冗余型PLC（精选7篇）
冗余型PLC 篇1
1 引言
可编程控制器 (Programmable Logic Controller) 简称为PLC, 它的应用面广、功能强大、使用方便, 已经成为当代工业自动化的主要支柱之一, 在工业生产的所有领域得到了广泛的应用[1], 矿山自动化也不例外。破碎自动化系统作为矿山自动化系统的一部分, 又因为其环境恶劣、控制点较多、联锁保护要求高等特点, 对PLC的可靠性提出了更高的要求, 仍然需要通过其他技术 (如冗余技术) 以提高系统可靠性[2]。近年来冗余型PLC系统逐渐在破碎自动化系统中得到广泛应用。本文主要介绍霍尼韦尔Master Logic 200冗余型PLC系统。
2 霍尼韦尔Master Logic 200冗余型PLC系统工作原理
冗余型PLC系统分为软件冗余和硬件冗余。软件冗余通过程序实现数据同步和切换, 所需硬件须为特定硬件, 且不能实现I/O冗余;硬件冗余一般为采用同时运行两套相同配置的硬件实现数据同步和切换, 并可实现I/O冗余。
在霍尼韦尔Master Logic 200冗余型PLC系统中, CPUH系列可较好的实现冗余功能, 保证系统的可靠性。此冗余系统为完全冗余系统, 即冗余CPU、冗余电源和冗余I/O电缆 (双路环状拓扑) 。使用时配置两套CPU处理器模块, 并设置主从, 主从CPU之间设置同步光纤, 正常状态下由主CPU处理程序, 从CPU实时监测主CPU的运行状态并通过同步光纤交换数据进行数据同步, 一旦主CPU出现故障状态, 从CPU可立即接替主CPU继续执行程序, 在两个CPU进行切换期间, PLC系统不停机, 主从CPU切换时间不超过22ms[3]。
3 霍尼韦尔Master Logic 200冗余型PLC系统构成
3.1 硬件组态
本PLC冗余系统的硬件组态由电源模块 (PS) 、中央处理器 (CPU) 、接口模块 (IM) 、通讯模块 (CP) 、背板插槽 (BS) 、数字量输入模块 (DI) 、数字量输出模块 (DO) 、模拟量输入模块 (AI) 、模拟量输出模块 (AO) 等组成。其中背板插槽为有源背板插槽, 可根据不同情况选用不同接口数量的背板插槽模块;电源模块主要为其他模块供电, 并具有短路保护功能;中央处理器为程序的运行区域, 为PLC系统的核心部件;接口模块主要功能是连接CPU和相应I/O模块, 具备地址拨码功能;通讯模块分为以太网通讯模块、Profibus-DP接口模块等, 主要功能是连接外部设备, 与外部设备进行通讯;I/O模块 (DI、DO、AI、AO) 采集被控点的各种参数, 通过CPU运算后再输出控制信号, 驱动执行机构完成对被控点的控制。
3.2 软件系统
霍尼韦尔Master Logic 200冗余型PLC系统采用Soft Master编程软件, 具有强大功能, 能完成对系统的配置、读取模块信息、程序编写、程序模拟运行、强制I/O点、I/O点在线监视等功能。
上位机使用“服务器+操作员站”的框架结构并采用Experion HS R400系列上位机软件, Experion HS是一款基于经过验证的Experion�PKS平台技术构建而成的中小规模过程控制系统, 是集成了混合控制、逻辑控制和安全控制 (Safety Manager) 等多种类型控制器的一套整体解决方案。
3.3 第三方通讯
与第三方设计通讯的方式主要有三种:以太网通讯、Profibus-DP通讯、OPC通讯。其中, 进行Profibus-DP通讯时需要使用Sy Con软件对Profibus-DP模块进行配置, 然后通过Soft Master编程软件进行控制点的读取。图1为霍尼韦尔Master Logic 200冗余型PLC系统组态示意图。
4 在破碎自动化系统中的应用
某选厂为铁选厂, 破碎工艺流程矿石采用皮带进行输送, 工艺流程如图2所示, 矿方要求选用可靠性高、投资和运营成本适中的控制系统且能满足集中监测、分散控制的要求。
现要求实现的功能主要有以下几个部分:
(1) 皮带的联锁启停车;
(2) 故障保护停车, 出现紧急情况能迅速停车并能将相应皮带联锁停车, 避免出现堆料情况;
(3) 布料小车自动布料;
(4) 现场设备状态、矿仓料位等信号能在上位机实时显示;
(5) 信号归档, 历史趋势显示;
(6) 现场除尘系统为子系统, 能通讯将信号在上位机上实时显示。
经分析可以发现, 现场工艺流程较短、功能适中, 并未有很高的功能性要求, 加之矿方要求集中监测、分散控制, 所以可以选用PLC系统, 且因为所选系统的高可靠性要求, 所以应选用冗余型PLC系统, 参考其他如投资和运营成本适中等条件, 现选用霍尼韦尔Master Logic200冗余型PLC系统。
根据现场功能性要求, 可以采用“CPU+子站”形式的双路环状拓扑结构, 在控制室旁设置CPU主站柜, 在现场根据控制点设置不同的子站, 子站与CPU主站柜间用光纤进行跳接。在控制室使用“服务器+操作员站”的架构方式, 服务器作为工程师站可以进行上位机画面的绘制、程序的编写、操作权限的授权等功能, 操作员站对服务器进行访问, 可根据服务器授权的不同约束本台操作员站的操作等。系统组态示意图如图1所示。
通过Soft Master编程软件可对现场进行信号采集, 通过编程输出控制信号来控制现场设备, 可实现矿方要求的联锁启停车、故障停车和布料小车自动布料功能。
信号采集后, Soft Master编程软件将现场设备状态、矿仓料位等信号输出到Experion HS R400系列上位机软件中, 在Experion HS R400系列上位机软件中进行画面绘制可以将信号在画面上实时显示。在Experion HS R400中也可以实现信号归档和历史趋势显示等功能。
对于与除尘系统通讯的功能, 可使用Sy Con软件对Profibus-DP模块进行参数配置, 设置模块的主从特性, 配置完成后使用编程软件分配好采样区域, 然后对除尘子系统进行数据的读写。
以上霍尼韦尔Master Logic 200冗余型PLC系统已经在某选厂投入生产, 实际运行中系统稳定、可维护性好, 达到了集中监测、分散控制和连续长时间运行的高可靠性要求, 为矿方创造了较好的经济效益。
摘要：在市场上诸多冗余型PLC系统中, 霍尼韦尔Master Logic 200冗余型PLC系统具有安全稳定、抗干扰性及灵活性好、成本适中等特点。本文介绍了此款PLC系统的工作原理、系统构成, 并介绍了在破碎自动化系统中的应用等。
关键词：霍尼韦尔,冗余型PLC,破碎自动化
参考文献
[1]廖常初.S7-300/400 PLC应用技术[M].机械工业出版社, 2007.
[2]刘冲, 付江梅.双重冗余PLC控制系统的可靠性与可用性研究[J].自动化仪表, 2010 (09) :44-46, 53.
[3]霍尼韦尔Experion Masterlogic-200系列PLC技术规格书[S].
