西門子S7-400H冗余系統在工業硅電爐中的應用

劉凌夫

（大連重工機電設備成套有限公司工程技術設計院，遼寧大連，116013）

0 引言

工業硅作為整個硅產業的基礎原材料，用途十分廣泛，主要用于冶金、化工、電子等行業。近年來，隨著工業發展對工業硅需求的增加，我國工業硅產量逐年增長。工業硅電爐自動化控制系統廣泛使用可編程邏輯控制器（PLC）作為控制器。日常冶煉過程中，CPU組件故障、硬件故障或軟件錯誤導致的CPU故障、從站接口模塊故障或總線電纜斷線等故障會導致控制系統PLC停機，電爐冶煉過程停止，造成極大的經濟損失。為提高控制系統的可靠性，使用西門子S7-400H冗余控制系統。當系統出現故障時，可以將出現故障的系統切換到另一個備用系統上以保持控制系統繼續運行，大幅提高了控制系統的可靠性。

1 S7-400H冗余系統概述

■1.1 系統簡介

S7-400H是西門子采用冗余配置的容錯自動化系統，滿足高度可靠性的要求，適用于重新啟動成本較高、停產代價高昂以及僅需要很少監控和維護的應用。S7-400H采用“熱備用”模式的主動冗余性原理[1]，無故障時兩個子系統都處于運行狀態，發生故障時正常運行的控制器就會接管并繼續進行過程控制。

■1.2 系統結構

冗余系統的主要組件如CPU、電源模塊和CPU之間連接的硬件都是雙重的。系統主要由2個H-CPU、2根同步光纖、4個同步模塊、2個電源模塊、分布式I/O設備ET200M、交換機和工控機組成。冗余系統主站由兩個子系統[2]組成，安裝在一個UR2-H機架內，每個子系統配置一個CPU和一個電源模塊。每個CPU有兩個同步模塊，兩個CPU每對同步模塊通過一根同步光纖連接。ET200M通過冗余PROFIBUS與兩個子系統的CPU進行通信。只有一個PROFIBUS DP接口的設備可通過Y Link作為切換式外設[3]連接至冗余系統。每臺工控機上配置西門子以太網卡，通過工業以太網交換機與S7-400H PLC進行通信。

■1.3 系統主要功能

冗余系統的主要功能包括CPU數據通訊、事件同步、故障響應、自檢等。為了確保無擾動切換，需要CPU鏈路之間快速可靠的數據交換與同步。兩個CPU自動接收相同的用戶程序、相同的數據塊、過程映像和相同的內部輸入，同步更新CPU數據[1]。當兩個CPU的內部狀態不同時，例如在直接I/O訪問、中斷、報警和用戶定時器更新時，就會進行同步操作[1]。系統自檢包括CPU之間的連接、CPU模塊、處理器和存儲器等。在啟動時，每個子系統都進行全面自檢。整個自檢過程分布于幾個循環周期中，對CPU施加的負荷較小[1]。

2 電爐主要設備與工藝簡介

工業硅在電爐內以硅石為礦石，碳質原料為還原劑，采用連續性生產方式冶煉制得。工業硅電爐主要由爐體、爐體旋轉系統、電極系統、煙罩、煙氣導出裝置、電爐短網、加料系統、空氣注入系統、液壓系統、水冷系統、爐底冷卻系統、爐前設備和電爐變壓器組成。加料系統向電爐內補給爐料，料倉爐料通過料管進入爐內。短網將電爐變壓器低壓側輸出的冶煉所需的大電流傳導入爐內。電流以通過電極、爐料、電極三角回路產生的電阻熱和通過電極、電弧、熔池星型回路產生的電弧熱兩種方式產生熱量，進行工業硅的冶煉。冶煉過程中，爐體旋轉有利于松動爐料，增加透氣性，擴大坩堝區，減少搗爐操作，延長爐襯使用壽命。煙罩收集煙氣，通過煙氣導出裝置導出。空氣注入系統為電爐內部注入空氣，使電爐內部一氧化碳完全燃燒。注入的空氣對電極、爐門、料管密封，防止逸塵及一氧化碳上浮。液壓系統是電極升降、壓放和把持器等液壓執行器的動力源。水冷系統對處于高溫條件下工作的煙罩、短網、水冷電纜、銅瓦、底部環和保護屏等設備進行冷卻。工業硅冶煉溫度較高，由于熱傳導，爐底溫度也會很高，爐底冷卻風機適時對爐底進行冷卻。爐前設備主要由爐前排煙系統和燒穿系統組成。燒穿系統的燒穿母線將燒穿動力電傳導至燒穿器，用于打開出硅口。爐前排煙系統的集煙罩收集出爐煙塵，煙塵由排煙風機通過煙道引至除塵袋室。

