西門子PLC 雙機(jī)熱備冗余系統(tǒng)在散貨港口帶式輸送機(jī)自動化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

連 俊

0 引言

湄洲灣港東吳港區(qū)東吳作業(yè)區(qū)東1#、東2#泊位為大型散貨碼頭，在裝卸船生產(chǎn)過程中帶式輸送機(jī)需要不間斷運(yùn)行，如果帶式輸送機(jī)流程停機(jī)會出現(xiàn)裝卸船停產(chǎn)現(xiàn)象，給港區(qū)及貨主帶來巨大損失，對作為帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)核心的PLC 在穩(wěn)定性和可靠性方面提出了很高的要求，所以港區(qū)帶式輸送機(jī)程控系統(tǒng)采用西門子PLC 雙機(jī)熱備冗余、WINCC 上位機(jī)以及分布式I/O 設(shè)計，以保證系統(tǒng)的高效穩(wěn)定性。

1 程控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

帶式輸送機(jī)程控系統(tǒng)采用監(jiān)控層、控制層和現(xiàn)場設(shè)備層的三層結(jié)構(gòu)和PROFIBUSDP 現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)的兩層網(wǎng)絡(luò)控制模式。設(shè)備層由分布式I/O ET200M/LINK 連接現(xiàn)場設(shè)備。控制層主要包括CPU417-4H 硬件冗余PLC、CPU 冗余電源模塊PS407、以太網(wǎng)通信模塊CP443-1，主備CPU 通過冗余以太網(wǎng)通信模塊進(jìn)行信息交互。設(shè)備層與控制層通過PROFIBUS-DP 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。監(jiān)控層通過工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議與控制層進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1、圖2 所示。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖1

圖2 系統(tǒng)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖2

1.1 監(jiān)控層

在帶式輸送機(jī)程控系統(tǒng)上位監(jiān)控部分，采用西門子WINCC 組態(tài)軟件開發(fā)上位機(jī)界面，實現(xiàn)對帶式輸送機(jī)及其輔助設(shè)備的啟停、運(yùn)行狀態(tài)、電機(jī)溫度、軸承溫度、物料流量等進(jìn)行監(jiān)控和設(shè)置。

1.2 控制層

帶式輸送機(jī)程控系統(tǒng)控制層主要包括CPU417-4H 硬件冗余PLC、PLC 電源模塊PS 407、以太網(wǎng)通訊模塊CP443-1。以太網(wǎng)用于CPU 之間的通信以及上位監(jiān)控機(jī)與CPU 的通信，PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線用于PLC 的CPU 與分布式I/O 從站模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

冗余控制是采用備量的設(shè)備組成控制系統(tǒng)，若正常運(yùn)行的設(shè)備出現(xiàn)故障，立即通過硬件、軟件、人為方式切換到備份設(shè)備，替換故障設(shè)備，保證系統(tǒng)不間斷工作。為降低系統(tǒng)故障時候的切換時間，帶式輸送機(jī)程控系統(tǒng)采用CPU417-4H 雙機(jī)熱備硬件冗余方式。

1.3 設(shè)備層

帶式輸送機(jī)程控系統(tǒng)設(shè)備層包括帶式輸送機(jī)ABB ACS800變頻器、ABB 變頻電機(jī)、皮帶秤、液壓張緊、除鐵器、刮水器、三通擋板切換控制、振打電機(jī)控制、采制樣設(shè)備、帶式輸送機(jī)安全防護(hù)裝置等設(shè)備以及分布式I/O 設(shè)備。帶式輸送機(jī)程控系統(tǒng)每一個分布式I/O 從站配置兩套電源模塊PS 307 和兩套分布式I/O 接口模塊ET200M/LINK，實現(xiàn)電源和PROFIBUS-DP 接口的冗余配置。帶式輸送機(jī)及其輔助設(shè)備將自身信號通過模擬量模塊AI/O、數(shù)字量模塊DI/O、RS422/RS485 通訊模塊CP341 送入分布式I/O 設(shè)備ET200M/LINK，經(jīng)過PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絇LC 中進(jìn)行處理，PLC 的運(yùn)算處理結(jié)果再經(jīng)PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線傳輸?shù)紼T200M/LINK 以輸出帶式輸送機(jī)及其輔助設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)動作。