冗余型PLC 篇2
西门子S7-400H冗余PLC系统主要采用热备硬冗余的方式实现“主/从PLC”系统故障时的无扰动切换,但实际应用中常出现冗余故障影响上位机通信的情况,同时故障模板的报警指示纷繁复杂,加大了故障排查难度。本文通过介绍一起典型的S7-400H冗余PLC系统冗余故障的现象及处理过程,探讨S7-400H冗余PLC系统冗余故障处理方案。
1 故障现象
某S7-400H冗余PLC系统报故障,“主/从PLC”系统硬件模板上多个指示灯报警闪烁,上位机上的反馈信号显示冗余PLC系统出现异常。S7-400H冗余PLC系统CPU各指示灯含义如下。
INTF:红色,内部故障,例如用户程序运行超时,用户程序错误。
EXTF:红色,外部故障,例如电源故障,I/O模块故障。
FRCE:黄色,至少有一个I/O被强制时点亮。
RUN:绿色,运行模式。
STOP:黄色,停止模式。
BUS1F:红色,MPI/Profibus-DP接口1的总线故障。
BUS2F:红色,MPI/Profibus-DP接口2的总线故障。
MSTR:黄色,CPU运行。此CPU为主CPU0。
REDF:红色,冗余错误。
RACK0:黄色,CPU在机架0中。
RACK1:黄色,CPU在机架1中。
IFM1F:红色,接口子模块1故障。
IFM2F:红色,接口子模块2故障。
“主/从PLC”系统的主要硬件模板指示灯情况如下。
(1)主(主控)CPU0:RUN绿灯常亮,REDF红灯常亮,MSTR和RACK0黄灯常亮,IFM1F和IFM2F红灯常亮;电源模板和CP443-1以太网模板指示正常,数据收发指示灯正常闪烁。
(2)从(热备)CPU1:CPU面板所有有效指示灯以2Hz频率闪亮;CP443-1以太网模板指示正常,RUN绿灯常亮,STOP灯没亮,数据发送指示灯没亮,接收数据指示灯间隔很长一段时间闪烁1次,反映出收发数据不正常。
(3) ET200M扩展机架的某些IM153-2总线接口模块报BF和SF故障并亮红灯。
针对以上情况,先以文本格式导出PLC故障“诊断记录”,然后对离线程序作在线比较,在确认程序完全匹配后对程序和画面作备份,并在确认风机未投运后尝试恢复。为了便于分析与表达,暂且约定RACK0机架上的CPU为“主CPU0”,RACK1机架上的CPU为“从CPU1”,与实际CPU模板硬件选择开关拨定方向一致。PLC冗余系统的网络拓扑结构简图如图1所示。
2 故障处理过程
2.1 常规重启“从CPU1”
重启故障表现明显的“从PLC”系统(位于RACK1机架),先将CPU1模块启停选择开关拨到STOP,然后再拨到RUN,热启CPU1,但未启动成功,RUN灯持续闪烁,其它指示灯快速闪烁。
2.2 常规冷、热启动“主/从CPU”
停用“从CPU1”,关闭“从PLC”系统电源,保持“主PLC”系统不变,冷启动“从PLC”系统,但“从CPU1”仍未启动成功,故障指示依旧,另外“从PLC”系统的CP443-1以太网模板STOP黄灯亮,再无法启动到RUN状态。
停用“主/从PLC”系统电源模板,启动“主PLC”系统,成功;启动“从PLC”系统,CPU1和“从CP443-1以太网模板”均启动失败。采用Step 7软件暖启动“从CP443-1以太网模板”和“从CPU1”,仍无效,提示“当前模式下不允许进行此项操作”。进行反向操作,启动RACK1上的CPU1,仍无法启动,CPU1的REDF、EXTF、BF故障指示灯均亮,初步判断RACK1上的“从PLC”系统有来自Profibus-DP总线上的外部故障。但是,由于CPU上所有指示灯均闪烁,因此又推断CPU1本身可能存在故障,于是先将故障处理的焦点放在“从CPU1”和“从CP443-1以太网模板”。
在导出的“故障诊断”文件中有多行如下类似记录:
Event 109 of 120:Event ID 16#73A3
DP:loss of redundancy at DP slave
Address of the affected DP slave:station number:16
DP-master system ID:2
Log.base address of the DP slave:Input address:8175
Log.base address of the DP master:8181
Requested OB:I/O redundancy error OB (OB70)
2.3 重新下装程序
S7-400H冗余PLC系统一般由两组冗余CPU通过光纤通信交换数据实现硬件热冗余功能。冗余原理是:主CPU故障后,备份CPU与主CPU的同步连接自动建立,备份CPU发出Link-up请求,主站在关闭删除、拷贝和建功能块功能后将所有数据发送给备份CPU;备份CPU执行自测后,向主站发出更新请求;主站在终止已组态连接的通信和禁止低级别的报警后,将动态数据拷贝给备份CPU;主站运行用户程序,在禁止所有报警和中断后向已Link-up的备份CPU发送上次更新后发生改变的动态数据;备份CPU接收主CPU的输入、输出、定时器、计数器和内存位信息,主CPU使能报警、中断和通信,主、备CPU进入冗余、同步操作过程。S7-400H冗余PLC系统冗余实现过程如图2所示。
重启CPU无效后,尝试通过重新下装程序到PLC来解决。清空存储器,重新下装备份程序,发现直接DOWN程序至“从PLC(CPU1)”找不到目标模板,采用改IP或屏蔽IP直接用MAC物理地址也未能找到(西门子PLC以太网通信有两条通道:一是采用ISO协议,通过MAC物理地址;二是采用TCP/IP协议,通过IP逻辑地址),但可直接DOWN程序到RACKO上的“主CPUO”。于是先启动“主PLC”系统,再利用两对冗余光纤以硬件冗余到热备CPU1的方式传送数据,但一直报REDF冗余故障和BF总线故障。为解决总线及CPU可能存在的故障,考虑通过检查和更换硬件模块来进一步排查。
2.4 更换CPU模板、检查DP总线接头和下装程序
鉴于CPU存储器没有完全清零会影响程序和组态的下装,在下装程序和组态前对冗余CPU中的存储器数据进行清零。S7-400 CPU的存储区划分为系统存储器、工作存储器和装载存储器。扩展装载存储器空间使用S7-400的MMC卡,扩展空间的地址与系统原有的空间地址在分配逻辑上是连续的。在清空CPU中所有存储空间数据的过程中,涉及到CPU的存储器复位及MMC卡数据清零。
2.4.1 CPU存储器复位
(1)设置模式选择器至STOP位置,直到STOP指示灯亮。
(2)设置模式选择器至MRES位置并保持,直到STOP指示灯熄灭1s亮1s,然后保持点亮状态。
(3)将模式选择器置于STOP位置,然后在3s内拨至MRES,再拨回STOP位置,STOP指示灯以2Hz的频率至少闪3s,执行存储器复位,然后持续点亮。
2.4.2 MMC卡数据清零
用MRES模式开关进行复位,不能删除MMC中的数据,只能删除工作存储器中的内容。下面介绍可以删除MMC中数据的方法,本次故障处理中采用第3种方法。
