時(shí)曲線圖和歷史曲線圖，可以隨時(shí)供查看，便于高爐工長(zhǎng)對(duì)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(jī)械探尺，彌補(bǔ)機(jī)械探尺探測(cè)深度只有四米、加料時(shí)探不出、監(jiān)測(cè)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(hào)冗余的應(yīng)用

　　對(duì)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(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?yàn)樘鞖夂鋵?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(dú)立的控制回路就十分的必要，同時(shí)在這些被控制的設(shè)備上增加備用的限位信號(hào)，對(duì)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(jì)要做到能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備做出正確判斷，還要很方便地對(duì)冗余設(shè)備進(jìn)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(dòng)化數(shù)據(jù)冗余關(guān)鍵

　　要做到數(shù)據(jù)信號(hào)的獨(dú)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(shè)計(jì)中應(yīng)遵循的一個(gè)原則，即冗余的信號(hào)要與原先的信號(hào)接在不同的模板上，否則因?yàn)槟０宓墓收隙鴮?dǎo)致兩路信號(hào)全部失靈，失去了冗余設(shè)計(jì)的本意。

　　對(duì)于輸入量冗余的處理，特別是檢測(cè)信號(hào)的冗余，我們雖然接受兩組信號(hào)，但并不一定把兩組數(shù)據(jù)都進(jìn)行處理，即：同時(shí)接受，但只處理一組。因?yàn)檫@樣可以減少系統(tǒng)的運(yùn)算時(shí)間，在程序控制過(guò)程中只取一組信號(hào)，另一組處于備用狀態(tài)，不會(huì)造成程序混亂。

　　當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，兩套設(shè)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(shè)計(jì)的兩種思路，自動(dòng)切換的優(yōu)點(diǎn)就是當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)程序能第一時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)故障，并自動(dòng)做出相應(yīng)的處理，缺點(diǎn)就可能因?yàn)榧傩盘?hào)的干擾而做出錯(cuò)誤的判斷，而且操作人員不易覺(jué)察。通過(guò)權(quán)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(bào)警，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，操作人員同樣可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)他對(duì)當(dāng)時(shí)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(jué)到異常，并且易于查找事故原因。

　　冗余設(shè)計(jì)是需要從全局考慮，當(dāng)發(fā)生事故時(shí)，造成的損失是很容易計(jì)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(duì)該有冗余的設(shè)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(shè)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(jié)束語(yǔ)

　　通過(guò)數(shù)據(jù)采集冗余設(shè)計(jì)，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(shí)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(duì)于提高系統(tǒng)自動(dòng)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。