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PLC軟件冗余系統(tǒng)在燃油鍋爐中的應(yīng)用
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在重要的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域和軍用產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,采用冗余技術(shù)提高控制系統(tǒng)可靠性的做法越來越普遍。常規(guī)的冗余就是采用成倍增加元件的方式來參與控制,以期能夠?qū)⒁蚩刂圃O(shè)備的意外而導(dǎo)致的停機(jī)降到最少。

燃油鍋爐是輸油管道加熱系統(tǒng)中的加熱設(shè)備,鍋爐的無故障運(yùn)行是整個(gè)輸油管道網(wǎng)絡(luò)正常工作的保證。在鍋爐控制系統(tǒng)中,設(shè)計(jì)采用兩組獨(dú)立運(yùn)行的西門子PLC軟件冗余控制系統(tǒng),保證加熱系統(tǒng)的可靠、連續(xù)、安全運(yùn)行。

冗余常見的方式是中央處理器冗余、I/O 冗余和通訊冗余。中央處理器單元冗余(即一用一備或一用多備),在主處理器單元失效時(shí),備用處理器單元自動(dòng)投入運(yùn)行,接管控制。在控制權(quán)的交互方式上又可分為硬件冗余和軟件冗余兩種。硬件冗余是采用硬件方式進(jìn)行切換,不用編程。除了成對(duì)的使用處理器外,還用專用的熱備模塊,熱備模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)處理器,一旦發(fā)現(xiàn)主處理器失效,馬上將系統(tǒng)控制權(quán)交給備用處理器。硬件冗余均采用光纖通訊,通訊速度快,系統(tǒng)穩(wěn)定,切換時(shí)間更短,但是成本也比較高。軟件冗余方式只需要成對(duì)的處理器,用軟件編程的方式進(jìn)行處理器的切換,組成比較經(jīng)濟(jì),構(gòu)成十分靈活,但程序處理需要一定的時(shí)間,對(duì)于時(shí)鐘同步及切換時(shí)間要求不是十分嚴(yán)格的場(chǎng)合,選用軟件冗余方式還是非常經(jīng)濟(jì)有效的。

1.控制系統(tǒng)構(gòu)成:

1.1 監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本控制方案設(shè)計(jì)采用了SIMATIC WinCC 組態(tài)軟件來實(shí)現(xiàn)過程控制的上位機(jī)組態(tài),WinCC是在生產(chǎn)和過程自動(dòng)化中解決可視化和控制任務(wù)的工業(yè)技術(shù)系統(tǒng)。下位機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用兩套獨(dú)立的西門子 SIMATIC S7-300系列PLC實(shí)現(xiàn)冗余控制,其編程軟件STEP-7功能強(qiáng)大,模塊化結(jié)構(gòu),優(yōu)化了用戶程序。

監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成實(shí)現(xiàn)如圖1

圖1 冗余監(jiān)控系統(tǒng)

1 冗余監(jiān)控系統(tǒng)

Fig.1 Software redundancy monitoring system

1.2 PLC軟件冗余控制系統(tǒng)

軟件冗余是Siemens實(shí)現(xiàn)冗余功能的一種低成本解決方案,可以應(yīng)用于對(duì)主備系統(tǒng)切換時(shí)間要求不高的控制系統(tǒng)中。

1.2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Siemens軟件冗余系統(tǒng)的軟件、硬件包括:

1STEP7編程軟件(V5.x)加軟冗余軟件包(V1.x);

2PLC控制器及I/O模塊,可以是S7-300S7-400系統(tǒng)

3條通訊鏈路,主系統(tǒng)與從站通訊鏈路(PROFIBUS 1)、備用系統(tǒng)與從站通訊鏈路(PROFIBUS2)、主系統(tǒng)與備用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步通訊鏈路(MPI PROFIBUS Ethernet);

軟冗余能夠?qū)崿F(xiàn):