(1)使用Step 7中的“VIEW>ONLINE”菜单命令,在线打开Blocks,选中要删除的块,用Delete键删除。
(2)用“PLC>Download User Program to Memory card”下载一个空的程序。
(3)关闭CPU电源,取下后备电池,拔出MMC卡后等待两三分钟再插上MMC卡和后备电池。
2.4.3 正确的Step 7程序下装方法
(1)点击SIMATIC MANAGER→OPTION→SET PG/PC,选择相应的通信接口。
(2)在SIMATIC MANAGER→PLC下选择“Download”将用户程序装入CPUO。在同步连接建立后,CPU0中的用户程序通过同步光纤自动传送到热备CPU1。
(3)将模式选择器开关拨到RUN或RUN-P位置启动S7-400H。先启动CPU0,再启动CPU1。CPU0作为主CPU启动,CPU1作为热备CPU启动。在热备CPU建立同步连接并更新缓存区数据后,S7-400H转换到冗余工作方式并执行用户程序。
(4)程序下装完成。若程序改动较多无法下装(提示工作存储器空间不够等),则在下装前后可对CPU模板的存储器进行“编译压缩”后再操作(通过硬件组态中的CPU“模板信息”来编译压缩)。
2.4.4 存储器数据MRES清零、更换CPU及下装组态和程序
更换CPU前,先对原CPUO、CPU1进行存储器数据MRES清零操作。清零结束后,关闭CPU模板电源、电源模板电源,拔出CPUO、CPU1上的MMC卡,并取出两CPU的后备电池。
MRES清零结束后,更换CPU1模板。用版本号为V4.5.5的CPU固件替换原版本号为V4.5.3的CPU1固件后,在两CPU插槽不插入MMC卡的情况下,只下装硬件组态到“主/从PLC”系统,顺序为先RACK0后RACK1,CPU1和CPU0均下装成功。然后将硬件组态和程序一起按主从顺利下装,也成功完成。在下装程序和组态的过程中,需同时勾选上以太网模板的MAC和IP地址类型。单独下装程序和组态到RACK1上的CPU1,也顺利完成,彻底解决了程序不能下装到CPU1的问题。这说明程序清空不彻底可使上位机与CPU的以太网通信无法建立,造成硬件组态或程序下装失败。现在,CPU1指示灯已停止闪烁,表明系统已基本正常。
此时CPU的“BF总线故障”、“EXTF外部故障”和“REDF冗余故障”红灯常亮。其最主要问题是,在“主CPU0”已先成功启动运行后,“从CPU1”无法启动,其RUN绿灯闪烁几秒熄灭后,STOP黄灯点亮,通过上位机程序热启和直接手动拨动切换开关启动CPU1均未成功,只能保持“主CPU0”处于RUN运行状态,而“从CPU1”处于STOP停止状态。
2.4.5 检查扩展机架的总线DP接头
为了解决“从CPU1”无法启动成功的问题,根据“故障诊断记录”和以往的安装调试经验,检查了扩展机架A3和A4的DP接头是否线芯松脱,同时也不排除IM153-2接口模板有问题。拆开第2个扩展机架(DP Address Number:32)、第3个扩展机架(DP Address Number:16)的DP接头(注意是BF2总线上的DP接头,故障诊断记录中亦有提示),反复多次拔插压紧,BF总线故障、外部故障EXTF消除,还余下REDF冗余故障。
值得注意的是,一套S7-400H的冗余系统,其ET200M从站的有源底板型号必须一致,否则也会产生类似的总线故障和外部故障。
2.5 冗余故障REDF的处理
经过试验发现,只可能“主CPUO”启动成功并运行,而“从CPU1”无法启动到RUN状态。通过程序组态在线监控模板信息也发现,此时的“主/从CPU”一个是RUN状态,一个是STOP状态,两块CPU虽然是“主/从关系”,但当前模式显示的是SOLO MODE模式(即单机模式),而非Redundant冗余模式。在此模式下,在上位机上进行启泵操作试验,画面通信仍不正常,反馈信号时断时续。
最后,通过查询资料获知,在S7-400H冗余PLC系统中,“两块CPU”的硬件版本完全一致才能形成冗余关系。又换上最初用的CPU,重新清空程序后再下装程序,S7-400H冗余PLC系统恢复正常,REDF冗余故障消失。CPU0和CPU1及以太网模板均能正常启动运行。
3 故障原因总结
最初是ET200M从站接口模板IM153-2上的DP接头线芯松脱造成总线故障,主要发生在“从PLC”的系统总线BF2上,因此“从PLC”系统的CPU1报BF总线故障;又由于CPU找不到DP挂接的从站,因此CPU报EXTF外部故障。在恢复过程中,人为造成“两块CPU”版本不一致,冗余故障再次出现。前后两次故障的根本原因不同,但叠加在同一表象上,使得故障查找更加困难。
虽然CPU报EXTF和DP总线故障,但是CPU仍处于RUN状态,其原因是程序组态中加入了冗余相关的OB块,如OB70、OB72、OB73、OB80～OB86等。
S7-400H冗余PLC系统数据同步检测程序组态设置的时间为90min,即每90min检测1次主从CPU中的程序和配置是否一致,但是“从PLC”系统存在总线故障,因此PLC不断尝试启停RACK0和RACK1上的CPU来进行主/从切换。由于故障一直存在,因此“从PLC”系统的CPU1的RUN灯一直闪,STOP灯一直亮。故障持续时间达到某个限度后,“从CPU”系统会使所有指示灯均闪烁。虽然MMC存储卡损坏时也出现所有指示灯全闪,但经检验MMC卡并未损坏。
通过诊断记录也可看出S7-400H冗余PLC系统发生故障时自动切换的过程(“日期时间1”先发生):
4 排查S7-400H冗余PLC系统故障注意事项
排查S7-400H冗余PLC系统故障时,需要注意以下几点。
(1)S7-400H冗余PLC系统的冗余CPU的固件版本号必须一致,否者需通过降级和升级的方式来处理。
(2)紧固DP接头线芯时,螺钉紧固式优于卡压式。
(3)中心机架(RACK0和RACK1,是同一机架的主从部分)的CPU存储器最好都下载硬件组态。
(4)S7-400H的两块MMC卡(扩展CPU装载存储器容量)容量必须一致。
(5)S7-400H冗余PLC系统的ET200M分布式扩展机架中的有源底板型号应一致。
(6)故障处理应以“故障诊断记录”提示为参照,从易到难排查故障。
(7)新型S7-400 PLC的以太网模板可只填写MAC,利用网线就可以下装程序到CPU存储器。
(8)如果REDF冗余故障和EXTF外部故障无法消除,且无法启动CPU到RUN状态,那么CPU可能存在强制的I/O硬件点(“FRCE”黄灯亮)。通过S7软件取消CPU0和CPU1中的强制点后重启CPU即可消除故障。
(9)IFM1F或IFM2F红灯亮时,可尝试对调CPU0和CPU1的FM1或FM2来判断是否为同步子模块问题。但是IFM1F或IFM2F红灯亮不能代表FM子模块有故障,如本次故障。
(10)鉴于S7-400H冗余PLC系统维护经验的缺乏,建议加强点巡检,以便及时发现问题,同时,操作人员应及时通报设备故障及报警信息。
5 结束语
冗余型PLC 篇3
关键词：BAS,PLC,冗余,主/备切换,通信驱动
