西門子PCS7系統模擬量輸入信號顯示異常問題的研究

何 翠

（廣西電力職業技術學院，廣西 南寧 530007）

西門子PCS7系統模擬量輸入信號顯示異常問題的研究

何 翠

（廣西電力職業技術學院，廣西 南寧 530007）

介紹了中鋁廣西分公司煤氣廠使用的西門子PC S7系統，并對其中模擬量輸入模塊的使用過程進行了重點介紹，對系統調試當中出現的模擬量輸入信號顯示跳變問題進行了深入的分析研究，經過大量研究和實驗，找出了發生故障的原因并予以解決，同時提出了一種全面解決問題的方案。

西門子PC S7系統；跳變；單端接；地抗干擾；屏蔽；隔離器

煤氣廠擔負著給本企業的碳素、氧化鋁等焙燒爐供應高、中壓煤氣，以及為電解鑄造、碳素成型、碳素煅燒等供應低壓煤氣的任務，是整個企業生產能否正常運行的基礎。為提高煤氣廠自動化水平、保障期安全生產運行，2004年中鋁廣西分公司在煤氣廠的造氣爐、排送機等崗位，選用了兩套德國西門子公司的PCS7過程控制系統。該系統是德國西門子公司推出的一種應用于大型生產過程領域的、功能豐富的新型集散控制系統，它基于現場總線技術，集成了傳統DCS和PLC控制系統的優點，將兩者的功能有機的結合在一起。

PCS7系統的特點是：所有硬件都基于統一的硬件平臺，所有軟件也都全部集成在SIMATIC程序管理器下，有同樣統一的軟件平臺。是一種適用于現在、面向未來的開放型、全集成、高度安全的過程控制系統。煤氣廠安裝該系統后，技術人員進行了調試，但期間該系統許多四線制電流輸入的模擬量輸入信號顯示異常。如不定期地跳變、或一直不停地顯示“無窮大”，使得操作人員很難準確了解實際的生產運行情況和工藝狀況。針對這一問題，技術人員組織攻關小組進行了深入仔細的研究，經過大量的實驗，找到了解決具體問題的方法。目前該系統運行正常，其成功應用大大提高了煤氣廠的安全運行和生產自動化水平，減少了熱工維護人員的工作量。

1 系統構成

西門子PCS7系統的構成如圖1所示：雙冗余兩塊CPU模塊通過通訊處理器CP443-1和各操作站掛在冗余的工業以太網總線上。CPU同時通過自己的DP口、各DP站（遠程IO站）通過冗余總線接口模塊IM153-2掛在PROFIBUS-DP現場總線上。

圖1 系統結構圖

正常情況下，兩臺CPU共同運行，兩臺服務器與主CPU上交換數據，當主CPU或其通訊模塊、電源模塊或其中的一路工業以態網總線出現故障時，兩臺服務器自動無擾動切換到另一路CPU上交換數據。客戶機從主服務器上讀取數據，當主服務器有故障時，自動無擾動切換到從服務器讀取數據，完成和操作站以及各DP站通訊，保障系統安全運行。該CPU模塊的任務是把從各DP站的輸入模塊讀取的各種工藝參數、操作員指令等送入事先編好的程序中進行運算。其運算的結果通過各DP站的輸出模塊送給現場執行機構執行。各個操作站可以顯示各運行參數值、監視生產運行狀況和操作各工藝設備的運行狀況，調整的運行狀況、察看歷史記錄及報警顯示等功能。

2 系統調試

2.1 調試初期問題的發現

西門子PCS7系統安裝以后，初期的系統接入的信號比較少，各模擬量輸入參數均顯示正常。隨著大量信號的陸續接入，技術人員發現有些信號不定時的從“0”到“無窮大”跳動顯示，有些參數一直顯示“無窮大”。此時操作人員不能獲得準確的各種數據狀態和生產運行信息，無法組織生產，經觀察，各跳變信號均為四線制模擬量輸入信號。

2.2 工作原理分析

所有的模擬量輸入信號都采用4～20MA的標準信號制信號。模擬量輸入模塊為S7-300系列的6ES7331-7KF02，8通道，模-數轉換精度為12位，兼顧了轉換速度和轉換精度，是西門子公司比較經典的模塊。根據不同的要求，可組態成電壓輸入、四線制電流輸入、二線制電流輸入、熱電阻輸入和熱電偶輸入方式,組態為四線制電流輸入方式。

該模塊的端子接線圖如圖2所示，各端子含義如下：

L+：DC24 V+;

M：DC24 V-;

M+：輸入信號+端;

M-：輸入信號-端;