1.  主機(jī)架電源、背板總線等冗余

2.  PLC處理器冗余;

3.  PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)冗余(包括通訊接口、總線接頭、總線電纜的冗余);

4.  ET200M站的通訊接口模塊IM153-2冗余。

軟冗余系統(tǒng)由AB兩套PLC控制系統(tǒng)組成。開始時(shí),A系統(tǒng)為主,B系統(tǒng)為備用,當(dāng)主系統(tǒng)A中的任何一個(gè)組件出錯(cuò),控制任務(wù)會(huì)自動(dòng)切換到備用系統(tǒng)B當(dāng)中執(zhí)行,這時(shí),B系統(tǒng)為主,A系統(tǒng)為備用,這種切換過程是包括電源、CPU、通訊電纜和IM153接口模塊的整體切換。系統(tǒng)運(yùn)行過程中,即使沒有任何組件出錯(cuò),操作人員也可以通過設(shè)定控制字,實(shí)現(xiàn)手動(dòng)的主備系統(tǒng)切換,這種手動(dòng)切換過程,對(duì)于控制系統(tǒng)的軟硬件調(diào)整、更換非常有用。

1.2.2 系統(tǒng)工作原理

在軟冗余系統(tǒng)進(jìn)行工作時(shí),A、B控制系統(tǒng)(處理器,通訊、I/O)獨(dú)立運(yùn)行,由主系統(tǒng)的PLC掌握對(duì)ET200從站中的I/O控制權(quán)。A、B系統(tǒng)中的PLC程序由非冗余用戶程序段和冗余用戶程序段組成,主系統(tǒng)PLC執(zhí)行全部的用戶程序,備用系統(tǒng)PLC只執(zhí)行非冗余用戶程序段,而跳過冗余用戶程序段。下面我們看一下軟冗余系統(tǒng)中PLC內(nèi)部的運(yùn)行過程(圖2):

 

圖2 冗余工作原理

 

 

 

2 冗余工作原理

Fig.2 The working principle of software redundancy

1.3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用信號(hào)采集模塊實(shí)時(shí)采集鍋爐的輸油管進(jìn)出口溫度和壓力,根據(jù)設(shè)定起爐、轉(zhuǎn)火、停爐溫度值控制燃燒機(jī)的自動(dòng)啟動(dòng)、轉(zhuǎn)火、停止等操作。根據(jù)溫度、壓力報(bào)警設(shè)定值,控制鍋爐緊急停爐和故障報(bào)警等處理。

控制系統(tǒng)組成:一組CPU 315-2 DP 處理器(帶PROFIBUS-DP接口);2ET200M模塊(各自帶2個(gè)IM352接口);一組SM321 DI開關(guān)量輸入模塊;一組SM322 DO開關(guān)量輸出模塊;3SM331 AI模擬量輸入模塊。一組CP343-1以太網(wǎng)通信處理器模塊。

1.4 WinCCS7-300的通信實(shí)現(xiàn)

根據(jù)控制方案的設(shè)計(jì),采用WinCC組態(tài)作為上位機(jī)監(jiān)控,用西門子的S7_300作為下位機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu),我將采用以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)Tcp/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)WinCC與S7-300的通信,將現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)參數(shù)、控制參數(shù)等上傳到監(jiān)控層。這個(gè)變量傳遞的過程可以用圖3來說明:

 圖3 變量監(jiān)控過程

                                                  3 變量監(jiān)控過程

Fig.3 Course of variable monitoring

1.5 WinCC組態(tài)冗余的實(shí)現(xiàn)

通過兩臺(tái)獨(dú)立計(jì)算機(jī)同時(shí)運(yùn)行項(xiàng)目功能完全相同的WinCC組態(tài)項(xiàng)目,構(gòu)成并行服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)組態(tài)冗余結(jié)構(gòu),兩臺(tái)服務(wù)器通過以太網(wǎng)連接,并與PLC連接。每臺(tái)服務(wù)器都帶有其自身的過程連接和可用的數(shù)據(jù)歸檔,工作PLC站將過程數(shù)據(jù)和消息同時(shí)發(fā)送到兩臺(tái)冗余服務(wù)器。如果一臺(tái)服務(wù)器發(fā)生故障,另一臺(tái)將繼續(xù)接收和歸檔來自PLC工作站的過程值和消息。出現(xiàn)故障的服務(wù)器重新工作后,冗余服務(wù)器為故障時(shí)間的歸檔執(zhí)行同步,通過將丟失的數(shù)據(jù)重新傳送到出故障的服務(wù)器,來消除故障引起的歸檔差別。