2013年8月15日, 五路口站ISC S显示断网 (车站、中央全部蓝屏) , 故障发生后, 工作人员第一时间赶到现场, 经查看故障原因:上机架EN B T (193网) 网络模块损坏;下机架 (192网) 从PLC到交换机的网线过长, 互相冗余的2套PLC停止运行。临时处理方法:关闭下机架PLC, 上机架PLC (192网) 投入工作。
1 系统冗余双总线控制组成
地铁车站B A S系统分为大端与小端, 两端都采用冗余双总线模式, 由两套配置完全相同的PLC系统组成, 大端为主控端采用以太网协议与车站交换机相连, 构成车站B A S信息和控制中心B A S信息控制命令上传和下达的通道。小端为从控制端, 也由两套配置完全相同的PLC系统组成, 通过C ontrol N et总线与大端PLC系统相连, 作为大端PLC的一个节点完成相关信息交换。
1.1 网络架构
车站B A S系统采用两级网络:监控层网络和控制层网络。
1) 监控层网络基于以太网 (10/100M, TC P/IP) 实现, 由两块以太网模板1756-EN B T (冗余配置) 和西安地铁骨干网 (分为A、B网) 相连。此种技术应用, 实际应用需要面临2个主要问题:a.2个以太网通讯链路 (192网段和193网段) 之间的无缝切换;b.2个PLC之间的无缝切换 (主、备PLC) 。
2) 控制层网络基于C ontrol N et现场总线实现, 由3块控制网模板 (1756-C N B R) 连接小端PLC控制器及各种远程IO、西门子PLC, 作为大端PLC的一个现场节点实时数据的传输。
1.2 硬件架构
B A S系统负责站内所有机电设备如:环控设备、照明设备、通风设备等设备监视与控制, 系统PLC选用R ockw ell公司C ontrollogix L62, 通过SR M模块实现硬件冗余, 大小端PLC主要配置为:电源模板 (1756-PA 72) ;C PU模板 (1756-L62) ;控制网模板 (1756-C N-B R) ;以太网模板 (1756-EN B T) ;同步模板 (1757-SR M) 。
每个机架都配备一个1757-SR M冗余管理模块使主、备C PU之间的程序和数据及时同步。这样, 对于外部设备来说冗余系统是完全透明的, 发生C PU切换时外部设备不会察觉到, 设备运行状态不会因为切换而发生不稳定, 是无扰动的冗余切换机制。
1.3 主/从切换
当主机架任一组件发生故障, 控制权切换到从控制器, 下列原因会引起切换:1) 主机架发生掉电、控制器故障、模块拔出或故障、断开网络;2) 主控制器发出切换命令。
2 故障原因分析及改进方案
2.1 故障原因分析
上机架为主PLC, 当上机架EN B T (193网) 网络模块发生故障时, 遵从主/从切换条件, 切换到下机架PLC, 下机架 (192网) 从PLC到交换机的网线过长, 影响通信质量, 可视为网络断开故障, 互相冗余的上下机架PLC不停的在检测故障点情况, 主/从切换无所适从, 不再切换, 视为双以太网均不可用。
此时, 以太网冗余并未发挥冗余作用, 只是在关闭下机架PLC, 上机架PLC (192网) 才投入工作, 深入研究发现本系统以太网冗余和PLC冗余是两个互不联系、相对独立的冗余系统, 通过停止上下机架中某个PLC以终止PLC冗余功能, 从而激活以太网冗余功能。
2.2 改进方案
通过以上故障原因分析可以发现, 原有以太网冗余配置在此情况显得无能为力, 而且增加了故障点与工程成本, 据此提出以下方案 (见下图2) 实现以太网冗余。此方案中互相冗余的PLC各减少一个以太网模块, 分别通过单网与交换机各自上层相连, 但在网址设定时可分别设为 (192网) 与 (193网) 以实现以太网冗余。
3 结束语
通过对一号线B A S系统网络中断故障的研究, 分析了B A S系统PLC及网络冗余技术, 提出新的网络冗余方案, 以加深对冗余技术的理解, 为故障处理提供思路与方法。
参考文献
[1]GB/15969.1.2.3-1995可编程序控制器[S].北京:中国标准出版社, 1995.
冗余型PLC 篇4
空压机在发电站的生产中主要起着给厂房供气的作用,多数空压机都自带有控制系统,可以保证安全稳定的运行,但是多台机器并网工作时会出现一些不合理的运行状况:在多台空压机设定工作压力一致时,常出现一台或多台连续运行不卸载,而另一台长期不运行或不加载的状况,同时还会出现多台同时投入加载运行或同时卸载的状况。因此需要设计一个空压机联控系统。针对这一问题,本文采用基于PLC的空压机联网冗余控制方法,通过设定空压机运行的先后顺序来控制使用时间的均衡,延长空压机的使用寿命,并有效降低成本。另一方面,在实际生产过程中,要求空压机每天24小时连续运行而不能停机,在这种条件下即使可靠性再高的PLC也不能保证故障率为零,因此,如何提高系统的可靠性成为急需解决的问题。
本文选用西门子S7-300系列PLC软冗余来实现控制要求。用软件编程的方式进行处理器的切换,较好地解决了空压机联网控制系统可靠性和价格的矛盾。
1 空压机控制系统结构与分析
空压机控制系统主要由工控上位机系统、PLC下位机、压力变送器、嵌入式触摸屏等组成。图1所示是用WinCC制作的本系统运行的主画面。
空压机控制分就地控制和远程控制两种模式,通过一个远程/就地切换开关对它们进行切换,如图2所示。空压机的运行状态(包括空压机的运行、停止、故障信号)以及母管压力(两个变送器)分两路分别到DCS系统以及PLC。当选择就地控制时,PLC对各空压机的运行状态以及母管压力进行逻辑判断,再通过编程控制各台空压机的启动和停止;当选择远程控制时,DCS系统对各空压机的运行状态以及母管压力进行采集,再通过其启动、停止干接点向PLC发送指令来控制各台空压机的启动和停止。本系统中7台空压机分为三组,第一组4台,第二组2台,第三组1台。在第一组可以设定空压机为主机、辅机1、辅机2或者备机,在第二组可以设定空压机为主机、辅机或者备机,第三组为第一组和第二组的共用备机。空压机在设定的上载压力条件下依次启动,主机压力不足启动辅机,辅机压力不足启动备机,若第一组或者第二组空压机全部启动压力依然不足,则启动第三组空压机。若第一组和第二组压力都不够,第三组优先供给第一组启动。同理在设定的卸载压力下依次停机。
PLC控制器是面向工业现场过程控制而专门设计的,可以满足大多数控制系统对可靠性的要求。但在实际生产过程中,要求空压机每天24小时连续运行而不能停机,在这种条件下即使可靠性再高的PLC也不能保证故障率为零,因此,必须采取措施提高系统的可靠性。采用控制器(CPU)冗余控制技术是提高控制系统可靠性的有效方法和主要措施。CPU冗余控制使得系统在运行时不受局部单一故障的影响,可实现在线维护;同时,故障部件离线修理时也不影响系统正常运行,从而可达到提高系统可靠性和降低失效率的目的。合理的冗余设计将大大提高系统的可靠性,有效避免由于控制系统出现故障而引起的停产或设备损坏造成的经济损失[1]。
