PLC系統(tǒng)在造紙廠生產(chǎn)過(guò)程和傳動(dòng)控制中的冗余設(shè)計(jì)淺析

1 引言

造紙廠PLC控制系統(tǒng)主要用于集散控制和傳動(dòng)控制，如下圖1所示。集散控制主要包括制漿流程、造紙流程和倉(cāng)儲(chǔ)流程；傳動(dòng)控制則以造紙機(jī)的分部傳動(dòng)為主。

圖1 造紙PLC控制系統(tǒng)所針對(duì)的主要生產(chǎn)工藝

在造紙生產(chǎn)工藝的控制要求中，需要做到以下三點(diǎn)：

（1）造紙?jiān)O(shè)備在啟停和運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生危機(jī)設(shè)備和人身安全的故障時(shí)，需要自動(dòng)采取保護(hù)和聯(lián)鎖，防止事故的產(chǎn)生和避免事故擴(kuò)大，從而保證正常啟停和安全運(yùn)行；

（2）通過(guò)對(duì)造紙?jiān)O(shè)備工作狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)的嚴(yán)密監(jiān)視，發(fā)生異常時(shí)，即時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，必要時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)或者切除某些設(shè)備或者系統(tǒng)，維持原負(fù)荷運(yùn)行或減負(fù)荷運(yùn)行直至安全退出運(yùn)行；

（3）造紙自動(dòng)化的集散控制要求更快的速度、更有效控制與監(jiān)測(cè)、更高的數(shù)據(jù)處理能力和抗風(fēng)險(xiǎn)能力，以及更高的集成能力。在這種情況下，僅靠提高控制系統(tǒng)硬件的可靠性來(lái)滿(mǎn)足上述要求是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)镻LC本身可靠性的提高是有一定的限度，使用冗余系統(tǒng)才能夠比較有效地解決設(shè)備安全問(wèn)題，才能保障整個(gè)系統(tǒng)的安全與效率。

在冗余控制系統(tǒng)中，整個(gè)PLC控制系統(tǒng)（或系統(tǒng)中最重要的部分，如CPU模塊）由兩套完全相同的系統(tǒng)組成。兩塊CPU模塊使用相同的用戶(hù)程序并行工作，其中一塊是主CPU，另一塊是備用CPU；主CPU工作，而備用CPU的輸出是被禁止的，當(dāng)主CPU發(fā)生故障時(shí)，備用CPU自動(dòng)投入運(yùn)行。

本文將主要討論造紙廠PLC系統(tǒng)的冗余配置和應(yīng)用。

2 西門(mén)子PLC控制系統(tǒng)的冗余配置

2.1 冗余原理配置

造紙廠的西門(mén)子冗余系統(tǒng)由A和B兩套PLC控制系統(tǒng)組成。開(kāi)始時(shí)，A系統(tǒng)為主，B系統(tǒng)為備用，當(dāng)主系統(tǒng)A中的任何一個(gè)組件出錯(cuò)，控制任務(wù)會(huì)自動(dòng)切換到備用系統(tǒng)B當(dāng)中執(zhí)行。這時(shí)，B系統(tǒng)為主，A系統(tǒng)為備用，這種切換過(guò)程是包括電源、CPU、通訊電纜和IM153接口模塊的整體切換。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，即使沒(méi)有任何組件出錯(cuò)，操作人員也可以通過(guò)設(shè)定控制字，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)的主備系統(tǒng)切換，這種手動(dòng)切換過(guò)程，對(duì)于控制系統(tǒng)的軟硬件調(diào)整、更換、擴(kuò)容非常有用。圖2為西門(mén)子冗余結(jié)構(gòu)示意。

圖2 西門(mén)子PLC冗余結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)保護(hù)系統(tǒng)所需的輸入輸出點(diǎn)數(shù)、節(jié)點(diǎn)容量、系統(tǒng)功能等要求，可以使用兩個(gè)西門(mén)子S7-300或者S7-400做冗余CPU。特別應(yīng)當(dāng)注意的是冗余系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)使用有源總線(xiàn)模板的導(dǎo)軌及有源總線(xiàn)模板。其中冗余系統(tǒng)中主備系統(tǒng)的切換時(shí)間按照以下公式計(jì)算：主備系統(tǒng)的切換時(shí)間=故障診斷檢測(cè)時(shí)間+同步數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間+DP從站切換時(shí)間。

