冗余技術在焚燒爐控制系統中的應用

黃琦蘭 陳智宇 張洪志

(1.天津工業大學電氣工程與自動化學院；2.大港油田原油運銷公司)

冗余技術在焚燒爐控制系統中的應用

黃琦蘭1陳智宇1張洪志2

(1.天津工業大學電氣工程與自動化學院；2.大港油田原油運銷公司)

基于某焚燒爐的工藝流程和控制要求，通過配置電源模塊、CPU模塊、冗余模塊、通信模塊及相關I/O模塊等硬件，并進行軟件組態，實現了焚燒爐控制系統的冗余功能。投運后，既滿足了焚燒爐運行的安全標準，又提高了控制系統的穩定性。

冗余功能 焚燒爐 S7-300 PLC

隨著自動化技術的快速發展和現代工業規模的不斷擴大，工業生產部門對裝置控制系統的可靠性提出了更高的要求[1]。在工業生產的惡劣環境下，偶爾會出現設備、通信和軟件運行故障，如果自控系統故障，那么在生產中造成的損失可能是非常巨大的。冗余技術是提高控制系統可靠性的最有效的方法之一[2]。冗余即通常所說的熱備，一般是雙機熱備，在少數情況下甚至需要多機熱備，冗余技術一般都是通過軟件或硬件冗余技術實現的。冗余技術的目的是使系統在運行過程中不受局部故障的影響，允許在不停機狀態下對控制系統進行維修。合理的冗余設計是保證控制系統穩定、安全、可靠運行的一種行之有效的方法。

筆者基于某搬遷擴建項目的焚燒爐控制系統，以S7-300 PLC軟冗余系統為研究對象，介紹冗余技術在工控系統中的應用。

1 工藝簡介

寧波阿克蘇諾貝爾過氧化物搬遷擴建項目，使用焚燒爐和余熱鍋爐處理廢水和廢油，要求每小時至少產生10t的蒸汽量。在上游生產過程中產生的廢油經燃油定量泵增壓后經由燃燒器進入焚燒爐，廢水經過泵的加壓后由廢水噴嘴霧化之后也進入焚燒爐，廢油和廢水充分燃燒后產生的高溫煙氣首先經過省煤器預熱水后再經過余熱鍋爐，使余熱鍋爐產生高溫蒸汽后從煙囪排出(圖1)。

圖1 廢油廢水處理流程簡圖

焚燒爐系統以廢油為主要燃料，正常開車時，點火材料為柴油，裝置區所有的燃料均來自界外區，為了保證廢油流量連續穩定，保證燃燒器的正常燃燒，燃燒器所用的廢油都來自于廢油儲罐，燃料系統中裝有壓力指示、流量控制及緩沖罐上設液位指示等，保證系統的安全運行。其中燃燒設備選用全自動廢油燃燒器。燃油由定量泵計算后進入高速旋轉的轉杯，以油膜形式甩出杯唇，在由風機送出的風逆向沖刷下形成油霧，而后與風充分混合后進入燃燒室燃燒，控制系統根據負荷的變化對風量/廢油量進行自動調節實現全自動燃燒。常溫空氣由鼓風機送入焚燒爐中。在整個流程中設置有多處安全聯鎖，生產要求控制系統運行必須穩定可靠，不能發生因為系統軟硬件故障致使焚燒流程系統停機，甚至整個工廠的生產陷入停頓狀況的嚴重事故。

2 系統冗余配置

通常根據冗余的實現方式將冗余分為硬件冗余和軟件冗余。硬件冗余就是通過對系統的重要部件進行備份而實現的冗余；軟件冗余主要通過程序實現主備切換和數據同步。與硬件冗余相比，軟件冗余雖然在切換速度、系統維護和可靠性方面不及硬件冗余，但是軟件冗余具有非常大的成本優勢，而且軟件冗余完全可以滿足絕大多數控制系統對于可靠性的要求。

2.1 軟冗余程序設計

根據工藝流程和生產管理特點，并結合客戶需求，系統結構采用分布式控制系統，使用雙電源、雙CPU、兩套通信網絡構建冗余系統。系統設置一臺中央操作站、一臺冗余控制站、一個遠程I/O控制站，中央操作站選用工業PC機，完成控制系統的報警、監視、操作、記錄、存儲及報表生成等功能，與冗余控制站之間的通信采用Industrial Ethernet協議。