冗余服務(wù)器的組態(tài)實(shí)現(xiàn):1.必須在兩個(gè)冗余服務(wù)器上組態(tài)功能完全相同的WinCC組態(tài)項(xiàng)目(建議使用WinCC項(xiàng)目復(fù)制器)。2. 對(duì)于WinCC冗余,需要同步服務(wù)器(建議使用設(shè)備的時(shí)間同步)。3. 配置冗余用戶歸檔,實(shí)現(xiàn)用戶歸檔同步。4. 組態(tài)在線消息同步。5. 打開冗余編輯器,在“冗余伙伴服務(wù)器”項(xiàng),輸入冗余服務(wù)器的名稱,并在“用戶歸檔”項(xiàng)下,激活“用戶歸檔的同步”。

本系統(tǒng)通過動(dòng)態(tài)向?qū)гO(shè)置讀取IP冗余地址,實(shí)現(xiàn)主S7-300數(shù)據(jù)監(jiān)控。

1.6 軟冗余程序的設(shè)計(jì)

軟冗余程序需要西門子提供的軟冗余軟件包及STEP7,在A站的Block中插入OB1(主循環(huán)程序塊)、OB35(定時(shí)中斷組織塊)、OB100(暖啟動(dòng)調(diào)用程序塊)、OB80(在主系統(tǒng)與備用系統(tǒng)切換時(shí)間超時(shí),調(diào)用該塊)、OB82DP-Slave ET200站上的IM153-2模塊出錯(cuò)報(bào)警,調(diào)用該功能塊)、OB83DP從站的接口模塊與主站鏈接斷開或鏈接重新建立時(shí)調(diào)用該塊)、OB86(主從站通訊出錯(cuò)調(diào)用該塊)、OB87(通訊失敗調(diào)用該塊)、OB122(外圍設(shè)備訪問出錯(cuò)調(diào)用該塊)、OB121等組織塊,并對(duì)其中的OB100OB35、OB86進(jìn)行編程。

首先,用戶需要在初始化程序中(OB100)定義冗余部分的數(shù)據(jù)區(qū),該數(shù)據(jù)區(qū)可以包括:一個(gè)過程映像區(qū),一個(gè)定時(shí)器區(qū),一個(gè)計(jì)數(shù)器區(qū)和一個(gè)數(shù)據(jù)塊區(qū),S7-300同步的最大數(shù)據(jù)量為8kBytes。本控制系統(tǒng)將每臺(tái)鍋爐的溫度、壓力采集值和運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)分別放置在不同的DB數(shù)據(jù)塊,并定義為需要冗余的數(shù)據(jù)塊。

使用的是OB35的默認(rèn)屬性,即每100ms中斷觸發(fā)一次,可以根據(jù)實(shí)際的需要在CPU屬性中修改中斷的時(shí)間間隔。在OB35里調(diào)用FB101S ’WR_ZYK’功能塊,FB101塊中封裝了冗余功能的程序段,實(shí)現(xiàn)冗余功能。當(dāng)執(zhí)行‘SWR_START’程序塊時(shí),系統(tǒng)分配這些數(shù)據(jù)區(qū),不能用S7 的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器,只能使用IEC標(biāo)準(zhǔn)的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器。

OB35中的程序段也可以在OB1中實(shí)現(xiàn),只是不使用中斷的方式,而使用主循環(huán)的方式。

調(diào)用FB101時(shí),你可以在線地讀出RETURN_VAL參數(shù)的數(shù)值,如果為0,說明冗余鏈接正常。如果為8015說明數(shù)據(jù)同步的連接不成功,原因是CP342-5之間的FDL鏈接建立的不正確或物理鏈路不通,或者是FC100VERB_ID參數(shù)與NETPRO中的ID號(hào)不一致。

2.結(jié)束語:

以上簡(jiǎn)要介紹了SIEMENS軟件冗余系統(tǒng)的系統(tǒng)組成、工作原理、程序編制,整個(gè)系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單、構(gòu)成靈活、程序編制比較容易。系統(tǒng)在某輸油站投入運(yùn)行以來,保證了系統(tǒng)無故障停機(jī)運(yùn)行,提高了工作效率,降低了維護(hù)費(fèi)用,以其可靠性、靈活性、便利性受到用戶好評(píng)。


 

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