网络技术下的邯钢转炉系统应用

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摘要：在企业生产控制过程中，工业以太网以其使用方便、运行可靠、高速通讯等特点，正在越来越多地被应用在工业控制系统中。邯钢三炼钢厂转炉计算机网络系统采用环形快速以太网，不但给日常的计算机设备维护工作带来便捷，也推进了三炼钢厂信息化建设工作的进程。

关键词：工业以太网、网络协议、现场总线、网络安全

一、概述

邯钢三炼钢厂共有4座120t转炉，转炉控制系统采用美国RockwellAutomation公司的Controllogix系统产品，转炉网络系统采用工业以太网环形拓扑结构，每座转炉各套PLC单独组成一个小环，4个小环和公用的上料系统、风机公用系统、二次除尘系统组成一个大环网络，在整个网络中共有27套PLC、26台上位机，数据交换频繁且实时更新。该网络不仅要提供PLC数据供操作人员查看操作，而且要求基础PLC数据准确实时提供给二级计算机，保证钢水的参数准确归档；在产品质量出现问题时，能跟踪到冶炼时间和参数，便于分析问题的原因和划分责任，为提高产品质量提供数据保证。因此，转炉网络系统是整个三炼钢的骨干系统，网络质量的优劣、稳定性、实时性将直接影响钢水质量和经济效益。

二、转炉工业以太网网络结构特点

（一）转炉工业以太网的组成

三炼钢厂转炉控制系统网络结构分布图如下：转炉网络控制系统为环形网络拓扑结构，任何一个站点发出数据请求，系统都能迅速把数据传递到其他站点。该网络结构简单实用，仅使用3台交换机就可以形成小环网，小环网挂到大环网上，当其中一个网络分支发生故障时，环网断开，交换机实现自动调整环网，把网络转换成总线型网络结构，避免数据传输中断。同时为满足和风机一次除尘数据交换，采用光纤技术，达到远距离传输的目的。控制系统的主干网使用环形快速以太网通信，通信介质使用光纤,网络中的PLC系统、监控用的上位机以及用来修改程序的工程师站通过工业以太网中配置的交换机联接成环。网络中的交换机全部为台湾MOXA公司的8端口工业级EDS-408A交换机，该系列交换机配备有2个百兆级多模光纤接口和6个百兆以太网络连接电端口，实现数据传输和多种实时网管功能。设计时统一分配交换机IP地址并利用软件设置，确定大环网中的主交换机作为管理者，负责对各交换机分配数据流。交换机的通讯协议为MOXA公司自主开发的TurboRing2冗余协议，实现最优化的通信冗余功能和保证故障时网络最快的恢复时间。对大环网上的所有交换机按照port7为进线、port8为出线的原则，对每个端口的TX端和RX端做标记并接线，保证网络数据顺序，减少网络风暴爆发的几率。MOXA工业以太网交换机的使用保证了数据能够在链路上顺利传输。主干光纤上的7台交换机分别放在三个交换机柜中，其中在1#PLC室的交换机柜中连接有1#转炉、2#转炉以及转炉上料控制系统的设备，共7套PLC和1台工程师站以及转炉主控室中的上位机，这7套PLC系统为罗克韦尔AB公司的Controllogix系统产品，CPU模板型号为1756-L55M/62，通过以太网模板1756-ENBT/R接入环网中。工程师站直接连接到大环网交换机上方便查看任何节点程序和监控画面，工程师站装有罗克韦尔公司的REVIEW32监控软件、RSLINX组态软件和LOGIX5000编程软件，可实时监视转炉的运行状况和参数。放置在2#PLC室的交换机柜，连接有3#、4#转炉控制系统的设备共6套PLC和1台工程师站，6套PLC同样全部采用Allen-Bradley公司的Controllogix系统产品，CPU模块为1756-L55M/62系列产品，通过以太网模板1756-ENBT/R连接入环网。工程师站直接连接到大环网交换机，通过REVIEW32监控软件、RSLINX和LOGIX5000编程软件监控转炉的生产状况和修改控制程序。每个主控室安放一台交换机，所有上位机通过此交换机与PLC通信形成小环网，上位机用于监控过程参数，操作炼钢生产等。下渣检测、声纳化渣等系统的数据也通过该交换机从PLC中读取。在风机房的交换机柜中连接有4套PLC和4台上位机用来检测和操作风机公用系统以及二次除尘设备，PLC系统全部采用Allen-Bradley公司的SLC500系列，CPU模板型号为1747-L55系列，带有以太网接口，可直接接入以太网。

（二）ControlNet现场总线

在邯钢三炼钢转炉网络系统中，每座转炉控制系统由原网络技术在邯钢转炉系统的应用张建国料PLC、仪表PLC和氧枪PLC共三套PLC以及其他外围设备PLC组成，每套PLC的主机架和从机架之间采用罗克韦尔公司提供的ControlNet现场总线方式通信，各PLC之间采用生产者/消费者标签,采用隐性令牌的传递方法,使每座转炉的三套PLC系统可以实时交换数据。ControlNet现场总线具体优越性表现在：（1）保证了系统的实时性和稳定性；（2）物理介质采用同轴电缆，成本较低；（3）对于数字量和模拟量连续过程控制应用场合，均具有确定性和可重复性；（4）兼容现有成熟的PLC控制系统。