在硬件上需要增加以太網通信模塊CP343-1和工業交換機；采用PS-307電源模塊給冗余控制站供電，控制器選用CPU315-2DP，它們之間的通信采用MPI協議，冗余控制站的CPU通過DP口使用Profibus-DP通信協議與各自的ET-200從站通信[3]。操作站軟件選用WinCC6.2 SP3，PLC軟件選用SIMATIC Manager STEP7(V5.4)，操作系統軟件選用Microsoft Windows XP。

由圖2所示的系統冗余配置圖可以看出，軟冗余系統由A和B兩套相對獨立的PLC系統組成[4]。其中Industrial Ethernet通信用來實現過程監控和程序下載，MPI通信是連接主站控制系統CPU和備站控制系統CPU的數據同步線，主站與從站使用Profibus通信方式。系統能夠實現4個方面的冗余：主機架電源冗余、PLC處理器冗余、Profibus現場總線網絡冗余[5]和ET200M站的通信接口模塊IM153-2冗余。在開始時，系統一般默認A站為主站，B站為備用站，當A站中的相關組件出現錯誤時，系統會將控制權自動切換到備用站B中執行，此時B站為主站，而A站則成為備用站。可見，主站與備站是相對的，并不是設定好的，這種切換過程包括電源、CPU、通信電纜和IM153-2的整體切換[6]。

圖2 系統冗余配置示意圖

在系統運行過程中，主控制系統和備用控制系統的切換還可以通過手動方式實現，系統的手動切換對于控制系統的軟硬件調整具有非常重要的現實意義。軟冗余的軟件編程由硬件組態(圖3、4)和冗余程序兩部分組成，在冗余系統中需要對主站和備用站兩套系統分別進行組態[7]，由冗余性質可知，兩套系統除了通信地址外所有的硬件組態和系統程序都應該基本相同。

圖3 主站組態結果

圖4 從站組態結果

冗余系統通信網絡共配置有4個通信網絡，具體為：主站與從站的通信鏈路，備用站與從站的通信鏈路，主站與備用站的數據同步通信鏈路，主站或備用站與PC機的通信鏈路[8]。主控制系統與備用控制系統用于實現主從通信，其CPU地址應該相同，ET200M上的IM153-2的地址也應相同。此外必須要保證同一個網絡上的不同通信設備地址的唯一性[9]。本系統的通信網絡結構如圖5所示，其中ET200M上IM153-2的地址設定為3；用于主從通信的Profibus-DP的地址設置為2；用于主站與從站之間數據同步的MPI地址分別設定為2和3；分別插在主從站中CP343-1模塊的以太網通信接口的IP地址為192.168.0.1和192.168.0.2。

圖5 冗余系統網絡結構

2.2 上位機組態

在組態軟件WinCC中創建TCP/IP連接，并生成相應的Tag變量。WinCC軟件本身提供了基本的冗余切換程序包。在本系統中使用生成的C腳本程序自動讀取PLC內部分配好的IP地址，從而實現主站或從站的數據監控。WinCC腳本程序在正常運行時會根據主備控制系統PLC的CPU模塊中的相關狀態字判斷出哪個CPU模塊所在的控制站是主站[10]，并且WinCC將組態的外部變量自動連接到主站。當冗余切換狀況發生時，WinCC會自動實現IP地址的冗余切換，從而保證焚燒爐上位機系統參數的連續實時監控。

3 結束語

當主備兩套系統正常運行時，通過手動設置主站的CPU模塊或PLC系統電源模塊故障，冗余系統可以在100ms以內實現主備系統的切換，在切換過程中，繼電器輸出正常，模擬量的數據傳輸正常，工業控制現場設備動作正常，沒有出現因為PLC硬件故障而造成焚燒爐系統停機的現象。上位機WinCC的數據刷新準確及時，整個PLC控制系統都采用UPS供電，提升了控制系統的可靠性，保證焚燒爐和鍋爐的安全運行，提高了企業的生產效率。

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ApplicationofRedundancyTechniquesinIncineratorControlSystem

HUANG Qi-lan1, CHEN Zhi-yu1, ZHANG Hong-zhi2
(1.CollegeofElectricalEngineeringandAutomation,TianjinPolytechnicUniversity; 2.OilTransportationandMarketingCompany,DagangOilfieldCorporation)

Considering the technological process and control requirement of a incinerator, equipping it with power modules, CPU, redundant modules, communication modules and I/O modules and configuring software was implemented to realize redundancy function of the incinerator control system. The actual application shows that, this system can satisfy the safety standards for the incinerator operation and improve the stability of the control system.

redundancy function, incinerator, S7-300 PLC

TH862+.7

B

1000-3932(2017)02-0191-04

2016-06-07，

2016-12-02)

黃琦蘭(1966-)，副教授，從事工業自動控制的研究，czy9870@163.com。