冗余PLC控制技術(shù)在制氫系統(tǒng)中的應(yīng)用

王云剛

（山西汾西重工有限責(zé)任公司，山西 太原030027）

現(xiàn)有兩套制氫裝置，分別是2007年投運(yùn)的舊制氫系統(tǒng)和2009年投運(yùn)的新制氫系統(tǒng)。兩套裝置的控制系統(tǒng)均為西門子S7-300軟冗余PLC+ET200M架構(gòu)，隨著時(shí)間的推移，控制系統(tǒng)主機(jī)性能下降，運(yùn)行期間暴露出的一些問題，給正常生產(chǎn)帶來一定的安全隱患；同時(shí)存在問題還包括新制氫系統(tǒng)中控制的4套壓縮機(jī)、100#設(shè)備屬兩套制氫系統(tǒng)公用部分，存在集中控制風(fēng)險(xiǎn)等問題。新制氫系統(tǒng)如果發(fā)生故障、停電或檢修，將造成整個(gè)制氫控制系統(tǒng)停機(jī)，影響生產(chǎn)的有序運(yùn)行。鑒于此，基于目前運(yùn)行設(shè)備基礎(chǔ)和生產(chǎn)工藝，針對控制系統(tǒng)存在的問題，設(shè)計(jì)一套整體解決方案，以滿足生產(chǎn)運(yùn)行要求。

1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及軟硬件構(gòu)成

冗余系統(tǒng)原理及實(shí)現(xiàn)的功能：冗余系統(tǒng)采用兩套CPU模塊，一套為主處理器，另外一套為從處理器。系統(tǒng)運(yùn)行正常時(shí)，由主處理器執(zhí)行程序，同時(shí)對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制，而從處理器監(jiān)測主處理器狀態(tài)。當(dāng)主CPU出現(xiàn)故障時(shí)，從CPU立即接管對設(shè)備的控制，繼續(xù)執(zhí)行程序，如此完美實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的冗余控制。此次選用相同的兩套冗余控制器，分別對應(yīng)新舊制氫兩套系統(tǒng)。圖1為控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

硬件部分：新、舊控制系統(tǒng)分別增加一套S7-412H冗余PLC主機(jī)，用硬冗余替代原S7-300 PLC軟冗余；在舊制氫裝置控制系統(tǒng)中新增兩套ET200M遠(yuǎn)程站。

軟件部分：在新制氫裝置控制系統(tǒng)中刪除遷移的2臺壓縮機(jī)控制程序，降低CPU負(fù)載率；在舊制氫裝置控制系統(tǒng)中增加遷入的2臺壓縮機(jī)控制程序；修改舊制氫裝置控制系統(tǒng)硬件配置及軟件地址，使之適配新控制程序要求；完善監(jiān)控軟件，在保留原監(jiān)控系統(tǒng)功能同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對4臺壓縮機(jī)及100#站的運(yùn)行控制。

圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

網(wǎng)絡(luò)部分：增加新、舊裝置PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)鏈路；設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)切換裝置及通訊接口；新增工業(yè)以太網(wǎng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，用于4臺操作員站與冗余CPU通訊。

計(jì)算機(jī)部分：4臺操作員站保留目前設(shè)備操控功能；4臺操作站具備壓縮機(jī)組、100#設(shè)備監(jiān)控功能；4臺操作員站間互為備用。

2 設(shè)計(jì)思想和技術(shù)方案

2.1 設(shè)計(jì)思想

基于目前運(yùn)行設(shè)備基礎(chǔ)和生產(chǎn)工藝，新系統(tǒng)設(shè)計(jì)用硬件冗余替代原系統(tǒng)軟件冗余控制總體思路。在設(shè)備控制方面，將壓縮機(jī)設(shè)備集中控制分解為新、舊裝置分散控制；在運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)控制方面，新系統(tǒng)的ET200M遠(yuǎn)程站可通過DP總線切換，連接至舊系統(tǒng)遠(yuǎn)程子站，在舊系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對4臺壓縮機(jī)及100#設(shè)備控制，進(jìn)一步降低系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)新系統(tǒng)升級改造。

