西門子PLC冗余系統(tǒng)在鍋爐保護(hù)中的應(yīng)用

霍銳，王敦坤

（1.湖北工業(yè)大學(xué)，武漢 430068；2.徐州燃控科技股份有限公司，江蘇 徐州 221004）

0 引言

鍋爐保護(hù)系統(tǒng)FSSS是鍋爐安全運(yùn)行必不可少的控制系統(tǒng)，它時(shí)刻監(jiān)控著燃燒器系統(tǒng)的各種運(yùn)行參數(shù)和報(bào)警信息，通過聯(lián)鎖邏輯分析，完成必要?jiǎng)幼鳎员Ｗo(hù)鍋爐運(yùn)行的安全。由于FSSS系統(tǒng)是鍋爐非常重要的保護(hù)系統(tǒng)，在鍋爐運(yùn)行過程中如果信號(hào)檢測出現(xiàn)偏差或者程序運(yùn)行響應(yīng)遲緩，都可能引起更加嚴(yán)重的事故發(fā)生，所以在保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段有限考慮冗余配置。針對(duì)國內(nèi)大型鍋爐，F(xiàn)SSS系統(tǒng)基本上已經(jīng)通過分散控制系統(tǒng)（DCS）來完成了，在機(jī)組信息控制管理集成化方面已經(jīng)取得了滿意的應(yīng)用業(yè)績。但是采用DCS完成系統(tǒng)改造的前提是需要投入很大數(shù)額的資金才可以實(shí)現(xiàn)。針對(duì)中小企業(yè)，對(duì)于進(jìn)行DCS改造所需的少則幾十萬多則上千萬的設(shè)備改造投資成本來說，顯然是有很大困難的。因此，采用價(jià)格比較低廉的PLC來完成保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，顯然是非常經(jīng)濟(jì)可行的。

某項(xiàng)目用戶在鍋爐大修中進(jìn)行了保護(hù)系統(tǒng)升級(jí)，選用了西門子300PLC，通過冗余系統(tǒng)配置完成了技術(shù)改造。系統(tǒng)改造后有效地保證了鍋爐安全可靠運(yùn)行。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用實(shí)例，本文就該控制系統(tǒng)的軟件和硬件構(gòu)成進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

1 配置方面

S7315-2DP冗余配置是一種被業(yè)界普遍認(rèn)可的PLC控制方案。該種配置方案具有硬件投資成本少，容易組態(tài)及編程，性能靈活可靠的特點(diǎn)，并且其安全性和穩(wěn)定性能完全滿足系統(tǒng)改造要求。要完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要滿足以下軟件和硬件配置[1,2,4]：

1）1套STEP7（V5.4或更高版本）編程軟件，并且需配置軟冗余軟件包。

2）2套CPU315-2DP單元。

3）2套CP343以太網(wǎng)模塊。

4）1套ET200M擴(kuò)展機(jī)架和相應(yīng)的I/O模塊。

5）3套電源模塊，為主機(jī)架和擴(kuò)展機(jī)架供電。

6）需要建立的通訊連接網(wǎng)絡(luò)：MPI網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)編程和調(diào)試；DP網(wǎng)絡(luò)1用于主站與擴(kuò)展從站的數(shù)據(jù)傳輸；DP網(wǎng)絡(luò)2用于備用站與擴(kuò)展從站的數(shù)據(jù)傳輸；以太網(wǎng)網(wǎng)路用于支持主站與備用站的數(shù)據(jù)交換。

硬件回路組態(tài)配置見圖1。

冗余系統(tǒng)由兩套完全相同的PLC系統(tǒng)組成，默認(rèn)為一主一備。當(dāng)主站中的某些組件報(bào)錯(cuò)或者操作員手動(dòng)強(qiáng)制切換時(shí)，系統(tǒng)指令會(huì)自動(dòng)切換到備用站中執(zhí)行，備用站則反客為主成為主運(yùn)行系統(tǒng)，即整個(gè)站上的模塊的整體切換[3,5]。

圖1 PLC硬件組態(tài)圖Fig.1 PLC hardware configuration diagram

圖2 冗余系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Redundant system network structure

