S7-400軟件冗余在水處理自動控制系統中的應用

　　[摘要]基于PLC的過程控制，使用軟件冗余控制系統，雙CPU通過以太網進行數據交換通訊，檢查數據通訊及遠程IO通訊，系統運行過程中出現故障可及時切換CPU。應用表明，人機界面的以太網通訊和數據交換通訊可同時進行，實現CPU的自動切換，保證系統可靠運行。
　　[關鍵詞]軟件冗余；自動控制；水處理
　　[中圖分類號]TP29
　　[文獻標識碼]A
　　[文章編號]1005-6432(2009)52-0061-02
　　
　　1　引言
　　
　　改革開放以來，我國引進了國際上較為先進的自動化控制理念和技術，經過10多年的努力，以PLC構成的監控系統已成為自動化的主流。采用以PLC為核心的工藝過程自動監控系統，對所有泵、閥和排水設備實現編程控制，根據工藝要求可以實時控制高、低壓水泵、閥門、冷卻塔風機等設備的連鎖動作，使水的流量、壓力、溫度滿足工業用水要求，以達到自動控制水處理過程的目的。
　　
　　2　系統描述
　　
　　本系統的UPS電源柜和PLC控制柜安裝于循環泵站操作員室內，使用兩臺工業計算機做畫面監控；該系統主要由以下幾個工藝流程組成：凈環水系統、濁環水系統、10kV高壓泵組、軟水站、過濾間等。由于該水系統為煉鋼系統中重要的輔助設備，主要用于煉鋼系統的設備冷卻，其冷卻效果的好壞將直接影響煉鋼質量，況且該大型水系統需要保證3個爐子的正常生產，雖然工藝簡單，其中每個系統的工藝流程原理幾乎相同，但其安全保護的作用十分重要，稍有設備故障隨時可能導致煉鋼系統停產，因此。該水處理的控制系統運用了雙CPU的軟件冗余控制。
　　
　　3　系統硬件
　　
　　3.1　PLC控制系統
　　根據系統工作需要，PLC采用西門子S7-400系列可編程控制器來構建控制系統，選用兩塊416-2DP的CPU，通過編程的方式，主工作站和備用工作站通過以太網模塊進行數據信息的傳遞，實現雙機熱備冗余系統；運用CPU上的DP接口連接23個ET200M遠程I/O站，控制器與ET200M的通訊方式采用Profibus-DP冗余網連接，ET200M中選用IM153-2接口模塊，其中1#-4#遠程機架連接的I/O為模擬信號和設備控制信號點，5#-23#為現場安裝的操作箱；現場需要控制的設備數量為90多臺，數量大，使用Profibus-DP的方式連接現場的操作箱，不僅使施工和調試工作量減少，而且有利于今后的維護和檢修。
　　S7-400機架上的電源為交流220V，其余的I/O模塊和ET200M通訊接口模塊都使用直流24V，在1#-4#遠程機架連接的I/O模塊中，3個8點RTD模塊，13個8點AI模塊，9個32點DI，4個32點DO；5#～23#遠程機架配置的模塊相對少些，每個操作箱都分別配1個16點DI，1個8點DO和1個4點AO，供機旁操作使用。
　　
　　3.2　監控站
　　監控站使用研華工業控制計算機和西門子的監控軟件WinCC V6.0，實現整個系統的工藝流程、設備運行狀態的顯示和監控、實時趨勢和歷史趨勢、報警等功能，兩臺上位監控計算機所運行的畫面完全相同，保證系統的可靠性，其中一臺出現故障并不會對監控系統造成影響。
　　
　　4　自動化軟件設計
　　
　　該水處理自動化控制系統的軟件包括上位機、下位機兩個部分。
　　
　　4.1　下位機軟件設計
　　下位機采用西門子公司開發的STEP7 V5.4軟件對PLC進行組態配置和編程。
　　該項目需要通過編程的方式實現雙機熱備，通過學習西門子公司提供的軟件冗余資料，在組織塊O835和OB100里根據實際情況進行相應的參數設置，即能實現該功能，實現CPU的自動切換，保證系統可靠運行。
　　編程主要包括模擬信號的獲取與處理、建立FC功能塊(相同控制原理的設備可同時調用該功能塊)和相應的DB數據塊、通過FB調用FC實現具體的控制功能，并將數據存到指定的DB數據塊中。這種功能的廣泛應用，節約了大量的程序空間和故障查詢時間，降低了編寫程序的復雜程度，使程序結構條理更清晰。
　　
　　4.2　上位機軟件設計
　　為保證計算機系統的穩定，上位機安裝Windows 2000，HMI軟件為西門子公司的監控軟件WinCC V6.2，上位機上能顯示各個管道上的溫度、壓力、流量的實時數據，并且將重要數據記錄為可查詢的歷史趨勢，可設置需要報警的點，通過聲光報警的方式提示操作人員，并將每個報警加入報警記錄。
　　各個受控設備都有指定顏色來指明該設備當前狀態，并在點擊該設備彈出的操作畫面上也有文本顯示該設備的當前狀態。
　　對具有相同操作方式的設備，我們只做一個彈出操作畫面，通過設置標簽組的方式實現當點擊具體的某臺設備時彈出的操作畫面就是操作這臺設備的，彈出畫面的標題欄寫明當前所操作的設備的名稱。
　　該功能的實現，大大減少了畫面的數量，提高了畫面切換時的響應速度，使開發該監控畫面的工作量大大減少，維護和修改該監控畫面變得非常方便和簡單。
　　
　　5　實現的功能
　　
　　泵站內所有設備都有“集中”和“機旁”兩種操作方式，在“集中”操作的時候，計算機上可選擇“手動”和“自動”兩種模式。在“機旁”或“集中”操作時，所有的連鎖和投備關系即使滿足條件都不會進行保護動作；只能是在“集中”操作時，并且上位將操作模式設為“自動”，則連鎖和投備關系滿足條件時會進行相應的動作，保證系統在正常工況下運行；而當有設備故障時，有聲光報警提示。①在一用一備或兩用一備的泵組中，當泵堵轉或過載熱繼跳閘時實現了備用設備自投功能。②冷卻塔風機根據回水溫度自動切換高速旋轉或低速旋轉，在達到冷卻效果保證正常生產的同時，盡可能地為酒鋼節省能源。③排污泵組在設置的水位上限自動啟動，到達設置的水位下限自動停止，實現了自動排污功能。這些功能的實現無形中提高了操作人員的勞動生產率，減輕了操作人員的工作量。
　　
　　參考文獻：
　　[1]西門子(中國)有限公司自動化與驅動集團深入淺出西門子WinCC V6.0[Z].北京：北京航空航天大學出版社，2004(5).
　　[2]于慶廣.可編程序控制器原理及系統設計[M].北京：清華大學出版社，200