2.2 具體技術(shù)方案

在舊控制系統(tǒng)中增加ET200M遠(yuǎn)程站，將新制氫裝置控制系統(tǒng)中的兩臺壓縮機(jī)I/O控制信號遷移到新增的ET200M遠(yuǎn)程站；系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，新系統(tǒng)控制2臺壓縮機(jī)及100#設(shè)備，舊系統(tǒng)控制另外2臺壓縮機(jī)，新、舊制氫裝置獨(dú)立運(yùn)行。當(dāng)新系統(tǒng)檢修或故障停機(jī)時(shí)，通過DP網(wǎng)路中繼器進(jìn)行切換（需人工操作），舊制氫裝置作為主機(jī)連接新系統(tǒng)中所有ET200M遠(yuǎn)程站，在舊系統(tǒng)中完成對4臺壓縮機(jī)及100#設(shè)備的控制。

新舊制氫裝置分別控制2臺壓縮機(jī)，大大降低了因新控制系統(tǒng)故障造成的全線停產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)；新、舊控制系統(tǒng)均可實(shí)現(xiàn)對100#設(shè)備的控制功能，確保公用系統(tǒng)生產(chǎn)順行。

3 控制系統(tǒng)主要功能配置

3.1 冗余系統(tǒng)配置

硬件組態(tài)：打開STEP7軟件，雙擊“SIMATIC Manager”圖標(biāo)，新建S7-400H單項(xiàng)目，在項(xiàng)目中插入“SIMATIC H Station”，然后雙擊“Hardware”組態(tài)硬件，根據(jù)控制系統(tǒng)現(xiàn)場機(jī)架、電源、CPU單元、數(shù)字量模板、模擬量模板以及同步模板，進(jìn)行添加組態(tài)。同理，以相同的方式進(jìn)行冗余CPU的硬件組態(tài)。需要注意通訊模塊CP443的設(shè)置，創(chuàng)建并選擇“Ethernet（1）”，選中“Set MAC address/use ISO protocol”，并且需要設(shè)置該網(wǎng)卡的MAC地址（見圖2）。

圖2 PLC硬件配置圖

3.2 設(shè)置PG/PC接口參數(shù)

雙擊“SIMATIC Manager”圖標(biāo)，點(diǎn)擊“Options”，選擇“SET PG/PC Interface”，將PG/PC接口設(shè)置成ISO Ind Ethernet方式（見圖3）。

4 監(jiān)控系統(tǒng)通訊配置及實(shí)現(xiàn)的功能

4.1 監(jiān)控系統(tǒng)通訊配置

打開WinCC的ConterCenter，添加S7 Protocol Suite，選擇Named Connections，插入一個(gè)新的Connection連接，進(jìn)行設(shè)置（見圖4）。

4.2 監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

機(jī)組設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控；關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行預(yù)警、故障報(bào)警；設(shè)備遠(yuǎn)程啟、停操作；機(jī)組運(yùn)行參數(shù)設(shè)置；工藝參數(shù)趨勢記錄（見圖5）。

圖3 PG/PC接口參數(shù)設(shè)置

圖4 wincc通訊配置

圖5 系統(tǒng)監(jiān)控畫面

5 結(jié)語

新的控制系統(tǒng)投運(yùn)后，現(xiàn)場進(jìn)行了各種故障環(huán)節(jié)測試，控制系統(tǒng)均可穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)對關(guān)鍵生產(chǎn)工序控制，采用冗余PLC控制設(shè)計(jì)，提升了控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，從自動(dòng)化控制技術(shù)方面，為公司生產(chǎn)提供了技術(shù)保證，消除了因控制故障造成的系統(tǒng)熱停時(shí)，確保了冶煉生產(chǎn)順行。