主站和備用站的CPU是通過CP343以太網(wǎng)模塊以及工業(yè)交換機(jī)組成的小型網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)交換的，他們各自設(shè)立了獨(dú)立的現(xiàn)場總線完成與I/O卡件的數(shù)據(jù)傳輸。基于硬件配置的特點(diǎn)，此系統(tǒng)必須采用有源總線底板模塊完成從站I/O組態(tài)。

2 工作方式

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，在冗余工作模式下，PLC的主站系統(tǒng)和備用站系統(tǒng)均處于正常運(yùn)行模式下，兩套PLC的硬件配置相互獨(dú)立運(yùn)行互不影響，但是PLC的程序執(zhí)行則由主系統(tǒng)的CPU實(shí)現(xiàn)進(jìn)行控制。主站和備用站中的程序都包含冗余程序和非冗余程序，但是主站可以完成全部的程序執(zhí)行任務(wù)，備用站僅僅負(fù)責(zé)完成非冗余程序的運(yùn)行和處理[6]。

由于系統(tǒng)采用了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模式，主站CPU將數(shù)據(jù)同步到備用站CPU所執(zhí)行程序掃描循環(huán)過程僅僅用時(shí)100ms就完成了。由此可見，針對(duì)小型鍋爐的安全運(yùn)行需求，采用西門300PLC冗余系統(tǒng)配置完全可以保證鍋爐保護(hù)系統(tǒng)的安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

3 上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目上位機(jī)由工控主機(jī)系統(tǒng)和工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組成。以太網(wǎng)交換機(jī)既保證了主站和備用站的數(shù)據(jù)交換，又實(shí)現(xiàn)了PLC與工控機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。工控機(jī)中安裝了西門子300編程軟件SIMATIC Manager和操作畫面組態(tài)軟件Wincc，通過管理員權(quán)限分配，可以為不同操作員設(shè)定不同的操作權(quán)限和功能。

3.1 冗余程序的組態(tài)與設(shè)計(jì)

在工控機(jī)上應(yīng)安裝完前述章節(jié)提到的相關(guān)軟件并完成軟件的授權(quán)管理。具體的組態(tài)過程如下[1,3]：

1）在PLC編程軟件的硬件組態(tài)模式頁面，需要插入兩個(gè)S7-300工作站，組態(tài)兩套CPU。對(duì)兩套CPU建立各自的Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，速率設(shè)置為默認(rèn)值1.5M，他們的站地址需要設(shè)置為相同值，默認(rèn)值為2，DP站設(shè)置為默認(rèn)Master模式。

2）之后分別建立以太網(wǎng)CP343的參數(shù)設(shè)置。在設(shè)置參數(shù)前首先需要配置好同步鏈路，然后再為他們分別設(shè)置不同的MPI地址，并分配各自不同的以太網(wǎng)通訊接口地址，包括 MAC地址、IP地址， 以太網(wǎng)模塊硬件地址。

3）在主站和備用站中各自插入一個(gè)ET200從站包括IM153-2模塊和I/O模板，DP的地址設(shè)為相同。

4）存盤編譯網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，即生成系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

可見，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中包括了4條鏈路：MPI鏈路；主站與從站鏈路；備用站與從站鏈路；主站和備用站間的Ethernet鏈路。

5）程序運(yùn)行離不開各模塊之間的協(xié)調(diào)工作，需要在主站中建立如下模塊，才能保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

OB1：它是程序循環(huán)組織模塊，可以調(diào)用FB、SFB、FC等程序，并使他們循環(huán)執(zhí)行。

OB35：它是循環(huán)中斷組織模塊，時(shí)間間隔可以自由設(shè)定，最小時(shí)間間隔不能小于55ms。

OB80：它是故障中斷組織模塊，本模塊具有處理時(shí)間故障后的重新運(yùn)行等功能，當(dāng)冗余系統(tǒng)切換時(shí)間超時(shí)時(shí)，調(diào)用該塊。

OB82：它是故障中斷組織模塊，本模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測擴(kuò)展從站上的模塊狀態(tài)，當(dāng)有部件出錯(cuò)報(bào)警，該模塊負(fù)責(zé)發(fā)出報(bào)錯(cuò)信息；如果程序中沒有創(chuàng)建本模塊，CPU進(jìn)入停止模式。