2 程控系統(tǒng)上位監(jiān)控層

帶式輸送機(jī)程控系統(tǒng)上位監(jiān)控層位于中控室，采用西門子的WINCC 進(jìn)行上位監(jiān)控，上位監(jiān)控利用PLC 將現(xiàn)場設(shè)備物理量（如軸承溫度、皮帶秤流量、液壓張緊壓力）和被監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行采集，并將物理量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電流或者電壓型號，經(jīng)分布式I/O 通過PROFIBUS-DP 傳送到上位機(jī)中以圖形、數(shù)字、指示燈或曲線的方式真實反應(yīng)現(xiàn)場狀況。在上位監(jiān)控軟件中，通過對采集到的物理量的變化分析判斷，輸出相應(yīng)的動作信號，信號經(jīng)PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線傳送到現(xiàn)場的分布式I/O，驅(qū)動現(xiàn)場執(zhí)行裝置以完成相應(yīng)的控制任務(wù)。如果帶式輸送機(jī)程控系統(tǒng)故障，上位機(jī)畫面通過報警記錄、顏色變化指導(dǎo)維護(hù)人員迅速排出故障。同時，上位機(jī)將帶式輸送機(jī)運(yùn)行時間、電流、電壓、電能、溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計，并制作成報表。

圖3 雙機(jī)熱備冗余PLC 體系架構(gòu)

圖4 T4-2 轉(zhuǎn)運(yùn)站從站機(jī)架電源冗余

3 程控系統(tǒng)P LC 雙機(jī)熱備冗余

帶式輸送機(jī)程控系統(tǒng)對關(guān)鍵部件機(jī)架、電源、CPU 模塊、ET200M/LINK，采取1:1 基于模件級雙重化配置，實現(xiàn)雙機(jī)主從熱備運(yùn)行，從而避免PLC 單模塊故障引發(fā)停機(jī)等事故，同時方便系統(tǒng)在線維護(hù)、升級，提高系統(tǒng)平均無故障時間（MTBF），縮短平均故障修復(fù)時間（MTTR）。

帶式輸送機(jī)程控系統(tǒng)在運(yùn)行過程中主機(jī)按周期把實時數(shù)據(jù)信息備份到從機(jī)，以便主從切換后，采用相同的數(shù)據(jù)繼續(xù)運(yùn)行，實現(xiàn)無擾切換。主、從機(jī)在運(yùn)行過程中定期對自身硬件、關(guān)鍵任務(wù)的運(yùn)行情況進(jìn)行檢測，依照設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)判斷是否出現(xiàn)故障，并給出診斷信息，為冗余設(shè)備的狀態(tài)轉(zhuǎn)換提供判斷依據(jù)，當(dāng)主機(jī)出現(xiàn)故障，從機(jī)升級為主機(jī)，而故障設(shè)備降為備用或退出運(yùn)行，并報警提示需要維護(hù)。本系統(tǒng)在運(yùn)行時，可帶電拔插更換機(jī)架上的故障模塊，不影響其它模塊正常工作，新更換的模塊自動加載運(yùn)行。以下介紹帶式輸送機(jī)程控系統(tǒng)體系架構(gòu)、電源、CPU 模塊、通信等方面的冗余應(yīng)用。

3.1 雙機(jī)熱備冗余PLC 的體系架構(gòu)

體系架構(gòu)上，冗余PLC 對機(jī)架、電源、CPU 模塊、ET200M/LINK 采用雙重化配置，如圖3 所示。

主機(jī)架UR2-H 采用1:1 完全冗余配置，2 個主機(jī)架與11個變電所轉(zhuǎn)運(yùn)站的擴(kuò)展機(jī)架間的通訊采用PROFIBUS-DP 雙通道冗余通訊總線，提高系統(tǒng)通訊可靠性。2 個主機(jī)架間的CPU417-4H 之間通過工業(yè)以太網(wǎng)電纜互聯(lián)，實現(xiàn)主從數(shù)據(jù)實時同步備份。