2 软冗余控制系统结构和原理
为提高控制系统的可靠性,本文采用冗余设计方案。控制系统冗余方式主要包括中央处理器冗余、I/O冗余和通讯冗余。中央处理器冗余是在主处理器失效时,备用处理器自动投入运行从而接管控制。在控制权的交互方式上又分为硬件冗余和软件冗余两种。硬件冗余是采用硬件方式进行切换,除成对地使用中央处理器外,还需专用的热备模块负责检测处理器,一旦发现主处理器失效,马上将系统控制权交给备用处理器。硬件冗余采用光纤通讯,通讯速度快,系统稳定,切换时间更短,但是成本也高。软件冗余方式只需要成对的处理器,用软件编程的方式进行处理器的切换,成本较低、构成灵活,但程序处理需要一定的时间,对于时钟同步及切换时间要求不是十分严格的场合,选用软件冗余方式是经济有效的[2]。
本空压机控制系统主要由工控上位机系统、PLC下位机、压力变送器、嵌入式触摸屏等组成。现场PLC控制系统采用西门子S7_300系列可编程逻辑控制器作为监控核心,配置相应的通讯接口与各空压机控制器通讯,PLC系统控制结构框图如图3所示。系统设计时采用Siemens软件冗余控制方案,软冗余系统由两套独立的S7-300或S7-400 PLC系统组成。开始时,A系统为主,B系统为备用,当主系统A中的任何一个组件出错,控制任务会自动切换到备用系统B当中执行,这时B系统为主,A系统为备用,这种切换过程是包括电源、CPU、通讯电缆和IM153接口模块的整体切换。上位机监控程序采用WINCC编程,通过以太网与A、B系统相连,A、B系统分别具有不同的IP地址,监控程序实时监测A、B系统谁为主系统,并自动与主系统通讯[3]。
软冗余系统工作时,由主系统的CPU掌管对I/O模块的控制权。主备两个CPU同时检测I/O输入信息,运行各自的非冗余部分的程序,同时对对方的运行状态信息进行分析,主CPU分析从CPU的参数信息,备用CPU分析主CPU的参数信息,如果主CPU运行正常,那么控制权不切换,主CPU运行冗余程序,并且将冗余参数和数据传输到备用CPU,而备用CPU跳过这部分冗余程序,最后两个CPU输出所有的状态参数。若主CPU失效,控制权切换,备用CPU将根据上一扫描周期由主CPU传输的参数信息接手控制,完成主备的切换[3]。主备系统数据同步所需要的时间取决于同步数据量的大小和同步所采用的网络方式,Ether net网方式最快,PROFIBUS方式适中,MPI方式周期最长[4]。
3 软冗余控制程序设计
根据以上分析,本文采用S7-315-2DP作为A、B控制系统,同步采用PROFIBUS方式,与上位机的通讯采用Ethernet网方式进行了实施。在程序设计中,用户程序可以分为冗余和非冗余部分。冗余部分具体指需要数据同步的程序段,它实现全部的控制功能;冗余信息主要是指输入输出端口的数据信息。非冗余部分主要指辅助性模块,它包括初始化模块、诊断模块、冗余功能模块等;非冗余信息主要指各机的状态信息。除冗余信息外,同步数据还包括用户程序冗余部分所使用的大量数据块,这样才能保证切换后程序执行的一致性。
用户需要在初始化程序中(OB100)定义冗余部分的数据区,该数据区可以包括:一个过程映象区(process image area)、一个定时器区(IEC timer area)、一个计数器区(IEC counter area)、一个位地址区(memory address area)和一个数据块区(data block area)。在软冗余系统进行工作时,A、B控制系统(处理器,通讯、I/O)独立运行,由主系统的PLC掌握对ET200从站中的I/O控制权。A、B系统中的PLC程序由非冗余(non-duplicated)用户程序段和冗余(redundant backup)用户程序段组成,主系统PLC执行全部的用户程序,备用系统PLC只执行非冗余用户程序段,而跳过冗余用户程序段[5]。
七台空压机分成A、B两组。A组由主机、辅1机、辅2机和备机组成;B组由主机和备机组成。5号空压机根据需要划分A组备和B组备两个状态,如图4所示。空压机初始状态如表1所示。表格中空压机初始状态为就地单控,A组1至4号空压机运行状态依次为主机、辅机1、辅机2、备机。B组6至7号运行状态依次为主机、备机,5号空压机默认为B组备机。
空压机启动控制如表2所示。表格中PA和PB是两个压力变送器返回给PLC的实际压力,A_P5_L和B_P5_L是5号空压机作为A组备机和B组备机分别设置启动的压力。PLC采集压力变送器返回的两个压力值PA和PB,将PA与A组主机设置的启动压力做比较,如果主机设置压力大于实际压力PA,则说明A组压力不足,启动A组空压机主机;延时一段时间,继续比较PA与辅机_1设置压力,如果辅机_1设置压力大于PA,启动A组辅机_1;同理判断是否启动A组辅机_2和A组备机。B组空压机的启动控制原理与A组相同。
当A_P5_L>PA、B_P5_L
空压机停止控制如表3所示。表格中当A_P5_H>PA B_P5_H>PB时,说明压力没有达到A组和B组的卸载压力,此时5号空压机作为B组继续备机运行。当A_P5_H>PA B_P5_H
该软冗余系统能够实现:(1)主机架电源、背板总线等冗余;(2)PLC处理器冗余;(3)PROFIBUS现场总线网络冗余(包括通讯接口、总线接头、总线电缆的冗余);(4)ET200M站的通讯接口模块IM153-2冗余。经过实际试验,主系统故障后(人为停机),备系统自动切换,同时总线及上位机也自动切换。因此一旦主系统故障并不影响系统的运行,维修人员可从容地维修主系统,主系统维修好后自动作为备系统投入工作,不会耽误生产。
4 结语
本文采用以嵌入式触摸屏上位机和PLC为核心,建立了7台空压机PLC冗余联控系统,该系统实现了PLC的电源冗余、CPU冗余、总线冗余及与上位机的工业以太网冗余和I/O模块的热拔插。当PLC软冗余系统出现特定故障时,系统通过软件冗余主备切换机制,使备站在经过主备切换时间后接替主站保持系统继续工作,避免系统停止运行;主备切换完成后,备用系统以最后一次完整的同步数据作为基础执行控制任务;但由于主备切换时间较长,在主备切换过程中系统暂时失去了控制功能,故不适合实时性要求较高的控制场合。在对切换时间要求不高的空压机控制系统中,采用本文设计的软冗余控制方案,可大大提高系统的可靠性及维护的方便性,并降低成本,保障生产的连续性,具有良好的应用推广价值。
摘要：虽然空压机一般都自带控制系统,但是当多台空压机并网运行时,则需要额外的控制器做协调。本文设计了以嵌入式触摸屏上位机和PLC为核心建立起来的7台空压机PLC冗余联控系统,从控制系统结构设计方面进行了详细的分析和论证;论述了空压机的自动联控运行的PLC程序设计方法和控制流程;实现了PLC的电源冗余、CPU冗余、总线冗余及与上位机的工业以太网冗余和I/O模块的热拔插。与传统空压机控制系统相比,有效降低了成本,并提高了系统的可靠性。
关键词：空压机,PLC,冗余控制
参考文献
[1]马伯渊,吕京梅,张志同.PLC软冗余系统性能分析[J].电力自动化谈备,2009,2.