Mana：模擬測量電路的參考電壓。

圖2 模塊的端子接線圖

3 問題的查找及分析

技術人員通過如下幾個方面的檢查，得到相應的結果：

（1）經檢查，運行中的各模塊的組態、各變送器、閥門、變頻器等工藝設備接線無誤，且各點接觸良好，排除了接線不良和接線工藝的問題；

（2）技術人員用中間變量代替實際物理量，此時信號顯示正常，確定了監控軟件無問題；

（3）技術人員分別從接線柜端子排上逐一檢查，現場用模擬器輸入信號顯示正常；

（4）經過在線檢查硬件組態，系統提示模塊運行正常，排除了模塊本身的問題；

（5）直接把各信號接到電流表，電流表顯示的電流值對應真實的工況，又排除了各傳感器的問題；

（6）把輸入信號通過隔離器送入模塊，顯示正常。

通過以上的排查，技術人員因此分析認為：故障原因是信號有高頻電磁干擾。

4 問題的解決方法

經過多次的檢查和討論研究，技術人員決定從以下兩方面入手進行分析和試驗，解決信號異常問題。

4.1 排除干擾

安裝初期系統在試運行階段，現場有些地方還在施工，如有一臺大容量的電焊機在附近作業。經試驗，電焊機無論工作與否，原來跳變的信號繼續跳，不跳的照樣不跳，即信號顯示依然異常，排除了大容量電焊機工作投切造成的影響。其它機械和電氣設備都是正常生產時必須運行的設備。分析認為：即使干擾源來自這些設備，也只能想辦法消除和克服，不能移除設備。

4.2 提高抗干擾能力

經討論嘗試安裝隔離器的方法，雖排除了對模塊的干擾，但安裝和設計都已經完成，且由于接線柜等地方的空間和生產進度等時間的限制，無法給每個信號通道都安裝隔離器。

（1）消除等電線連接電流對模擬信號的干擾

技術人員再次檢查各線路，由于各個信號線的屏蔽層在控制室端都辮綁起來，并與各柜子的基礎和機殼絕緣的接地母板連接，最終連在單獨的接地樁上，經測量接地電阻也符合要求；在現場端卻也接在與基礎相連的電氣接地上，查閱西門子模擬量模塊6ES7331-7KF02的技術規范要求得知：所有的屏蔽層都必須單端接地，且必須接在單獨的接地裝置上。最后技術人員按照要求，仔細檢查每一根屏蔽電纜，把所有的現場端都懸空、包好；在控制室側的線不動，發現此時有一部分信號顯示正常了。

分析認為：按原來的接法信號電纜兩端存在電位差，造成系統的單獨接地與電氣接地之間由于電磁干擾，使這個電位差在屏蔽層中產生等電線連接電流，形成了對模擬信號的干擾，單端接地則解決了這類干擾帶來的故障。

（2）消除Ecm值超范圍對轉換電路的干擾

西門子技術手冊關于模塊技術規范要求：“M-”與“Mana”之間的電位差，即Ecm值小于2.5VDC。實測Ecm值為2.3 V～7 VDC不等，遠遠大于規范要求。根據規范要求，此時技術人員將“M-”與“Mana”及“M”之間短接起來，經過此接線方式信號顯示正常。

由于該西門子模塊的8個通道的模-數轉換、數字化被測量等值向總線底版的傳送是逐個且按順序進行的，即按照原理：模擬量輸入通道是順次轉換的。轉換執行過程中，轉換電路始終認為各個通道的信號的“M-”電位是相同的，只有這樣，各個通道才能公用一個轉換器，而且得到的轉換結果為同一標準。但在生產實際中四線制輸入信號的設備，如變送器、閥門和變頻器等由于供電有可能取自三相電源中的不同相別，各信號所處位置的干擾源不盡相同，干擾強度大小也不同，造成各個輸入通道的“M-”與“Mana”的電壓差不同。因此實測的結果發現有些點的Ecm值大大超出允許范圍。因此必須按照技術規范的要求把各“M-”端和“Mana”端及“M”之間短接起來，使各信號的參考電壓在同一點上，故障得以排除。

分析認為：調試初期給各個通道輸入由電池供電的模擬器信號時，或輸入經過信號隔離器隔離的信號時，顯示沒有發生異常跳變，是因為此時的輸入信號與交流電是隔離的，和“Mana”之間是沒有電壓的，則不會存在各個通道的Ecm值超范圍。而二線制模塊的輸入信號本身就是由該模塊來供電的，各個通道的Ecm值都一致，不會存在各個通道的Ecm值超范圍的問題。

5 結束語

系統安全運行必須具備較好的抗干擾能力，在安裝和接線過程中必須嚴格按照設備廠家的技術規范要求，如接地方法和接地裝置是一個比較復雜的問題，各個國家、各家公司對各自系統的接地要求都不完全相同，要應用規范合理的方法解決具體的問題。本案中用短接線解決Ecm值超范圍的問題也有其不足之處：一般情況下由于接線柜本身各個模塊的接線端子的空間比較狹小，如要增接較多的短接線，工藝上不美觀，且一旦工作人員觸碰到引起松動，將會影響到系統的運行安全。實踐經驗證明，在每個信號通道都安裝隔離器能徹底濾掉電磁干擾，讓模塊工作于一種相對良好的環境狀態。

Research of the Problem of Siemens PCS7 System Analog Input Signal Unmoral display

HECui
(Guangxi Electrical Polytechnic Institute，Nanning530007，China)

Introduces using the Siemens PCS7 system of the gas plant of Aluminum corporation of China limited Guangxibranch,and focuses on the analog input module the use of the process,analog input signals jumping problem in the process of the system debuggingwasanalyzed and studied carefully,After a greatdeal of study and experiments,the reasons of the failurewas found and solved,and a finalway to settle these problemswas found.

the siemens PCS7 system；jumping；single-ended ground；anti-interference；shield；isolator

TP273

B

1672-545X（2014）03-0232-03

2014-01-07

何 翠（1966—），女，廣東陽江人，副教授，研究方向為電氣自動化方向的教學、科研和產品開發。