3.2 電源冗余

電源模塊是PLC 機(jī)架上其它模塊正常工作的重要保障。單電源模塊工作發(fā)生故障時會導(dǎo)致整個PLC 機(jī)架的控制失效，影響裝卸船生產(chǎn)。PLC 每個機(jī)架配置2 塊冗余電源模塊，每塊電源都具備對整個機(jī)架供電的能力，正常工作時均衡分但負(fù)載，每個電源都工作在輕符合狀態(tài)，有利于電源模塊長期工作。當(dāng)其中一塊電源發(fā)生故障，其自動切斷輸出，并從系統(tǒng)中隔離，另一塊電源模塊承擔(dān)起全部供電負(fù)荷。以T4-2 轉(zhuǎn)運(yùn)站從站機(jī)架圖4 為例，機(jī)架電源模塊實現(xiàn)1:1 冗余配置。

3.3 CPU 冗余

帶式輸送機(jī)程控系統(tǒng)PLC 的CPU 為2 臺CPU417-4H，采用相同的硬件、軟件設(shè)計，主CPU 啟動任務(wù)獲取I/O 信息、運(yùn)輸程序塊、控制I/O 輸出、進(jìn)行自診斷，并將實時數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)通訊模塊CP443-1 的以太網(wǎng)接口同步備份給從CPU。2 臺CPU間的同步是基于以太網(wǎng)接口建立的連接通訊服務(wù)，在CPU 中創(chuàng)建高優(yōu)先級的系統(tǒng)自診斷任務(wù)進(jìn)行CPU 故障實時監(jiān)視，根據(jù)2臺CPU 各自診斷的信息進(jìn)行判斷，從而觸發(fā)主從切換。當(dāng)主CPU 故障觸發(fā)主從切換后，該故障CPU 變?yōu)閭溆脿顟B(tài)，并發(fā)出告警提示，在更換新CPU 模塊時，只需通過撥碼啟動，就會在主CPU 模塊運(yùn)行間隙將配置文件及程序拷貝到新CPU 中，主CPU 與新CPU 之間的文件比較一致后加載運(yùn)行，新CPU 轉(zhuǎn)變?yōu)闊醾溆脿顟B(tài)，實現(xiàn)快速故障處理。

3.4 通信冗余

帶式輸送機(jī)程控系統(tǒng)通信采用PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)兩種方式，由CPU 中的程序監(jiān)控通信處理器的運(yùn)行狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量。當(dāng)檢測到切換故障，如通信模塊狀態(tài)故障、數(shù)據(jù)收發(fā)率差值大于定值、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送超時等情況，通過CPU 程序修改當(dāng)前工作通信模塊及后備通信模塊的定值，切換通信網(wǎng)絡(luò)，并給出報警信息，通知維護(hù)人員處理。

由于進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)冗余，分布式I/O 冗余方式不同以往，分布式I/O 從站不對I/O 模塊進(jìn)行1:1 完全冗余配置，而是在每個分布式I/O 機(jī)架上增加一個ET200M/LINK IM153-2 模塊，即I/O 模塊接冗余的ET200M/LINK IM153-2 模塊，該機(jī)架底板總線將同一I/O 信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，經(jīng)兩個具有相同從站地址的ET200M/LINK IM153-2 模塊，再通過PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線鏈路與主從CPU 進(jìn)行通信。

4 結(jié)語

西門子PLC 雙機(jī)熱備冗余技術(shù)實現(xiàn)帶式輸送機(jī)程控系統(tǒng)的高可靠性控制，有效降低了系統(tǒng)故障風(fēng)險。程控系統(tǒng)采用西門子ET 200 分布式I/O，減少了各轉(zhuǎn)運(yùn)站、變電所控制系統(tǒng)之間電纜敷設(shè)數(shù)量，降低了港區(qū)固定資產(chǎn)投入成本。采用WINCC組態(tài)軟件實現(xiàn)上位機(jī)對現(xiàn)場的監(jiān)視和控制，使裝卸船帶式輸送機(jī)流程生產(chǎn)操作更便捷，故障信息更直觀。西門子PLC 雙機(jī)熱備冗余程控系統(tǒng)自運(yùn)行以來工作穩(wěn)定，故障率低，滿足大型散貨船靠泊作業(yè)需求，為企業(yè)帶來良好經(jīng)濟(jì)效益。