冗余控制系統在危廢處置中的應用

摘 要：為實現焚燒裝置的不間斷運行，本文在介紹西門子S7-300軟冗余系統工作原理的基礎上，結合天津某化工尾氣處理提標改造項目的工藝流程及控制要求，充分考慮了成本、可維護性等因素，通過配置電源模塊、CPU、冗余模塊、通訊模塊及相關I/O模塊等硬件，完成軟件組態，實現了焚燒爐控制系統的冗余功能。

關鍵詞：S7-300;軟冗余;軟件組態;控制系統

0 引言

隨著我國工業化經濟發展的不斷深入[1]，環境污染問題已經越來越影響到了人們正常的生活。政府部門對于環境問題也愈加重視，工業生產產生的廢氣也必須經過處理合格后才能排放到大氣中。在此背景下我公司受用戶委托就天津某化工企業產生的生產廢氣進行焚燒處理，并達到國家排放標準。尾氣處理裝置作為整個裝置的最后一道工序，焚燒裝置能否穩定的運行關乎著全廠裝置運行的穩定性。為了提高系統的穩定性，目前一般都采用冗余技術，但是采用硬件冗余技術雖然可靠性高，但是高昂的成本給企業增加了沉重的負擔。冗余技術是故障安全型系統提高系統可靠性的常用方式，目的就是使系統在運行過程中不受局部故障的影響，能夠進行在線維修。本文就西門子S7-300PLC軟冗余系統為研究對象，對系統的軟硬件配置及編程調試進行了相關的介紹。

1.工藝需求

天津某化工企業產生的廢氣主要成分為有機可燃物，熱值較高。正常工況下，可以不用補充天然氣，利用廢氣燃燒的熱量能夠維持爐內燃燒溫度。在焚燒爐端部裝有燃燒器，設置長明燈，用于在開停車狀態維持爐內溫度，以及在廢氣不足維持爐內溫度，利用鼓風機供給助燃空氣及二次風。燃燒器主火焰設置有紫外火焰監測器，長明燈設置離子火焰監測器，隨時監測火焰狀態。環氧丙烷廢氣和VCM濕氣中可燃成分含量較高，通過燃燒器進入焚燒爐進行燃燒;VCM干氣流量較大，且可燃成分含量較低，可分成多股通過布置在焚燒爐上的噴槍進入焚燒爐內，可保證流場的均勻性。焚燒爐溫度控制在950℃左右，停留時間大于2秒，以便使有機物有足夠的時間完全燃燒。工藝流程示意如圖1所示。

從焚燒爐出來的煙氣溫度為950℃左右，為了滿足后階段煙氣處理對溫度的要求，利用鍋爐進行降溫。既使煙氣溫度降低又能充分回收利用煙氣中的熱能。本項目中余熱鍋爐出口煙氣溫度為250℃左右，設計產生壓力為1.2MPa（g）的飽和蒸汽。余熱鍋爐采用火管鍋爐。

由于本項目所處理的幾股廢氣中普遍含Cl，經焚燒后煙氣中的HCl含量較高，在排放前需進行脫酸處理。本項目采用酸洗塔+堿洗塔的雙塔布置，可保證處理后的煙氣中HCl含量達到環保排放的要求。

焚燒系統為負壓操作，系統負壓由引風機提供，引風機選用變頻風機，根據焚燒爐的負壓控制引風機的頻率。

2.系統的工作原理

軟冗余系統在運行過程中，A、B兩個控制系統都獨立運行，其中A、B控制系統中的PLC程序由冗余用戶程序和非冗余用戶程序組成，ET200M從站中的I/O由主系統的PLC進行控制，主站控制系統的PLC執行全部的用戶程序，而備用站控制系統的PLC只執行非冗余用戶的程序段[3]。當主控制系統發生故障不能正常運行時，這時主控制系統需要將整個系統從站I/O模塊的控制權交給備用系統，但是要實現無擾切換，所有的輸出模塊在切換過程中的輸出狀態都必須保持不變，這就需要備用系統的PLC在主系統PLC工作時，備用控制系統內部存儲的輸出模塊的值就必須實時的與主控制系統的PLC中的相對應的輸出值保持一致。