[2]桂跃武.PLC软冗余系统在城市污水处理工程中的应用[J].现代电子技术,2010(9).
[3]王磊,李济顺,韩红彪.PLC软冗余系统在石化加热炉中的应用[J].河南科技大学学报:自然科学版,2009,10.
[4]阮龙德.PLC、变频器、触摸屏综合应用实训[M].北京:中国电力出版社,2009.
冗余型PLC 篇5
1 XGR系统
XGR系列冗余PLC产品以开放式网络、超快速处理速度、紧凑尺寸、友好界面的软件为基础,在全新的高级工程环境下进行工作,满足安全停机系统领域高可靠性的要求以及客户对网络安全的需求。
1.1 XGR PLC构成
该热风炉XGR PLC由2个容错CPU、2个安装机架、4个电源模板、2个以太网通信模板、2个串口通信模板、光纤电缆、6个I/O基站等组件构成:
(1)中央处理单元:XGR CPU采用专用的ASIC(特殊用途集成电路),运算处理速度42ns,CPU转换速度最小22ms、最大50ms,输入/输出点数最大131/072,总内存32MB。运行模式:RUN、STOP、DEBUG;重启动模式:冷启动、热启动;CPU间数据同步方法:在冗余参数设定。
(2)XGR的安装机架:采用XGR-M06P,6槽机架安装2块以太网通信模板,XGR-CPUH/F和电源模板不占用安装机架,最大可扩展31个基板。距离:光纤2km(最大扩展66km),双绞线100(最大扩展3.3km)。
(3)电源:主机电源冗余,增设基站电源冗余。电源模板的额定输入电压220VAC,输出5VDC,5.5A(主基板)。
(4)以太网通信模板:采用TCP/IP,LSIS通信协议,高速Link服务,与操作站组成以太环网。
(5)光纤电缆:用于CPU、以太网模板之间的连接。
1.2 XGR PLC组态和编程
编程软件采用XG5000,WINDOWS XP作为系统平台界面,组成计算机化的操作系统,实现人机通信。采用Infou专业SCADA监控软件,其具有实时、准确、快速定位、直观操作等优点。
1.3 CPU
主CPU和热备CPU通过光缆连接,保持事件驱动的同步程序扫描。
XGR系统第一次运行时,第一个被启动的CPU成为主CPU,另一个CPU则为热备CPU。一旦主/热备CPU确定下来,只要电源同时处于上电状态,就一直保持这种地位。主/热备CPU在下列情况中其地位会发生变化:热备CPU在主CPU之前启动;在冗余系统工作模式中主CPU处于STOP状态;在冗余系统工作模式中主CPU由于种种原因出现故障状态。
在冗余工作模式,主CPU和热备CPU都处在RUN状态,两个CPU同步执行用户程序,并相互检查。两个CPU具有相同的权力,每一个CPU既可以成为主CPU,也可以成为热备CPU。同步功能由操作系统自动完成,并不影响用户程序。
2 热风炉系统控制
2.1 软硬件配置
该热风炉控制系统对重要的PLC和操作站采用冗余设计,两套PLC有主从设置,注意同步光纤不要接反,设置好两块以太网网卡模块的实际MAC地址和IP地址,并配置好相应的远程站点。热风炉XGR冗余PLC系统硬件组态配置如图1所示。
2.2 热风炉系统的网络组态
该热风炉PLC系统分别与两台热风炉操作站、两台高炉操作站和高炉PLC系统通信,采用冗余通信方式,保障了通信系统的稳定性和可靠性。网络组态如图2所示。
编制热风炉控制程序并测试后,将程序下载至冗余PLC内,一般选择主PLC的MAC地址进行下载,下载完成后无需人工干预,两个冗余PLC会自动完成同步工作。
2.3 热风炉的控制过程
一套热风炉系统包括3座热风炉,每座热风炉都含有焖炉、燃烧、送风3种工作状态。3座热风炉采用两烧一送单炉送风工作制,要求在换炉过程中,不允许有中断送风的情况出现。总的运行切换过程为:燃烧→焖炉→送风→焖炉→燃烧。
在热风炉的操作中最基本的工作过程是换炉。换炉时应保证整个热风炉系统不间断地向高炉送风,应尽量减小送入高炉的风量、风压的波动。
2.3.1 系统状态
每个热风炉都有11个开关阀,与燃烧有关的阀共有8个:废气均压阀、1#烟道阀、2#烟道阀、煤气切断阀、煤气燃烧阀、煤气放散阀、空气燃烧阀、氮气吹扫阀;与送风有关的阀有3个:冷风均压阀、冷风阀、热风阀。3种工作状态说明:
(1)焖炉状态:8个燃烧阀只有煤气放散阀开到位,其余7个阀都是关到位。
(2)燃烧状态:废气均压阀、煤气放散阀、氮气吹扫阀关到位;1#烟道阀、2#烟道阀、煤气切断阀、煤气燃烧阀、空气燃烧阀开到位。
(3)送风状态:冷风均压阀关到位;冷风阀、热风阀开到位。
热风炉操作画面如图3所示,1#、2#、3#分别对应3座热风炉,选择的控制方式为单机画面控制。
2.3.2 操作控制方式
热风炉操作分为手动、自动和半自动3种控制方式,其中“手动”方式又分为联锁和解锁两种模式。
手动模式下,在解锁状态,可任意开关阀门;在联锁状态,按照燃烧或焖炉或送风的顺序依次打开各阀门。
单炉自动模式下,单击相应的燃烧按钮或焖炉按钮或送风按钮,程序严格按照燃烧或焖炉或送风的顺序依次开关各阀门。
半自动模式下,单击相应的燃烧按钮或焖炉按钮或送风按钮,程序严格按照燃烧或焖炉或送风的顺序依次开关各阀门。若只有1个炉在送风状态,则当前送风的热风炉不能转为焖炉或燃烧,只有其他炉进入送风时,才可以进行焖炉或燃烧。
正常操作时,以半自动为主,特殊情况下,改为画面手动。
自动情况下,各操作阀严格按照规定的动作顺序进行动作。各过程的动作顺序:
(1)焖炉自动转燃烧:废气均压阀打开;均好压后,1#烟道阀打开;2#烟道阀打开;废气均压阀关闭;煤气放散阀关;氮气球阀打开,吹扫30s;氮气球阀关阀;助燃空气燃烧阀打开;煤气燃烧阀打开;煤气切断阀打开。
(2)燃烧自动转焖炉:煤气切断阀关闭;煤气燃烧阀关闭;煤气放散阀打开;氮气球阀打开,吹扫30s;氮气球阀关阀;助燃空气燃烧阀关闭;1#烟道阀关闭;2#烟道阀关闭。
(3)焖炉自动转送风:冷风均压阀打开;均好压后,冷风阀打开;冷风均压阀关闭;热风阀打开。
(4)送风自动转焖炉:冷风阀阀门关闭;热风阀阀门关闭。进行此操作,其余两个热风炉中的任意一个处于送风状态,否则此动作无效。
除了3个热风炉自身的33个阀门外,其余的都被归类到公共阀门控制。公共阀门只有液压站上的加热器和电磁水阀有手动、自动两种控制方式,其余的只有手动控制。
