網(wǎng)絡(luò)技術(shù)下的邯鋼轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)應(yīng)用

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摘要：在企業(yè)生產(chǎn)控制過程中，工業(yè)以太網(wǎng)以其使用方便、運(yùn)行可靠、高速通訊等特點(diǎn)，正在越來越多地被應(yīng)用在工業(yè)控制系統(tǒng)中。邯鋼三煉鋼廠轉(zhuǎn)爐計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用環(huán)形快速以太網(wǎng)，不但給日常的計(jì)算機(jī)設(shè)備維護(hù)工作帶來便捷，也推進(jìn)了三煉鋼廠信息化建設(shè)工作的進(jìn)程。

關(guān)鍵詞：工業(yè)以太網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、現(xiàn)場總線、網(wǎng)絡(luò)安全

一、概述

邯鋼三煉鋼廠共有4座120t轉(zhuǎn)爐，轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)采用美國RockwellAutomation公司的Controllogix系統(tǒng)產(chǎn)品，轉(zhuǎn)爐網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每座轉(zhuǎn)爐各套PLC單獨(dú)組成一個小環(huán)，4個小環(huán)和公用的上料系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)公用系統(tǒng)、二次除塵系統(tǒng)組成一個大環(huán)網(wǎng)絡(luò)，在整個網(wǎng)絡(luò)中共有27套PLC、26臺上位機(jī)，數(shù)據(jù)交換頻繁且實(shí)時更新。該網(wǎng)絡(luò)不僅要提供PLC數(shù)據(jù)供操作人員查看操作，而且要求基礎(chǔ)PLC數(shù)據(jù)準(zhǔn)確實(shí)時提供給二級計(jì)算機(jī)，保證鋼水的參數(shù)準(zhǔn)確歸檔；在產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)問題時，能跟蹤到冶煉時間和參數(shù)，便于分析問題的原因和劃分責(zé)任，為提高產(chǎn)品質(zhì)量提供數(shù)據(jù)保證。因此，轉(zhuǎn)爐網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是整個三煉鋼的骨干系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的優(yōu)劣、穩(wěn)定性、實(shí)時性將直接影響鋼水質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。

二、轉(zhuǎn)爐工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（一）轉(zhuǎn)爐工業(yè)以太網(wǎng)的組成

三煉鋼廠轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分布圖如下：轉(zhuǎn)爐網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)為環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，任何一個站點(diǎn)發(fā)出數(shù)據(jù)請求，系統(tǒng)都能迅速把數(shù)據(jù)傳遞到其他站點(diǎn)。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用，僅使用3臺交換機(jī)就可以形成小環(huán)網(wǎng)，小環(huán)網(wǎng)掛到大環(huán)網(wǎng)上，當(dāng)其中一個網(wǎng)絡(luò)分支發(fā)生故障時，環(huán)網(wǎng)斷開，交換機(jī)實(shí)現(xiàn)自動調(diào)整環(huán)網(wǎng)，把網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換成總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，避免數(shù)據(jù)傳輸中斷。同時為滿足和風(fēng)機(jī)一次除塵數(shù)據(jù)交換，采用光纖技術(shù)，達(dá)到遠(yuǎn)距離傳輸?shù)哪康?。控制系統(tǒng)的主干網(wǎng)使用環(huán)形快速以太網(wǎng)通信，通信介質(zhì)使用光纖,網(wǎng)絡(luò)中的PLC系統(tǒng)、監(jiān)控用的上位機(jī)以及用來修改程序的工程師站通過工業(yè)以太網(wǎng)中配置的交換機(jī)聯(lián)接成環(huán)。網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)全部為臺灣MOXA公司的8端口工業(yè)級EDS-408A交換機(jī)，該系列交換機(jī)配備有2個百兆級多模光纖接口和6個百兆以太網(wǎng)絡(luò)連接電端口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和多種實(shí)時網(wǎng)管功能。設(shè)計(jì)時統(tǒng)一分配交換機(jī)IP地址并利用軟件設(shè)置，確定大環(huán)網(wǎng)中的主交換機(jī)作為管理者，負(fù)責(zé)對各交換機(jī)分配數(shù)據(jù)流。交換機(jī)的通訊協(xié)議為MOXA公司自主開發(fā)的TurboRing2冗余協(xié)議，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的通信冗余功能和保證故障時網(wǎng)絡(luò)最快的恢復(fù)時間。對大環(huán)網(wǎng)上的所有交換機(jī)按照port7為進(jìn)線、port8為出線的原則，對每個端口的TX端和RX端做標(biāo)記并接線，保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)順序，減少網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴爆發(fā)的幾率。MOXA工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的使用保證了數(shù)據(jù)能夠在鏈路上順利傳輸。主干光纖上的7臺交換機(jī)分別放在三個交換機(jī)柜中，其中在1#PLC室的交換機(jī)柜中連接有1#轉(zhuǎn)爐、2#轉(zhuǎn)爐以及轉(zhuǎn)爐上料控制系統(tǒng)的設(shè)備，共7套PLC和1臺工程師站以及轉(zhuǎn)爐主控室中的上位機(jī)，這7套PLC系統(tǒng)為羅克韋爾AB公司的Controllogix系統(tǒng)產(chǎn)品，CPU模板型號為1756-L55M/62，通過以太網(wǎng)模板1756-ENBT/R接入環(huán)網(wǎng)中。工程師站直接連接到大環(huán)網(wǎng)交換機(jī)上方便查看任何節(jié)點(diǎn)程序和監(jiān)控畫面，工程師站裝有羅克韋爾公司的REVIEW32監(jiān)控軟件、RSLINX組態(tài)軟件和LOGIX5000編程軟件，可實(shí)時監(jiān)視轉(zhuǎn)爐的運(yùn)行狀況和參數(shù)。放置在2#PLC室的交換機(jī)柜，連接有3#、4#轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)的設(shè)備共6套PLC和1臺工程師站，6套PLC同樣全部采用Allen-Bradley公司的Controllogix系統(tǒng)產(chǎn)品，CPU模塊為1756-L55M/62系列產(chǎn)品，通過以太網(wǎng)模板1756-ENBT/R連接入環(huán)網(wǎng)。工程師站直接連接到大環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，通過REVIEW32監(jiān)控軟件、RSLINX和LOGIX5000編程軟件監(jiān)控轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)狀況和修改控制程序。每個主控室安放一臺交換機(jī)，所有上位機(jī)通過此交換機(jī)與PLC通信形成小環(huán)網(wǎng)，上位機(jī)用于監(jiān)控過程參數(shù)，操作煉鋼生產(chǎn)等。下渣檢測、聲納化渣等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)也通過該交換機(jī)從PLC中讀取。在風(fēng)機(jī)房的交換機(jī)柜中連接有4套PLC和4臺上位機(jī)用來檢測和操作風(fēng)機(jī)公用系統(tǒng)以及二次除塵設(shè)備，PLC系統(tǒng)全部采用Allen-Bradley公司的SLC500系列，CPU模板型號為1747-L55系列，帶有以太網(wǎng)接口，可直接接入以太網(wǎng)。

