冗余PLC控制技術在制氫系統(tǒng)中的應用

王云剛

（山西汾西重工有限責任公司，山西 太原030027）

現(xiàn)有兩套制氫裝置，分別是2007年投運的舊制氫系統(tǒng)和2009年投運的新制氫系統(tǒng)。兩套裝置的控制系統(tǒng)均為西門子S7-300軟冗余PLC+ET200M架構，隨著時間的推移，控制系統(tǒng)主機性能下降，運行期間暴露出的一些問題，給正常生產帶來一定的安全隱患；同時存在問題還包括新制氫系統(tǒng)中控制的4套壓縮機、100#設備屬兩套制氫系統(tǒng)公用部分，存在集中控制風險等問題。新制氫系統(tǒng)如果發(fā)生故障、停電或檢修，將造成整個制氫控制系統(tǒng)停機，影響生產的有序運行。鑒于此，基于目前運行設備基礎和生產工藝，針對控制系統(tǒng)存在的問題，設計一套整體解決方案，以滿足生產運行要求。

1 控制系統(tǒng)網絡架構及軟硬件構成

冗余系統(tǒng)原理及實現(xiàn)的功能：冗余系統(tǒng)采用兩套CPU模塊，一套為主處理器，另外一套為從處理器。系統(tǒng)運行正常時，由主處理器執(zhí)行程序，同時對現(xiàn)場設備進行控制，而從處理器監(jiān)測主處理器狀態(tài)。當主CPU出現(xiàn)故障時，從CPU立即接管對設備的控制，繼續(xù)執(zhí)行程序，如此完美實現(xiàn)對系統(tǒng)的冗余控制。此次選用相同的兩套冗余控制器，分別對應新舊制氫兩套系統(tǒng)。圖1為控制系統(tǒng)網絡架構。

硬件部分：新、舊控制系統(tǒng)分別增加一套S7-412H冗余PLC主機，用硬冗余替代原S7-300 PLC軟冗余；在舊制氫裝置控制系統(tǒng)中新增兩套ET200M遠程站。

軟件部分：在新制氫裝置控制系統(tǒng)中刪除遷移的2臺壓縮機控制程序，降低CPU負載率；在舊制氫裝置控制系統(tǒng)中增加遷入的2臺壓縮機控制程序；修改舊制氫裝置控制系統(tǒng)硬件配置及軟件地址，使之適配新控制程序要求；完善監(jiān)控軟件，在保留原監(jiān)控系統(tǒng)功能同時，實現(xiàn)對4臺壓縮機及100#站的運行控制。

圖1 控制系統(tǒng)網絡架構圖

網絡部分：增加新、舊裝置PROFIBUS-DP網絡鏈路；設計網絡切換裝置及通訊接口；新增工業(yè)以太網業(yè)網絡交換機，用于4臺操作員站與冗余CPU通訊。

計算機部分：4臺操作員站保留目前設備操控功能；4臺操作站具備壓縮機組、100#設備監(jiān)控功能；4臺操作員站間互為備用。

2 設計思想和技術方案

2.1 設計思想

基于目前運行設備基礎和生產工藝，新系統(tǒng)設計用硬件冗余替代原系統(tǒng)軟件冗余控制總體思路。在設備控制方面，將壓縮機設備集中控制分解為新、舊裝置分散控制；在運行風險控制方面，新系統(tǒng)的ET200M遠程站可通過DP總線切換，連接至舊系統(tǒng)遠程子站，在舊系統(tǒng)中實現(xiàn)對4臺壓縮機及100#設備控制，進一步降低系統(tǒng)運行風險，實現(xiàn)新系統(tǒng)升級改造。

2.2 具體技術方案

在舊控制系統(tǒng)中增加ET200M遠程站，將新制氫裝置控制系統(tǒng)中的兩臺壓縮機I/O控制信號遷移到新增的ET200M遠程站；系統(tǒng)正常運行時，新系統(tǒng)控制2臺壓縮機及100#設備，舊系統(tǒng)控制另外2臺壓縮機，新、舊制氫裝置獨立運行。當新系統(tǒng)檢修或故障停機時，通過DP網路中繼器進行切換（需人工操作），舊制氫裝置作為主機連接新系統(tǒng)中所有ET200M遠程站，在舊系統(tǒng)中完成對4臺壓縮機及100#設備的控制。

新舊制氫裝置分別控制2臺壓縮機，大大降低了因新控制系統(tǒng)故障造成的全線停產風險；新、舊控制系統(tǒng)均可實現(xiàn)對100#設備的控制功能，確保公用系統(tǒng)生產順行。

3 控制系統(tǒng)主要功能配置

3.1 冗余系統(tǒng)配置

硬件組態(tài)：打開STEP7軟件，雙擊“SIMATIC Manager”圖標，新建S7-400H單項目，在項目中插入“SIMATIC H Station”，然后雙擊“Hardware”組態(tài)硬件，根據控制系統(tǒng)現(xiàn)場機架、電源、CPU單元、數(shù)字量模板、模擬量模板以及同步模板，進行添加組態(tài)。同理，以相同的方式進行冗余CPU的硬件組態(tài)。需要注意通訊模塊CP443的設置，創(chuàng)建并選擇“Ethernet（1）”，選中“Set MAC address/use ISO protocol”，并且需要設置該網卡的MAC地址（見圖2）。

圖2 PLC硬件配置圖

3.2 設置PG/PC接口參數(shù)

雙擊“SIMATIC Manager”圖標，點擊“Options”，選擇“SET PG/PC Interface”，將PG/PC接口設置成ISO Ind Ethernet方式（見圖3）。

4 監(jiān)控系統(tǒng)通訊配置及實現(xiàn)的功能

4.1 監(jiān)控系統(tǒng)通訊配置

打開WinCC的ConterCenter，添加S7 Protocol Suite，選擇Named Connections，插入一個新的Connection連接，進行設置（見圖4）。

4.2 監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

機組設備運行狀態(tài)遠程監(jiān)控；關鍵設備運行預警、故障報警；設備遠程啟、停操作；機組運行參數(shù)設置；工藝參數(shù)趨勢記錄（見圖5）。

圖3 PG/PC接口參數(shù)設置

圖4 wincc通訊配置

圖5 系統(tǒng)監(jiān)控畫面

5 結語

新的控制系統(tǒng)投運后，現(xiàn)場進行了各種故障環(huán)節(jié)測試，控制系統(tǒng)均可穩(wěn)定運行。同時對關鍵生產工序控制，采用冗余PLC控制設計，提升了控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，從自動化控制技術方面，為公司生產提供了技術保證，消除了因控制故障造成的系統(tǒng)熱停時，確保了冶煉生產順行。