2.3.3 阀门故障时间设定
在画面上进行“阀门故障时间设定”,若手动或自动操作阀时间超过“阀门故障时间设定”时,阀的信号输出被断开,伴有阀故障报警。若想再进行阀开关操作,必须在画面上进行故障复位。另外,若阀的开到位和关到位信号同时返回,同样会引起阀故障报警,这时也需要对阀的故障进行复位。
2.3.4 报警控制
重要的安全报警有:热风炉诸多温度报警、高炉煤气和助燃空气压力报警、冷却水压力报警、液压站相关油温和液位报警等。当相关报警出现时,画面下部的报警按钮闪烁,点报警按钮切换到报警画面时闪烁被取消;当又有新的相关报警出现时,画面下部的报警按钮又再闪烁。
3 结语
冗余型PLC 篇6
关键词：软冗余,主备切换,可编程控制器,工业自动化
在工业自动化生产过程中, 为确保生产系统能长时间连续、稳定运行, 通常应用可编程逻辑控制器PLC, 把其作为系统控制器, 并以此为基础, 构建PLC软冗余系统, 以便有效提高工业自动化系统生产过程的可靠性。
1 PLC软冗余的原理及系统结构分析
常用PLC软冗余系统构成见图l。在系统运行过程中, 两个CPU同时启动, 但是, 只有主CPU模块执行系统控制命令, 备用CPU模块实时对主用CPU模块运行状态进行检测, 一旦主用CPU模块出现故障, 备用模块随时接替它进行工作。同主CPU进行通信的是IM153-2 模块, 其始终处于激活状态, 以便主CPU模块能对I/O模块进行访问。一旦系统出现故障, 可实现主备的切换, 备站可以及时接替主站, 继续运行。
就PLC软冗余系统而言, 为了实现软冗余的各项功能, 必须在程序中调用冗余软件包功能模块, 如初始化FC100模块, 对故障进行判断及实现主备切换的FC102 模块, 数据发送与接收FB103 模块等。在PLC软冗余系统各执行周期中, 系统先调用FB101 模块, 对该模块数据进行接收, 以便掌握备用系统运行状态, 并执行冗余程序, 再对FB101模块进行调用, 将所需信息传送至备用系统, 备用系统对该模块信息进行接收。对主系统运行状态进行分析, 并将备用系统的运行状态直接传送至主系统。FB101 是实现冗余功能最为关键的模块, 该模块执行过程中, 要对主备用系统进行分析, 并负责数据的发送与接收。
2 PLC软冗余系统在工业自动化生产中的应用
2.1 系统的实现目标
本文以工业废油再生自动化生产系统为例, 就PLC软冗余系统的应用进行分析。在该系统中, PLC软冗余系统的控制要点如下:第一, 对废油预处理后进入再生装置中的流量进行有效控制;第二, 对输出流量的稳定性进行有效控制。在设计中, 除采用高可靠性PLC作为关键控制器以外, 还必须进行PLC软冗余系统的构建, 以保障自动化生产系统运行过程的可靠性、稳定性。
2.2 系统的硬件组成
系统硬件包括两方面:一是以CPU为核心的PLC电机调速控制系统, 利用双CPU, 有效实现系统的冗余控制;二是以CPU为核心的转速测量控制系统, 对PLC冗余系统能否实现自动化切换进行验证, 结合电机的运行曲线, 对电机转速稳定与否进行判断。主备系统之间的CPU采用的是MPI通讯方式, 主、备站间利用的是Profibus通讯。
2.3 系统软件程序设计
PLC软冗余系统软件程序设计主要包括两方面:一是硬件组态构建、冗余程序设计。对硬件组态的构建而言, 结合PLC及各模块型号, 构建两套相同主备系统。系统运行过程中, 上位机同的PLC间需展开数据交换。因此, 首先需对模块的地址加以编程和分配, 利用STEP 7 软件, 对硬件组态进行编程, 具体而言, 包括如下: (1) 利用STEP7 软件, 构建新项目, 出现初始组态窗口, 其中, 组态窗口的左侧为项目图标, 可插入新对象SIMATIC 300 站点; (2) 在菜单栏中, 点击“选项”, 点击“设置PG/PC”, 选择上位机、PLC间的通讯方式, 选为TCP/IP; (3) 进行组态搭建。分别针对冗余系统中的主备系统展开硬件组态构建。两个系统组态的构建, 具有不同的MPI通讯地址, 其他相同, 先于导轨1 号槽中, 进行电源模块地插入, 于2 号槽中, 进行CPU模块地插入, 并对地址、上位机间通信方式进行设定; (4) 选择PROFIBUS总线, 作为远程I/O与CPU之间的基本通信方式, 设定通信参数, 并在PROFIBUS DP中挂I/O模块; (5) 硬件组态构建完成后, 还需实现同PLC的有效通讯, 以便检查组态科学与否。点“保存和编译”和“下载”, 选择所用PLC屏上CPU型号一致的CPU, 并确认; (6) 备用系统的硬件组态在地址设置方面存在差别, 通讯网络配置主要包括主、从站的PROFIBUS、备用系统与备站PROFIBUS、主备系统间MPI通讯链路三部分。本文对2 条主从通讯PROFIBUS-DP地址进行设置, 设为2;设置IM153-2 地址为3;就主系统CPU而言, 实现数据同步的地址设为2, 备系统MPI地址设为4。
在利用冗余包功能模块进行冗余程序设计时, 对主系统而言, 先进行故障中断组织模块地插入, 分别包括主备站通信出错与调用OB86, 暖启动初始化OB100、终端模块OB35;针对OB100 程序进行编制时, 需对冗余包中的FC100进行调用, 对系统配置信息及同步信息进行设置, 对OB35进行程序设计时, 所编写程序大致如下:
就OB86 中对FC102 模块进行调用, 以便对故障进行诊断。
当主站程序设计结束后, 需对备站进行编程, 可将主站Blocks模块拷至备站;并对OB100 参数进行修改。程序设计结束后, 将程序下载至PLC中, 对系统软冗余功能是否实现进行验证。通过主备系统CPU的有效切换, 保障PLC参数的恒定, 确保其在电机切换中稳定运行。
3 结语
本文将PLC软冗余系统应用于工业自动化控制系统中, 利用组态硬件及冗余程序的设计, 有效实现了系统切换, 保障了工业自动化生产中的稳定运转, 极大地提高了机组的自动化水平, 减轻了运行操作人员的工作负担, 提高了机组运行的可靠性。
参考文献
[1]桂跃武.PLC:软兀余系统在城市污水处理工程中的应用[J].现代电子技术, 2010, (9) :205-207.