（二）ControlNet現(xiàn)場總線

在邯鋼三煉鋼轉(zhuǎn)爐網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，每座轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)由原網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在邯鋼轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)的應(yīng)用張建國料PLC、儀表PLC和氧槍PLC共三套PLC以及其他外圍設(shè)備PLC組成，每套PLC的主機(jī)架和從機(jī)架之間采用羅克韋爾公司提供的ControlNet現(xiàn)場總線方式通信，各PLC之間采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者標(biāo)簽,采用隱性令牌的傳遞方法,使每座轉(zhuǎn)爐的三套PLC系統(tǒng)可以實(shí)時交換數(shù)據(jù)。ControlNet現(xiàn)場總線具體優(yōu)越性表現(xiàn)在：（1）保證了系統(tǒng)的實(shí)時性和穩(wěn)定性；（2）物理介質(zhì)采用同軸電纜，成本較低；（3）對于數(shù)字量和模擬量連續(xù)過程控制應(yīng)用場合，均具有確定性和可重復(fù)性；（4）兼容現(xiàn)有成熟的PLC控制系統(tǒng)。

（三）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的特點(diǎn)

采用了工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線，三煉鋼廠的轉(zhuǎn)爐網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。1.可靠性與穩(wěn)定性。由于普通交換機(jī)無法使用于煉鋼廠惡劣的現(xiàn)場環(huán)境中，因此，現(xiàn)場采用了臺灣Moxa公司的MOXAEtherDeviceServer（工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備服務(wù)器），這種連接工業(yè)應(yīng)用中具有以太網(wǎng)絡(luò)接口的工業(yè)交換機(jī)設(shè)備，保證了煉鋼生產(chǎn)過程中網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。2.通信實(shí)時性與確定性。轉(zhuǎn)爐網(wǎng)絡(luò)控制必須滿足控制作用的實(shí)時性，確保信號傳輸及時準(zhǔn)確。通信速率達(dá)到百兆級，減輕了網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，減少傳輸延時，全雙工通信使得端口間分別同時接收和發(fā)送報(bào)文幀，大大提高通信實(shí)時性。3.以太網(wǎng)協(xié)議?？刂葡到y(tǒng)采用以太網(wǎng)協(xié)議，不僅完成了交換機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸，而且實(shí)現(xiàn)借助該網(wǎng)絡(luò)完成操作控制的功能，由多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)完成自控任務(wù)。利用交換機(jī)實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)中設(shè)備間的點(diǎn)對點(diǎn)通信，采用TCP/IP協(xié)議組標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊。采用以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術(shù)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)方式使轉(zhuǎn)爐網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時性得到了保證，技術(shù)含量相比以前有了質(zhì)的飛躍。