3 系統網絡架構

根據工業硅電爐工藝控制需求，整個冗余系統網絡架構按功能分為三層，從上至下分別為監控層、控制層和現場層。現場層主要設備是分布式I/O從站，從站基本配置包括通訊接口模塊、各種I/O信號模塊、通訊模塊和功能模塊。現場層采集車間各層設備儀表數據并上傳至控制層，接收控制層指令控制各層電機、閥門等執行機構。控制層主要設備是電爐主站兩個中央控制器，是實現系統冗余和電爐控制的關鍵。控制層是監控層與現場層之間的樞紐，與監控層通信并接收監控層的命令，對現場層設備進行控制。監控層主要由操作員站、工程師站和打印機組成。操作員站采集監視生產數據，控制設備運行，具有故障報警、數據歸檔、報表生成等功能。工程師站主要用于軟件組態編程、下載調試和系統診斷。系統網絡架構如圖1所示。

圖1 系統網絡架構

4 系統硬件配置

工業硅電爐S7-400H冗余系統的CPU選用412-5H PN/DP CPU，電源模塊選用10A 407電源模塊。分布式ET200M I/O設備使用S7-300 PLC的信號模塊、功能模塊和通訊模塊進行擴展。切換式配置的冗余系統每個ET200M從站使用兩個153-2接口模塊，Y Link包含兩個153-2接口模塊和一個Y型耦合器。工業硅電爐常用的信號模塊包括32×24VDC數字量輸入模塊、32×24VDC 0.5A數字量輸出模塊、8×12Bit模擬量輸入模塊、8×12Bit模擬量輸出模塊等。通過配置有源背板總線模塊，ET200M從站模塊支持帶電熱插拔功能。每臺工控機上配置西門子CP1623以太網卡。

5 系統軟件設計

■5.1 PLC編程

使用西門子STEP 7組態軟件編寫工業硅電爐冗余系統PLC程序，PLC編程主要包括硬件組態、網絡組態和程序編寫。

5.1.1 硬件組態

STEP 7組態軟件中新建項目，插入一個“SIMATIC H Station”。在硬件組態界面中添加UR2-H機架，插入10A 407電源和412-5H PN/DP CPU并設定CPU的PROFIBUS等參數。在冗余PROFIBUS上插入ET200M站，在ET200M站上添加SM300 I/O模塊并設定模塊的輸入/輸出地址等參數。在冗余PROFIBUS上插入DP Link站，在該站非冗余PROFIBUS上添加只有一個PROFIBUS DP接口的設備。SIMATIC H Station硬件組態如圖2所示。

圖2 SIMATIC H Station硬件組態

在項目中插入“SIMATIC PC Station”。在硬件組態界面的PC Station中插入Application和CP1623并設定CP1623的以太網等參數。在STEP 7界面的PC站的操作員站屬性中設置WinCC項目在操作員站的存儲路徑。配置PC站，確認目標工控機名稱與本地網絡連接。