主控制器的CPU在運行完冗余程序后，把已經定義完需要冗余的數據通過MPI的通訊方式發送給備用系統的CPU，從而實現數據同步。

3.系統的冗余配置

在任何時候冗余系統中各個并聯的子系統間只能有一個在運行，否則系統將出現混亂。按照冗余實現方式的不同可以將冗余分為硬件冗余和軟件冗余，目前幾乎所有的故障安全型系統選擇的基本都是硬件冗余，硬件冗余就是通過硬件切換對系統的重要部件進行備份而實現的冗余，軟件冗余是指主要通過程序實現主備切換和數據同步的冗余技術，從可靠性來講硬件冗余的可靠性雖然要高于軟件冗余，而且在切換速度、系統維護等方面軟件冗余都不及硬件冗余，但是與硬件冗余相比軟件冗余有著非常巨大的成本優勢。最主要的是在本項目中軟件冗余完全可以滿足生產對于控制系統的可靠性要求。

3.1 軟冗余程序的設計

按照工藝流程和生產管理的要求，系統采用分布式控制系統結構，本項目電源、CPU、通訊全部采用冗余結構。系統采用SIEMENS S7-300（315-2DP）系列PLC + 遠程監控的IPC構成。編程軟件采用STEP5.5，組態軟件采用WINCC7.2版本，并且有足夠的授權點數。操作站采用DELL主流控制站，操作系統軟件采用Microsoft Windows 7，上位機與冗余控制站之間的通信采用Industrial Ethernet協議。

為實現冗余功能在硬件上需要增加西門子以太網通訊模塊CP343-1和工業交換機;冗余控制站采用西門子PS-307電源模塊給冗余控制站供電，主備CPU之間的通信采用MPI通訊協議，冗余控制站的CPU通過DP口使用Profibus-DP通訊協議與各自的ET-200從站通信。

由圖1可以看出，軟冗余系統是由A和B兩套相對獨立的PLC系統組成[4]。其中上位機與CPU之間的Industrial Ethernet通訊是用來實現生產過程的監控和程序下載，MPI通訊連接了主控制系統的CPU和備用控制系統的CPU，以實現主備系統的數據同步。主備控制系統的各個主站與從站之間使用PROFIBUS的通訊方式。此系統能夠實現四個方面的冗余：主機架電源冗余，PLC處理器冗余，PROFIBUS現場總線網絡冗余 [5]，ET200M站的通訊接口模塊IM153-2冗余。在控制系統開始運行時，系統一般默認A站為主站，B站為備用站，當A站因為某種原因不能正常運行時，系統將會自動切換到B站繼續運行，此時B站成為主站，而A站成為備用站，可見主站和備用站是相對的，是可以互相轉換的 [6]。

在系統運行的過程中，系統的主控制系統和備用控制系統的切換還可以通過手動的方式實現，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，兩套系統除了通訊地址外所有的硬件組態和系統程序都應該基本相同，系統的硬件組態如圖2、圖3所示。

在冗余系統通訊網絡的配置上[8]，主控制系統與備用控制系統用于實現主從通訊的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訊設備的地址的唯一性。本系統的通訊網絡結構在冗余通訊網絡結構圖中，ET200M上的IM153-2的地址設定為5;用于主從通訊的PROFIBUS-DP的地址設置為6;用于主站與從站之間的數據同步的MPI地址分別設定為3和4;分別插在主從站中的CP343-1模塊的以太網通訊接口IP地址為192.168.0.8、192.168.0.9。

4.結束語

隨著經濟的發展和人們環保意識的提高，危險廢物的處理必將越來越受到人們的重視。通過將冗余技術應用到工業控制網絡中，保證了控制系統安全可靠穩定的運行，由于軟冗余與硬冗余相比，在硬件配置上節約了大量的成本，對于一些中小型企業或者對控制精度要求不是特別高的控制系統，軟冗余技術無疑是一個非常好的選擇。

參考文獻

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[8]戴慶瑜，劉建斌，湯偉.玻殼成型PLC冗余自控系統的設計[J].陜西科技大學學報：自然科學版，2009（1）：114-116.

作者簡介：

陳智宇 ?（1989---），1989年12月21日生，男 ，籍貫：內蒙古烏蘭察布市，民族：漢族，職稱：助理工程師，單位名稱：天津辰創環境工程科技有限責任公司，學歷：碩士，研究方向：儀表自控設計