OB83：它是故障中斷組織模塊，當(dāng)從站與主站被斷開或恢復(fù)連接后會(huì)自動(dòng)調(diào)用本模塊進(jìn)行報(bào)警；如果程序中沒有創(chuàng)建本模塊，CPU進(jìn)入停止模式。

OB85：它是故障中斷組織模塊，當(dāng)程序運(yùn)行出現(xiàn)故障系統(tǒng)會(huì)調(diào)用該模塊發(fā)出報(bào)警信息；如果程序中沒有創(chuàng)建本模塊，CPU進(jìn)入停止模式。

OB86：它是故障中斷組織模塊，當(dāng)主站與從站在數(shù)據(jù)傳輸過程中出錯(cuò)時(shí)調(diào)用該模塊進(jìn)行報(bào)警處理；如果程序中沒有創(chuàng)建本模塊，CPU進(jìn)入停止模式。

OB87：它是故障中斷組織模塊，當(dāng)出現(xiàn)MPI通訊或者其他通訊過程中的數(shù)據(jù)同步出錯(cuò)時(shí)，會(huì)發(fā)出報(bào)警信息；如果程序中沒有創(chuàng)建本模塊，CPU進(jìn)入停止模式。

OB100：它是啟動(dòng)中斷組織模塊，用于處理CPU暖啟動(dòng)事件。

6）在暖啟動(dòng)調(diào)用程序塊OB100中調(diào)用FC100函數(shù)進(jìn)行軟冗余部分?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)的初始化。西門子300運(yùn)行時(shí)時(shí)鐘掃描周期為每次100ms，可以最大同步8k Bytes數(shù)據(jù)量。在FB101塊中封裝了冗余功能的程序段，因此需要在OB35里調(diào)用FB101功能塊，實(shí)現(xiàn)冗余功能。冗余程序編制時(shí)，需要在程序中建立數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，并需要為臨時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存處理，本案中使用了DB50數(shù)據(jù)模塊作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)塊， 并為其分配了MW6和MW8用于臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

OB1中程序如下：

程序?qū)崿F(xiàn)冗余切換時(shí)執(zhí)行以下語句：

當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行程序時(shí)，備用站會(huì)自動(dòng)繞過冗余程序語句，并在跳轉(zhuǎn)程序塊執(zhí)行前調(diào)入實(shí)際需要運(yùn)行的程序段，該段需要運(yùn)行的程序段即為冗余程序段。

7）冗余數(shù)據(jù)的交換程序語句：

本段程序用來調(diào)用函數(shù)模塊FB101,并實(shí)時(shí)接收和發(fā)送冗余段的所有數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)CPU狀態(tài)位為FALSE時(shí)，則表示當(dāng)前CPU不是主站，系統(tǒng)立即停止冗余程序段的執(zhí)行。

8）故障診斷程序語句

在OB86模塊中完成FC102的調(diào)用程序，主要用來判斷總線的故障狀態(tài)信息。如果DP總線出現(xiàn)故障信息，本功能模塊則會(huì)發(fā)出詳細(xì)的故障診斷信息。

3.2 WINCC組態(tài)畫面的設(shè)置

若要實(shí)現(xiàn)與PLC的數(shù)據(jù)通訊，需要對(duì)TCP/IP完成參數(shù)設(shè)置和變量的建立工作[1]。由于WINCC支持腳本生成功能，所以工程師可以通過動(dòng)態(tài)向?qū)гO(shè)置完成這些代碼語句的調(diào)試工作。根據(jù)主站和備用站上的CP343以太網(wǎng)模塊設(shè)置好的IP地址，在自動(dòng)生成的腳本語句中完成通訊地址的對(duì)應(yīng)設(shè)置。本案的主站IP地址為192.168.0.21，已經(jīng)在TCP/IP選項(xiàng)中配置好，備用站地址為192.168.0.22，需要在腳本語句中設(shè)置，語句如下[7]：