如果CPU的故障是停機(jī)或斷電，則故障診斷為大約100～1000毫秒，如315～2DP同步1000字節(jié)的數(shù)據(jù)所需的時(shí)間大約為200～300ms，8個(gè)DP從站的切換時(shí)間在100ms左右。

無(wú)論控制程序循環(huán)掃描到哪里，當(dāng)前激活的系統(tǒng)（即主系統(tǒng)）隨時(shí)都會(huì)接收并處理報(bào)警，這樣，在主系統(tǒng)A與備用系統(tǒng)B進(jìn)行切換過(guò)程中產(chǎn)生的報(bào)警存在被丟失的可能。在冗余系統(tǒng)進(jìn)行工作時(shí)，A、B控制系統(tǒng)（處理器，通訊、I/O）獨(dú)立運(yùn)行，由主系統(tǒng)的PLC掌握對(duì)從站中的I/O控制權(quán)。A、B系統(tǒng)中的PLC程序由非冗余（non-duplicated）用戶(hù)程序段和冗余（redundant backup）用戶(hù)程序段組成，主系統(tǒng)PLC執(zhí)行全部的用戶(hù)程序，備用系統(tǒng)PLC只執(zhí)行非冗余用戶(hù)程序段，而跳過(guò)冗余用戶(hù)程序段。

2.2 S7-300冗余程序的設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)配置

中小紙機(jī)的控制系統(tǒng)可以采用S7-300冗余配置，如2640/320低定量涂布造紙機(jī)。它是由兩套S7-300系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn)主機(jī)冗余和通訊冗余，兩套CPU315互為熱備，當(dāng)系統(tǒng)正常時(shí)一個(gè)工作、另外一個(gè)處于備投狀態(tài)，兩個(gè)CPU315中的數(shù)據(jù)保持一致；當(dāng)運(yùn)行中的CPU315出現(xiàn)故障時(shí)，另外一個(gè)CPU315自動(dòng)投入運(yùn)行，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

系統(tǒng)采用多個(gè)分布式輸入輸出I/O站ET200M，每個(gè)ET200M上有兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模塊IM153-2，通過(guò)ProfiBus-DP總線(xiàn)與CPU連接。上位監(jiān)控采用CP5613通訊卡與S7-300連接。圖3為PLC系統(tǒng)原理。

圖3 PLC系統(tǒng)原理

圖3中，造紙機(jī)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)：主機(jī)架電源、背板總線(xiàn)等冗余；PLC處理器冗余；PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余（包括通訊接口、總線(xiàn)接頭、總線(xiàn)電纜的冗余）；ET200M站的通訊接口模塊IM153-2冗余。

中小型紙機(jī)的PLC自動(dòng)化冗余控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

① 上漿流送系統(tǒng)；

② 損紙系統(tǒng)；

③ 化學(xué)品系統(tǒng)；

④ 水系統(tǒng)；

⑤ 蒸汽冷凝系統(tǒng)；

⑥ 倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)；

⑦ 傳動(dòng)控制系統(tǒng)等。

（2） 硬件組態(tài)

