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

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，中国的煤炭资源最为丰富。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P LC 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最优化解决方案，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。

网络架构图

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层的最大技术困难。EtherNet/IP的设备级以太环网技术（Device Level Ring，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Stratix 8300系列三层管理型工业以太网交换机，与每个子系统现场的Stratix 8000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,IGMP Snooping等功能，可以有效的进行逻辑划分和合理利用带宽。