WINCC上位機(jī)軟件的程序工作時(shí)，會(huì)將主站和備用站的CPU內(nèi)運(yùn)行的狀態(tài)字讀出來，然后將主站CPU上變量信息連接到相應(yīng)的顯示和操作控件上。當(dāng)主站和備用站CPU因故發(fā)生主備系統(tǒng)切換時(shí)，上位機(jī)會(huì)自動(dòng)完成相應(yīng)IP地址的互換指令，保證合理操作畫面上的相關(guān)數(shù)據(jù)的有效統(tǒng)一，完成必要參數(shù)的連續(xù)監(jiān)控。

4 鍋爐FSSS運(yùn)行情況

鍋爐在投入運(yùn)行之前，需要檢測送風(fēng)機(jī)運(yùn)行信號(hào)、引風(fēng)機(jī)運(yùn)行信號(hào)、所有燃料閥門的關(guān)閉信號(hào)、汽包水位正常信號(hào)，并且還要確認(rèn)其他各種報(bào)警信號(hào)是否已經(jīng)消除。滿足全爐膛吹掃條件后，就可以完成為期5分鐘的全爐膛吹掃過程，以保證爐膛完成足夠的新鮮空氣的置換過程。全爐膛吹掃成功后，才可以根據(jù)運(yùn)行工藝要求進(jìn)入鍋爐的點(diǎn)火過程。真正考驗(yàn)鍋爐FSSS保護(hù)功能的還是主燃料跳閘信號(hào)監(jiān)測和MFT動(dòng)作輸出的及時(shí)性。當(dāng)出現(xiàn)引起危害鍋爐安全運(yùn)行的信號(hào)時(shí)，F(xiàn)SSS系統(tǒng)應(yīng)果斷發(fā)出鍋爐主燃料跳閘指令MFT（Master Fuel Trip）信號(hào)，并迅速切斷所有燃料閥門，阻止任何燃料進(jìn)入爐膛，同時(shí)將最先引起MFT的原因信號(hào)記錄下來，第一時(shí)間將其傳送到光字牌報(bào)警顯示。能引起MFT跳閘的信號(hào)主要有送風(fēng)機(jī)停止信號(hào)、引風(fēng)機(jī)停止信號(hào)、爐膛壓力過高、爐膛壓力過低、汽包水位過高、汽包水位過低、燃料中斷、全爐膛熄火以及緊急停車等。經(jīng)過一年多的系統(tǒng)運(yùn)行，鍋爐保護(hù)系統(tǒng)的所有邏輯和功能運(yùn)行正常，數(shù)據(jù)通訊流暢，熱備狀態(tài)切換響應(yīng)迅速，完全達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)束語

采用西門子300冗余模塊完成的FSSS保護(hù)系統(tǒng)大大節(jié)約了成本投入，系統(tǒng)投用后給企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行后，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，上位機(jī)畫面數(shù)據(jù)刷新及時(shí)，沒有出現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。經(jīng)過幾個(gè)月的不間斷運(yùn)行，不論是主站和備用站的故障切換，還是維護(hù)人員的故意認(rèn)為切換，主站和備用站的切換過程響應(yīng)及時(shí)，沒有設(shè)備誤動(dòng)作情況出現(xiàn)，有效地保證了鍋爐的安全可靠運(yùn)行。

[1]陳勇.西門子PLC軟冗余技術(shù)在啤酒生產(chǎn)自控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用, 2013(8):49-51.

[2]陳蕊.西門子S7-300軟冗余系統(tǒng)在高爐噴煤制粉中的應(yīng)用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用, 2014(7):15-15.

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[4]畢林,黃文彬.基于西門子CPU315—2PN／DP的軟冗余系統(tǒng)在化肥廢水處理中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化信息, 2013(1):60-61.

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[7]Siemens PLC系統(tǒng)軟件冗余的說明與實(shí)現(xiàn)[EB/OL].http://wenku.baidu.com/link?url=KtNe4ERMxyW-iS-2Td3 cdRbyYS5AS4hSV0blYjWXCeZJxCHlWHqM22N13-d8sho_UrwJjQ0dnwNDlBlkz14Z-_knvbexjCF_lBaxhkjWjiC.