三、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和安全

在我們進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時，必須考慮到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全問題。影響轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全的主要因素有以下方面。

（一）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備問題

在邯鋼三煉鋼廠，4座轉(zhuǎn)爐及外圍設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)聯(lián)成一體。不同型號的PLC設(shè)備和主機(jī)網(wǎng)卡容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，缺乏安全策略，所以針對這些因素，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)使用同型號設(shè)備，減少不同型號PLC存取數(shù)據(jù)速度對網(wǎng)絡(luò)造成的影響。同時，更換所有上位機(jī)所使用的網(wǎng)卡，同型號的網(wǎng)卡也保證了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定。充分利用好防火墻，做好防火墻內(nèi)客戶端的各種規(guī)則配置，以防止網(wǎng)絡(luò)中的不安全因素滲透到網(wǎng)絡(luò)中。

（二）網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部用戶的問題

網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部用戶的安全隱患是構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)安全的另一個因素，比如：如果系統(tǒng)IP地址設(shè)置錯誤，很容易造成網(wǎng)絡(luò)堵塞；操作人員隨意更改計(jì)算機(jī)設(shè)置、操作口令的泄漏、機(jī)密文件被人盜取、黑客入侵等，都可能使網(wǎng)絡(luò)安全受到極大考驗(yàn)。人為因素的安全漏洞是整個網(wǎng)絡(luò)安全的最大隱患。為避免以上情況的發(fā)生，在網(wǎng)絡(luò)實(shí)施時，對每臺上位機(jī)都固定設(shè)置IP地址，保證不出現(xiàn)重復(fù)的IP地址，避免網(wǎng)絡(luò)阻塞。設(shè)置控制權(quán)限、操作畫面退出口令和計(jì)算機(jī)重新啟動后自動運(yùn)行畫面，保證網(wǎng)絡(luò)資源不被非法使用和訪問。

（三）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全性的錯誤認(rèn)知

在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建成初期，由于我們沒有接觸過網(wǎng)絡(luò)安全性的評估，錯誤地對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性盲目樂觀，造成多次故障。在對轉(zhuǎn)爐網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全狀況進(jìn)行科學(xué)、準(zhǔn)確的評估、分析后，對發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行整改從而提高了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全性能。針對網(wǎng)絡(luò)病毒，我們新增設(shè)一臺服務(wù)器，采用實(shí)時優(yōu)化操作系統(tǒng)配置和對漏洞打補(bǔ)丁等各種方式，最大限度地消除安全隱患和彌補(bǔ)最新的安全漏洞。同時在轉(zhuǎn)爐服務(wù)器上安裝了正版的殺毒軟件，采用離線包方式讓服務(wù)器可以實(shí)時升級病毒庫，給整個網(wǎng)絡(luò)中各上位機(jī)提供病毒信息，保證各上位機(jī)病毒庫及時更新，減少網(wǎng)絡(luò)病毒的入侵，為網(wǎng)絡(luò)安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供了技術(shù)支持。

（四）網(wǎng)絡(luò)發(fā)生安全事故時的補(bǔ)救措施

對數(shù)據(jù)庫的及時備份，是我們保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)完整和安全的重要措施。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障發(fā)生時，檢查網(wǎng)絡(luò)上所有設(shè)備確保運(yùn)行正常（如SLC500系列CPU不具備自啟動功能、需重新手動啟動、上位機(jī)死機(jī)等），造成程序丟失或畫面故障時，利用備份數(shù)據(jù)及時恢復(fù)，可減少故障時間。數(shù)據(jù)備份有三種方法：只備份程序和畫面、備份數(shù)據(jù)庫和日志、增量備份。另外，區(qū)別于個人電腦的操作系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)是工業(yè)部門專門用來實(shí)現(xiàn)控制功能的編程系統(tǒng)，嚴(yán)格控制與外網(wǎng)的連接機(jī)會，減少會感染計(jì)算機(jī)病毒幾率，也可以避免網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中產(chǎn)生計(jì)算機(jī)病毒。

四、結(jié)論

隨著工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)技術(shù)在企業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在邯鋼轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，在給轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)帶來便捷的同時，也促進(jìn)了三煉鋼信息化建設(shè)工作的進(jìn)程。羅克韋爾公司提供的ControlNet現(xiàn)場總線，在基本不增加成本的前提下，保證了系統(tǒng)的實(shí)時性和確定性，使每座轉(zhuǎn)爐的三套PLC系統(tǒng)可以實(shí)時交換數(shù)據(jù)，為智能制造的全面推廣和“大數(shù)據(jù)”的實(shí)施提供了最基礎(chǔ)和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線結(jié)合使用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使邯鋼煉鋼自動化控制系統(tǒng)的科技含量有了質(zhì)的飛躍，為邯鋼的精細(xì)化管理奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

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作者:張建國 單位:邯鋼自動化部