先在“Hw Conifg”中分別下裝硬件，然后打開(kāi)“Netpro”，建立同步聯(lián)接。

再分別向兩個(gè)CPU下裝。

（3） 軟件編程

為了使系統(tǒng)在DP從站故障時(shí)不會(huì)造成CPU停機(jī)，除了OB86外還需使用以下組織塊。

OB80 主—從切換時(shí)循環(huán)時(shí)間超出；

OB82 冗余備份DP從站上的某一模件的診斷報(bào)警；

OB83 DP從站接口上的模件連接中斷/重新連接報(bào)警；

OB85 當(dāng)DP從站接口故障時(shí)運(yùn)行出錯(cuò)；

OB87 通訊故障；

OB122 外設(shè)訪(fǎng)問(wèn)出錯(cuò)。

輸出地址連續(xù)，不包括CP和FM模件。

每個(gè)DP從站最大輸出范圍32個(gè)字節(jié)。

2.3 S7-400系統(tǒng)配置

對(duì)于高速中大紙機(jī)，為保證高度的可靠性和穩(wěn)定性必須采用高速度、大容量的冗余控制器，如西門(mén)子S7-400H。圖5為典型的冗余系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。它通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)將上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)控制點(diǎn)緊密的結(jié)合為一個(gè)整體，構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。在這樣高速傳輸網(wǎng)絡(luò)上，可以很方便的利用PLC系統(tǒng)所特有的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)造紙控制系統(tǒng)的集散控制和傳動(dòng)控制功能。

圖5 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)是基于西門(mén)子全集成自動(dòng)化概念的系統(tǒng)，同時(shí)采用上位機(jī)WINCC作為操作和監(jiān)控的人機(jī)界面，其冗余功能包括：

（1）控制器冗余，可以實(shí)現(xiàn)雙控制器冗余切換功能，S7-400H CPU之間用光纖連接，實(shí)時(shí)保持在線(xiàn)備份，當(dāng)主CPU出現(xiàn)故障時(shí)，另外一個(gè)CPU在線(xiàn)自動(dòng)接替主CPU進(jìn)行工作，切換時(shí)間為毫秒級(jí)；

（2）通訊冗余，ProfiBus-DP網(wǎng)采用兩個(gè)分別獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，組成ET200M I/O站冗余通訊，實(shí)現(xiàn)與雙控制器的冗余通訊；

（3）電源冗余，10A直流電源冗余配置，用于CPU和模塊供電。

S7-400H的冗余控制系統(tǒng)在造紙廠應(yīng)用中可以采用客戶(hù)/服務(wù)器的結(jié)構(gòu)，以集中的、從上到下的組態(tài)方式實(shí)現(xiàn)造紙控制系統(tǒng)的友好人機(jī)界面。它具有開(kāi)放的結(jié)構(gòu)，可以同管理級(jí)進(jìn)行通訊，也可以同現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)融為一體。

3 施耐德PLC控制系統(tǒng)的冗余配置

3.1 系統(tǒng)配置

除了西門(mén)子PLC冗余系統(tǒng)，在造紙廠控制系統(tǒng)考慮可靠性、安全性、兼容性的因素情況下，PLC還可以選用施耐德公司Quantum Unity系列產(chǎn)品。由圖6可知該造紙系統(tǒng)由光纜、工業(yè)交換機(jī)、冗余PLC構(gòu)成100M以太冗余環(huán)網(wǎng)，冗余PLC系統(tǒng)對(duì)流送系統(tǒng)、水系統(tǒng)、蒸汽冷凝系統(tǒng)、損紙系統(tǒng)等進(jìn)行控制，交換機(jī)選用TP-TX/TX系列499NES07100，集線(xiàn)器選用3TP/2FL系列499NEH00410。

圖6 系統(tǒng)配置

3.2 系統(tǒng)軟件配置及功能

3.2.1 冗余系統(tǒng)的切換

造紙控制系統(tǒng)采用的是冗余PLC系統(tǒng)，其切換功能包括：當(dāng)主控PLC發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)將數(shù)據(jù)流、程序邏輯切換到冗余備用PLC；當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，自動(dòng)決定PLC的主/備狀態(tài)；當(dāng)主控PLC從故障中恢復(fù)后，自動(dòng)解決PLC間的狀態(tài)沖突。

為了確保在實(shí)際運(yùn)行的冗余切換問(wèn)題，必須對(duì)冗余CPU切換進(jìn)行測(cè)試，包括兩種：

一種是利用CPU控制器前面板鍵盤(pán)熱備子菜單進(jìn)行切換：

（1）鍵盤(pán)切換

① 操作主控制器鍵盤(pán)；

② 進(jìn)入PLC操作菜單；

③ 進(jìn)入熱備子菜單；

④ 進(jìn)入熱備模式；

⑤ 將運(yùn)行狀態(tài)改為離線(xiàn)狀態(tài)；（注意：確保備用控制器切換為主控制器）

⑥ 將離線(xiàn)狀態(tài)改為運(yùn)行狀態(tài)。（注意：確保液晶顯示屏顯示“運(yùn)行備用”）

另外一種是利用命令寄存器系統(tǒng)位％SW60.1或％SW60.2進(jìn)行切換在切換過(guò)程中，必須觀察切換對(duì)I/O模塊的影響：

（2）寄存器切換

① 連接主控制器；

② 觀察主控制器的順序是A還是B（注意：用以下基中一個(gè)辦法來(lái)進(jìn)行觀察）;