（三）网络系统的特点

采用了工业以太网和现场总线，三炼钢厂的转炉网络系统具有以下特点。1.可靠性与稳定性。由于普通交换机无法使用于炼钢厂恶劣的现场环境中，因此，现场采用了台湾Moxa公司的MOXAEtherDeviceServer（工业以太网设备服务器），这种连接工业应用中具有以太网络接口的工业交换机设备，保证了炼钢生产过程中网络的稳定性。2.通信实时性与确定性。转炉网络控制必须满足控制作用的实时性，确保信号传输及时准确。通信速率达到百兆级，减轻了网络负荷，减少传输延时，全双工通信使得端口间分别同时接收和发送报文帧，大大提高通信实时性。3.以太网协议。控制系统采用以太网协议，不仅完成了交换机间的数据传输，而且实现借助该网络完成操作控制的功能，由多个网络节点协调完成自控任务。利用交换机实现环网中设备间的点对点通信，采用TCP/IP协议组标准的以太网技术实现网络通讯。采用以太网和现场总线技术相结合的网络方式使转炉网络系统的稳定性和实时性得到了保证，技术含量相比以前有了质的飞跃。

三、网络设计和安全

在我们进行网络设计时，必须考虑到计算机网络安全问题。影响转炉控制系统网络安全的主要因素有以下方面。

（一）网络系统设备问题

在邯钢三炼钢厂，4座转炉及外围设备的网络系统联成一体。不同型号的PLC设备和主机网卡容易导致网络不稳定，缺乏安全策略，所以针对这些因素，网络内使用同型号设备，减少不同型号PLC存取数据速度对网络造成的影响。同时，更换所有上位机所使用的网卡，同型号的网卡也保证了网络的稳定。充分利用好防火墙，做好防火墙内客户端的各种规则配置，以防止网络中的不安全因素渗透到网络中。

（二）网络内部用户的问题

网络内部用户的安全隐患是构成网络安全的另一个因素，比如：如果系统IP地址设置错误，很容易造成网络堵塞；操作人员随意更改计算机设置、操作口令的泄漏、机密文件被人盗取、黑客入侵等，都可能使网络安全受到极大考验。人为因素的安全漏洞是整个网络安全的最大隐患。为避免以上情况的发生，在网络实施时，对每台上位机都固定设置IP地址，保证不出现重复的IP地址，避免网络阻塞。设置控制权限、操作画面退出口令和计算机重新启动后自动运行画面，保证网络资源不被非法使用和访问。

（三）网络系统安全性的错误认知

在网络系统建成初期，由于我们没有接触过网络安全性的评估，错误地对网络系统的安全性盲目乐观，造成多次故障。在对转炉网络系统安全状况进行科学、准确的评估、分析后，对发现的问题进行整改从而提高了网络系统安全性能。针对网络病毒，我们新增设一台服务器，采用实时优化操作系统配置和对漏洞打补丁等各种方式，最大限度地消除安全隐患和弥补最新的安全漏洞。同时在转炉服务器上安装了正版的杀毒软件，采用离线包方式让服务器可以实时升级病毒库，给整个网络中各上位机提供病毒信息，保证各上位机病毒库及时更新，减少网络病毒的入侵，为网络安全、稳定运行提供了技术支持。

（四）网络发生安全事故时的补救措施

对数据库的及时备份，是我们保证网络数据完整和安全的重要措施。当网络故障发生时，检查网络上所有设备确保运行正常（如SLC500系列CPU不具备自启动功能、需重新手动启动、上位机死机等），造成程序丢失或画面故障时，利用备份数据及时恢复，可减少故障时间。数据备份有三种方法：只备份程序和画面、备份数据库和日志、增量备份。另外，区别于个人电脑的操作系统，PLC系统是工业部门专门用来实现控制功能的编程系统，严格控制与外网的连接机会，减少会感染计算机病毒几率，也可以避免网络系统中产生计算机病毒。

四、结论

随着工业以太网技术的发展，以太网技术在企业生产控制系统中得到广泛应用。网络技术在邯钢转炉控制系统中的应用，在给转炉生产带来便捷的同时，也促进了三炼钢信息化建设工作的进程。罗克韦尔公司提供的ControlNet现场总线，在基本不增加成本的前提下，保证了系统的实时性和确定性，使每座转炉的三套PLC系统可以实时交换数据，为智能制造的全面推广和“大数据”的实施提供了最基础和准确的数据。以太网和现场总线结合使用的网络技术，使邯钢炼钢自动化控制系统的科技含量有了质的飞跃，为邯钢的精细化管理奠定了扎实的基础。

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作者:张建国 单位:邯钢自动化部