5.1.2 網絡組態

在網絡組態界面中，為操作員站插入與SIMATIC H Station的S7容錯連接。系統網絡組態如圖3所示。

圖3 系統網絡組態

5.1.3 程序編寫

工業硅電爐PLC程序主要由組織塊OB、功能塊FB、功能FC、數據塊DB、系統功能塊SFB和系統功能SFC組成。組織塊包括主程序掃描組織塊OB1和各類中斷組織塊。中斷組織塊中包括與冗余功能有關的塊，例如OB70（I/O冗余故障）和OB72（CPU冗余故障）。工業硅電爐程序復雜，采用結構化編程[4]方法，將電爐程序內容按電爐設備分類，在各類設備功能塊、功能和共享數據塊中根據工藝控制要求編寫該類設備程序和數據。同類多個設備的控制使用功能塊的多重實例。在該類設備功能塊或功能中通過一個功能塊控制多個相同設備，每個設備的數據保存在一個或多個背景數據塊中。除了自己編程外，使用CPU提供的可在用戶程序中調用的預編程系統功能塊和功能。

工業硅電爐程序主要功能包括電極位置自動調節、電極消耗補充、電爐自動求料上料、煙罩爐門與料管閘閥遙控開關、煙道鐘罩閥開關、爐底冷卻、爐體旋轉、液壓系統設備啟停、與除塵系統等其它工段通信交換數據等。

■5.2 上位機軟件組態

使用西門子WinCC V7組態軟件進行工業硅電爐冗余系統上位機軟件組態，軟件組態主要包括通信與變量組態、畫面組態、過程值歸檔組態、報警組態和報表組態。

圖4 電爐主畫面

圖5 電極畫面

PLC程序硬件組態時，在PC站的操作員站屬性中設置WinCC項目在操作員站的存儲路徑并編譯PC站后，在WinCC項目“命名連接”通道下生成一個名為“S7$Program”的連接。工業硅電爐WinCC項目變量數量較多，將變量按設備分組，便于變量的查找。在WinCC用戶管理器中為用戶分配WinCC功能的訪問權限，用戶需在起始畫面登錄后再進入操作畫面，確保電爐生產操作安全可靠。電爐操作畫面包括電爐主畫面、電爐變壓器畫面、電極畫面、水分配器畫面、液壓系統畫面、歷史趨勢畫面、報警信息畫面等。通過操作畫面菜單欄上的按鈕，可將當前操作畫面切換至其它畫面。操作畫面實時顯示工藝流程、系統設備運行狀態、儀表參數和冶煉數據歷史變化趨勢等信息。用戶通過操作畫面設置系統設備運行參數，控制系統設備運行。電爐主畫面、電極畫面和水分配器畫面如圖4～圖6所示。使用 WinCC過程值歸檔功能，采集和歸檔電爐冶煉的過程數據。過程數據保存在歸檔數據庫中，為 WinCC項目的趨勢和報表提供歷史數據。使用 WinCC消息系統功能，在報警記錄界面中實時顯示系統設備的報警和故障等信息，并將這些信息歸檔。在消息系統中將“電爐波紋管壓力低”、“液壓系統壓力低”等重要消息單獨創建消息等級，并分配錄制的語音文件，可在消息到達時直接語音告知操作員報警的內容。使用WinCC自帶的DataMonitor選件，定時以Microsoft Excel文件形式生成并發布電爐冶煉歷史數據報表。

圖6 水分配器畫面

6 結語

本文通過建立系統網絡架構，配置系統硬件，編寫PLC程序，組態上位機軟件，詳細闡述了西門子S7-400H冗余系統在工業硅電爐中的應用。現場運行結果表明，該系統功能完善，安全穩定，操作維護方便，減少了工人的工作量和勞動強度，降低了企業的人力成本，最大限度釋放機械設備的生產能力，提高了生產效率。該系統使控制系統的可靠性大大增強，保證了整個電爐冶煉過程的連續性，有效減少了因控制系統故障停爐造成的重大經濟損失，提高了企業的經濟效益。