主控制器前面板鍵盤(pán)（PLC操作/熱備/熱備順序）

Unity Pro狀態(tài)對(duì)話(huà)械（當(dāng)在線(xiàn)連接時(shí)參考Unity Pro窗口底部）

③ 存取命令寄存器系統(tǒng)位；

%SW60.1（如果連接的主控制器順序是A）

%SW60.2（如果連接的主控制器順序是B）

④ 將位設(shè)備為0（注意：確認(rèn)備用控制器已切換為主控制器）；

⑤ 連接新的主控制器。

⑥ 存取命令寄存器系統(tǒng)位。選擇與步驟3中相同的位；

⑦ 將位設(shè)置為1（注意：確保備用控制器顯示“運(yùn)行備用控制器”）；

⑧ 確保主控制器和備用控制器片于“運(yùn)行主控制器”模式和“運(yùn)行備用控制器”模式。

3.2.2 冗余系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理

在造紙系統(tǒng)冗余PLC系統(tǒng)運(yùn)行中，在主控PLC和備用PLC之間自動(dòng)同步實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（如圖7所示）；主控PLC發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)將數(shù)據(jù)流切換到備用PLC，并將所有故障和切換信息記錄到備用PLC。這種實(shí)時(shí)更新以?huà)呙柚芷跒榛鶞?zhǔn)，在每一個(gè)掃描周期后，主控PLC都會(huì)向備用PLC發(fā)送以下信息：定位變量、所有非定位變量、所有DFB和EFB類(lèi)型實(shí)例、SFC變量區(qū)、系統(tǒng)位與字。

圖7 冗余系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

4 結(jié)束語(yǔ)

PLC系統(tǒng)在造紙廠生產(chǎn)過(guò)程和傳動(dòng)控制中的冗余設(shè)計(jì)選型和應(yīng)用需要按照以下原則進(jìn)行：

（1）按過(guò)程控制系統(tǒng)的控制規(guī)模和復(fù)雜程度

控制規(guī)模越大、復(fù)雜程度越高，則優(yōu)先選擇冗余系統(tǒng)和高速CPU系統(tǒng)，因?yàn)樗鼙ＷC安全可靠性，并能對(duì)大量的模擬量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、分析和運(yùn)算，能完成各種復(fù)雜、繁瑣的調(diào)節(jié)控制計(jì)算。

（2）按投資規(guī)模和項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益合理選擇

在一些中小型造紙廠項(xiàng)目中，投資規(guī)模較小，則應(yīng)優(yōu)先選用相對(duì)低廉、性?xún)r(jià)比好的中型PLC，包括國(guó)產(chǎn)中型PLC，因?yàn)槟壳暗膰?guó)產(chǎn)PLC也開(kāi)始有了冗余系統(tǒng)。

（3）考慮到系統(tǒng)連續(xù)性、兼容性及通訊指標(biāo)

如原造紙廠項(xiàng)目已有PLC控制系統(tǒng)，要考慮到系統(tǒng)的連續(xù)性和兼容性。因?yàn)檫@些PLC廠家能在很多方面做到兼容性，并確保程序的順利轉(zhuǎn)換和冗余控制。

（4）考慮到系統(tǒng)生產(chǎn)廠家的技術(shù)服務(wù)性

由于在造紙工業(yè)設(shè)備中，各PLC廠家的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、銷(xiāo)售策略、市場(chǎng)占有方向各不相同，合并或兼并后，將會(huì)對(duì)最終用戶(hù)產(chǎn)生大的影響，因此在選擇時(shí)必須周全考慮。如選擇有造紙背景的PLC廠商、選擇與原DCS系統(tǒng)一致的PLC廠商等。