冗余型PLC 篇7
随着企业的不断扩大和对产品质量要求的不断提高,莱钢于2006年底新上一座120吨RH精炼炉来对钢水进行净化处理,从而提高钢水的品质,为提高企业竞争力打下基础。RH(即真空循环脱气)系统设备是一种用于生产优质钢的钢水二次精炼工艺装备。整个钢水冶金反应是在砌有耐火衬的真空槽内进行的。真空槽的下部是两个带耐火衬的浸渍管,上部装有热弯管。被抽气体由热弯管经气体冷却器至真空泵系统排到厂房外。
钢水处理前,先将浸渍管浸入待处理的钢包钢水中。当真空槽抽真空时,钢水表面的大气压力迫使钢水从浸渍管流入真空槽内。(真空槽内大约0.67 mbar时可使钢水上升1.48m高度)。与真空槽连通的两个浸渍管,一个为上升管,一个为下降管。由于上升管不断向钢液吹入氩气,相对没有吹氩的下降管产生了一个较高的静压差,使钢水从上升管进入并通过真空槽下部流向下降管,如此不断循环反复。在真空状态下,流经真空槽钢水中的氩气、氢气、一氧化碳等气体在钢液循环过程中被抽走。同时,进入真空槽内的钢水还进行一系列的冶金反应,比如碳氧反应等如此循环脱气精炼使钢液得到净化。RH工艺流程可用图1所示。
1 系统配置
1.1 网络结构
系统网络包括基础级和管理级网络。基础级包括两台相互冗余的服务器、一台工程站和两台客户端,服务器为双网卡,一个网卡与PLC冗余系统进行数据交换,另一个网卡与客户端进行实时通讯。管理级包括一台服务器和两台客户端,基础级与管理级之间采用OPC通讯技术进行数据的实时交换。既保证了通讯的实时性、可靠性,又保证了系统之间的安全性隔离。网络结构示意图如图2所示。
1.2 硬件配置
管理级主要采用C/S模式,即服务器客户端形式。通过OPC技术和基础级系统完成包括成分传输、计划下达等数据的通讯。服务器采用IBM工业用服务器,性能稳定可靠,最大限度满足生产的需求。
基础级系统由2套西门子系列PLC控制器S7-400H,20套ET200远程站组成,控制器与ET200远程站点之间采用PROFIBUS-DP现场总线方式进行数据传输和通讯。监控系统采用西门子监控软件Win CC进行画面编制,与PLC采用TCP/IP协议进行实时通讯。图3所示为一个控制站的PLC系统硬件配置示意图。
2 系统功能
RH精炼炉设备主要包括几个部分部分:钢包台车系统、测温取样及破渣枪系统、喂丝及吹氩搅拌系统、真空槽台车系统、液压系统、真空槽环流系统、真空排气系统、顶枪系统、预热系统、合金系统以及离线烘烤等系统,由于系统比较多,根据控制要求和最大限度的满足生产需要,将这些设备分别由两套分贝相互冗余的控制站进行控制,具体功能如下。
2.1 1#控制站
1#控制站主要控制的设备以及功能:钢包台车行走以及升降、破渣枪升降、保温剂控制、真空槽控制及真空槽环流等。
2.1.1钢包台车控制
钢包台车的行走由变频器进行驱动,变频器与PLC之间通过PROFIBUS-DP总线进行通讯,控制速度快,精度高。而钢包台车的升降控制是靠液压系统控制来完成的。
2.1.2破渣枪
该设备有双向直接启动电机进行驱动,使得设备在正反两个方向都可运动,2个上限和下限监控破渣枪的行程范围,上极限和下极限保证了设备的使用安全。
2.1.3保温剂控制
保温剂的投入量由PLC程序自动进行设定,需要投入的时候,满足条件自动打开闸板阀,而达到设定值后,闸板阀自动关闭。
2.1.4真空槽控制
真空槽台车走行是由两台变频进行驱动,同钢包台车一样,变频器与P L C之间也是通过PROFIBUS-DP总线进行通讯。
2.1.5真空环流气体
环流气体是在真空脱气过程中,从浸渍管吹入氮气或氩气,驱动钢水的环流。在非脱气处理的时候,氮气或氩气作为保护气体用。氮气、氩气的选择切换应相互连锁。浸渍管环流气体分氮气和氩气两种,针对不同情况选择不同的气体。同时在处理的不同阶段应有不同的流量控制。控制模式分为计算机模式、自动模式和手动模式。正常生产情况下用计算机模式进行环流气体的切换和调节。
2.2 2#控制站
2#控制站用于合金系统、顶枪系统和预热枪系统等设备的控制。
2.2.1合金系统
合金系统控制功能包括:高位料仓料位检测和下料控制,称量料斗重量检测和控制,合金真空料斗压力检测和破真空控制、进料和出料控制,碳真空料斗料位检测和控制,铝真空料斗重量检测和控制,合金投入控制。
2.2.2顶枪、预热枪系统
系统设有两套顶枪和两套预热枪系统,分别完全独立控制。顶枪装置安装在处理工位,真空槽的上部,枪体通过热弯管上的枪孔进入真空槽。顶枪装置具有吹氧脱碳、化学加热和喷吹燃气对真空槽的加热功能。顶枪装置在真空处理的间隔或在处理期间进行加热作业,使槽内耐火材料能保持较高的温度,以减少冷钢的粘附,也可降低处理后钢业的温度损失。
3 技术特色与技术创新点
3.1 高精度的全数字交流传动技术
在该项目中我们采用了西门子70系列变频器,变频器与PLC控制系统之间通过PROFIBUS-DP现场总线网络进行数据传输和通讯,减少了电缆的敷设,并提高了信号传输的速率,使得变频器的控制更加精确可靠。
3.2 高速以太环网通讯技术
控制器之间、控制器与监控站之间、监控站之间、服务器与客户机之间都采用光纤以太环网通讯,环网中的一个节点损坏,不影响整个系统的数据通讯,满足了系统的高可靠性要求,高速的数据传输满足了控制器之间数据交换的要求。
3.3 冗余CPU的使用
采用某公司S7-400H冗余系统,极大降低了由于PLC自身故障引导致影响生产的可能性。
3.4 动画模拟
通过数据库组态、C脚本的开发应用,使得能够在主控室监控画面上显示精炼炉各设备的运行情况,实时模拟现场设备的运行状态,既真实反映了设备当前的工作状况,又给枯燥、单调的工作增添了不少的活力。
3.5 分布式网络的应用
根据现场的实际需求,充分利用了分布式网络的特点和远程站的优点,减少了电缆的敷设,方便了维护和检修,降低了维护的工作量。
3.6 OPC通讯技术的应用
3.6.1 RH精炼与LF精炼系统的通讯
由于RH精炼炉和LF炉共用一套合金加料系统,这样就需要在LF和RH精炼炉之间做通讯,以保证两套设备和系统计能够正常生产又能够互不影响。考虑到数据通讯的可靠性和易操作性,根据现场实际情况,我们采用了OPC通讯技术,在原来的基础上进行了网络和设备改造,并在两套采用WINCC监控系统之间利用OPC通讯方式进行实时数据通讯,使合金加料部分可以在两套系统中应用,确保了LF和RH系统的及时准确加料和正常生产,节约了成本,提高了生产效率。
3.6.2基础级与管理级之间的通讯
在基础级(一级)和管理级(二级)之间也采用了OPC通讯技术,使得数据传输准确快速,极大提高了系统的稳定性,完全具备了免维护功能。
3.7 管控分开
管理网与工控网实现“管控分开”,管理网与莱钢骨干网直接相连进行通讯,通过防火墙与和现场生产网络系统进行实时数据的交换,这样既确保了数据的快速传输,也保证了整个系统的安全,并为下一步实施的远程控制和维护打下了良好的基础。
4 应用效果
RH精炼炉系统经过两年的运行,设备运行安全稳定可靠,确保了生产的顺行,取得了极好的经济效益,为莱钢提升自身实力和行业竞争力打下了坚实的基础。该冗余系统具有一定的扩展功能,在本行业及其他相关行业具有很高的推广价值。
参考文献